CN110153728A - 3d打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印‑焊接‑冷热处理复合加工装置，先进制造技术领域，包括：底座、夹具模块、夹紧装置、夹紧驱动装置、温控箱、移动夹具、加工装置和控制器；底座用于设置于地面，夹具模块在竖直方向上与底座滑动连接，夹具模块的下端设置在温控箱内，温控箱的上端与底座固定连接，夹紧装置与底座滑动连接，夹紧驱动装置与夹紧装置连接，移动夹具固定设置在底座上，加工装置的固定端固定设置在底座上，用于对工件进行打印、焊接或冲击，夹紧驱动装置、温控箱、移动夹具和加工装置均与控制器电连接，同时还公开了一种基于该装置的加工方法，以克服现有技术无法制造精密复杂构件的缺陷，能够在大型结构件加工要求。

Description

3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法
技术领域
本发明涉及先进制造技术领域，特别是涉及3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法。
背景技术
先进航空航天装备追求极端轻质化与可靠化的要求，使新型飞机、航天飞行器和发动机越来越多地采用整体制造的结构件，这对制造工艺提出了更高的要求。在材料方面，大幅增加钛合金、高温合金和超高强度钢等高强度合金的用量。通常高强度合金的热加工和机械加工都很困难，其大型复杂整体结构件和精密复杂构件的制造尤其困难，成为先进航空航天装备发展的瓶颈之一。
目前一般采用锻造和铸造的方式制造高强度合金的大型整体复杂构件，上述方式生产的材料晶粒组织粗大、且容易产生成分偏析和缺陷，当生产大型复杂整体结构件时，上述缺陷更加明显，而且采用上述制造方式很难制造出精密复杂构件。
发明内容
本发明的目的是提供3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够使3D打印或焊接与热处理同时进行，以改善结构件组织，并满足大型结构件的成型要求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，包括底座、夹具模块、夹紧装置、夹紧驱动装置、温控箱、移动夹具、加工装置和控制器；所述底座用于固定设置于地面，所述夹具模块在竖直方向上穿过所述底座并与所述底座滑动连接，所述夹具模块上端受压后能够自由下滑，所述夹具模块的下端设置在所述温控箱内，所述温控箱的上端与所述底座固定连接，所述温控箱用于对工件进行热处理，所述夹紧装置与所述底座滑动连接，且所述夹紧装置位于所述夹具模块的两侧，所述夹紧驱动装置与所述夹紧装置连接，用于驱动所述夹紧装置夹紧或放开所述夹具模块，所述移动夹具的固定端固定设置在所述底座上，所述移动夹具的夹取端用于夹取工件，并将工件移动到所述夹具模块上的指定位置，所述加工装置的固定端固定设置在所述底座上，所述加工装置的加工端用于对所述指定位置上的工件进行打印、焊接或冲击，所述夹紧驱动装置、所述温控箱、所述移动夹具和所述加工装置均与所述控制器电连接。
优选的，所述夹具模块包括并列设置的若干个支撑单元，且任意相邻的所述支撑单元之间以及所述支撑单元与所述底座之间均滑动连接。
优选的，所述支撑单元为六棱柱支撑单元。
优选的，所述支撑单元为弹性支撑单元。
优选的，所述夹紧装置包括夹紧块和推杆，所述夹紧块水平滑动连接于所述底座的两侧，所述推杆的一端与所述夹紧块固定连接，所述夹紧块用于与所述夹具模块接触，所述推杆的另一端与所述夹紧驱动装置的输出端固定连接。
优选的，所述底座上与所述夹紧装置对应的两个侧壁上开设有贯通槽，两侧的所述夹紧块分别从两侧的所述贯通槽穿过以夹紧所述夹具模块。
优选的，所述夹紧块的数量为两个，两个所述夹紧块分别与所述底座的两侧滑动连接；所述推杆的数量为4个，每个所述夹紧块的两侧分别设置有一个所述推杆。
优选的，所述移动夹具包括底盘、大臂驱动装置、大臂、小臂驱动装置、小臂和吸盘，所述底盘固定设置在所述底座上，所述大臂驱动装置固定设置在底盘内，所述大臂驱动装置的输出端与所述大臂的一端固定连接，所述大臂的另一端固定设置有所述小臂驱动装置，所述小臂驱动装置的输出端与所述小臂的一端固定连接，所述小臂的另一端与所述吸盘固定连接，所述吸盘用于吸附工件，所述大臂驱动装置和所述小臂驱动装置均与所述控制器电连接。
优选的，所述加工装置包括第一电机、第一机械臂、第二电机、第二机械臂、第三电机、圆盘、3D打印激光头、焊接激光头和冲击激光头；所述第一电机固定设置在所述底座上，所述第一电机的输出端与所述第一机械臂的一端连接，所述第二电机固定设置在所述第一机械臂的另一端，所述第二电机的输出端与所述第二机械臂的一端固定连接，所述第三电机固定设置在所述第二机械臂的另一端，所述第三电机的输出端与所述圆盘连接，所述3D打印激光头、所述焊接激光头和所述冲击激光头均固定设置在所述圆盘上。
本发明还公开了一种基于所述3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置的复合加工方法，包括以下步骤，
(1)在所述控制器中输入所述工件的加工工艺参数；
(2)在所述控制器中输入所述温控箱的温度、保温时间以及温控箱的温度场随工件移动的相关参数；
(3)所述控制器控制所述移动夹具将所述工件移动到所述夹具模块的指定位置处；
(4)所述温控箱通过所述夹具模块对所述工件进行热处理，同时所述加工装置对所述工件进行加工。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供了一种3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，控制器控制移动夹具将工件放置在夹具模块上的设定位置，工件放置在夹具模块上后，夹具模块受压发生自动下滑，通过夹紧装置夹紧夹具模块，以限定夹具模块下滑的距离，进而限定工件所在的位置，工件随夹具模块下滑至温控箱内进行热处理，与此同时控制器控制加工装置对工件进行加工，从而实现加工装置在对夹具模块上的工件进行3D打印或焊接或激光冲击的同时能够对工件进行热处理，而且本发明还提供了一种基于上述装置的3D打印-焊接-热处理复合加工方法，从而能够改善结构件组织，并满足大型结构件的成型要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置轴测图；
图2为本发明提供的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置主视图；
图3为本发明提供的大型构件轴测图。
其中：1-底座、2-底盘、3-大臂、4-小臂、5-吸盘、6-3D打印激光头、7-第三电机、8-第二电机、9-第一电机、10-焊接激光头、11-温控箱、12-夹具模块、13-推杆、14-夹紧块、15-控制器、16-第一构件、17-第二构件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法，以解决现有技术存在的问题，能够使3D打印或焊接与热处理同时进行，以改善结构件组织，并满足大型结构件的成型要求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～2所示：本实施例提供了一种3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，包括底座1、夹具模块12、夹紧装置、夹紧驱动装置、温控箱11、移动夹具、加工装置和控制器15；底座1用于固定设置于地面，夹具模块12在竖直方向上穿过底座1并与底座1滑动连接，工件放置在夹具模块12上后，夹具模块12上端受压后能够自由下滑，工件随夹具模块12进入设置在夹具模块12下端的温控箱11内，温控箱11的上端与底座1固定连接，温控箱11用于对工件进行热处理，夹紧装置与底座1滑动连接，且夹紧装置位于夹具模块12的两侧，夹紧驱动装置与夹紧装置连接，用于驱动夹紧装置夹紧或放开夹具模块12，移动夹具的固定端固定设置在底座1上，移动夹具的夹取端用于夹取工件，并将工件移动到夹具模块12的指定位置处，加工装置的固定端固定设置在底座1上，加工装置的加工端用于对指定位置上的工件进行3D打印、焊接或冲击，夹紧驱动装置、温控箱11、移动夹具和加工装置均与控制器15电连接，控制器用于控制夹紧驱动装置、温控箱11、移动夹具和加工装置的开启与否。
夹具模块12包括并列设置的若干个支撑单元，且任意相邻的支撑单元之间以及支撑单元与底座1之间均滑动连接。
支撑单元为六棱柱支撑单元。
支撑单元为弹性支撑单元。
夹紧装置包括夹紧块14和推杆13，夹紧块14水平滑动连接于底座1的两侧，推杆13的一端与夹紧块14固定连接，夹紧块14用于与夹具模块12接触，推杆13的另一端与夹紧驱动装置的输出端固定连接。
底座1上与夹紧装置对应的两个侧壁上开设有贯通槽，两侧的夹紧块14分别从两侧的贯通槽穿过以夹紧夹具模块12。
夹紧块14的数量为两个，两个夹紧块14分别与底座1的两侧滑动连接；推杆13的数量为4个，每个夹紧块14的两侧分别设置有一个推杆13。
移动夹具包括底盘2、大臂驱动装置、大臂3、小臂驱动装置、小臂4和吸盘5，底盘2固定设置在底座1上，大臂驱动装置固定设置在底盘2内，大臂驱动装置的输出端与大臂3的一端固定连接，大臂3的另一端固定设置有小臂驱动装置，小臂驱动装置的输出端与小臂4的一端固定连接，小臂4的另一端与吸盘5固定连接，吸盘5用于吸附工件，大臂驱动装置和小臂驱动装置均与控制器15电连接。
加工装置包括第一电机9、第一机械臂、第二电机8、第二机械臂、第三电机7、圆盘、3D打印激光头6、焊接激光头10和冲击激光头；第一电机9固定设置在底座1上，第一电机9的输出端与第一机械臂的一端连接，第二电机8固定设置在第一机械臂的另一端，第二电机8的输出端与第二机械臂的一端固定连接，第三电机7固定设置在第二机械臂的另一端，第三电机7的输出端与圆盘连接，3D打印激光头、焊接激光头10和冲击激光头均固定设置在圆盘上。
本发明还公开了一种基于3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置的复合加工方法，包括以下步骤，
(1)在控制器15中输入工件的加工工艺参数；
(2)在控制器15中输入温控箱11的温度和工件在温控箱内的保温时间以及温度场随工件移动的相关参数；
(3)控制器15控制移动夹具，将工件移动到夹具模块12的指定位置处；
(4)温控箱11通过夹具模块12对工件进行热处理的同时，加工装置对工件进行加工，具体包括对工件进行3D打印、激光焊接和冲击，以满足大型构件的结构要求。
现以制造如图3所示的大型构件为例具体说明上述加工方法，因构件尺寸极大，采用传统的铸造方法难以制造，现采用本发明提供的装置制造大型构件的工艺过程如下，将其分成第一构件16和第二构件17，第一构件16为圆筒，易于加工成型，可采用铸造方式制造，而第二构件17结构复杂，采用铸造方式制造较难，因此选用“3D打印”方式制造，选用Q235钢作为“3D打印”的基板，
具体工艺流程如下：
(1)在控制器15上输入打印工艺参数；
(2)在控制器15上输入焊接工艺参数；
(3)在控制器15中输入保温温度、保温时间以及温控箱的温度场随工件移动的相关参数；
(4)在控制器15中输入激光冲击的工艺参数；
(5)在控制器15中设置移动夹具工作的时间，并设置打印、焊接、热处理的顺序、时间等参数，使各操作协调；
(6)提前铸造好的第一构件16将被移动夹具送至夹具模块上设定位置；
(7)将提前准备好的Q235钢板放置六棱柱支撑单元上；
(8)在控制器15上选择“3D打印”，开始“打印”第二构件17；
(9)当第二构件17的第一道熔覆层“打印”完成后，控制器15控制温控箱开始工作；
(10)当第二构件17的熔覆层“打印”到第10层时，控制器15控制冲击激光头开始工作；
(11)重复上述(9)和(10)操作，直至打印到设定高度；
(12)第二构件17“打印”完成后，在控制器15控制移动夹具将第一构件16和第二构件17移动到指定位置，并对其进行装夹，为后续激光焊接做准备；
(13)控制器15控制激光焊接头开启，完成第一构件16和第二构件17连接处的激光焊接；
(14)焊接完成后，待焊接接头冷却3min后，控制器15控制激光冲击接头开启，对焊接接头进行激光冲击，去除焊接接头中的残余应力，从而得到大型结构件。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：包括底座、夹具模块、夹紧装置、夹紧驱动装置、温控箱、移动夹具、加工装置和控制器；所述底座用于固定设置于地面，所述夹具模块在竖直方向上穿过所述底座并与所述底座滑动连接，所述夹具模块上端受压后能够自由下滑，所述夹具模块的下端设置在所述温控箱内，所述温控箱的上端与所述底座固定连接，所述温控箱用于对工件进行热处理，所述夹紧装置与所述底座滑动连接，且所述夹紧装置位于所述夹具模块的两侧，所述夹紧驱动装置与所述夹紧装置连接，用于驱动所述夹紧装置夹紧或放开所述夹具模块，所述移动夹具的固定端固定设置在所述底座上，所述移动夹具的夹取端用于夹取工件，并将工件移动到所述夹具模块上的指定位置，所述加工装置的固定端固定设置在所述底座上，所述加工装置的加工端用于对所述指定位置上的工件进行3D打印、焊接或冲击，所述夹紧驱动装置、所述温控箱、所述移动夹具和所述加工装置均与所述控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述夹具模块包括并列设置的若干个支撑单元，且任意相邻的所述支撑单元之间以及所述支撑单元与所述底座之间均滑动连接。
3.根据权利要求2所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法，其特征在于：所述支撑单元为六棱柱支撑单元。
4.根据权利要求2所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置及方法，其特征在于：所述支撑单元为弹性支撑单元。
5.根据权利要求1所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述夹紧装置包括夹紧块和推杆，所述夹紧块水平滑动连接于所述底座的两侧，所述推杆的一端与所述夹紧块固定连接，所述夹紧块用于与所述夹具模块接触，所述推杆的另一端与所述夹紧驱动装置的输出端固定连接。
6.根据权利要求5所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述底座上与所述夹紧装置对应的两个侧壁上开设有贯通槽，两侧的所述夹紧块分别从两侧的所述贯通槽穿过以夹紧所述夹具模块。
7.根据权利要求5所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述夹紧块的数量为两个，两个所述夹紧块分别与所述底座的两侧滑动连接；所述推杆的数量为4个，每个所述夹紧块的两侧分别设置有一个所述推杆。
8.根据权利要求1所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述移动夹具包括底盘、大臂驱动装置、大臂、小臂驱动装置、小臂和吸盘，所述底盘固定设置在所述底座上，所述大臂驱动装置固定设置在底盘内，所述大臂驱动装置的输出端与所述大臂的一端固定连接，所述大臂的另一端固定设置有所述小臂驱动装置，所述小臂驱动装置的输出端与所述小臂的一端固定连接，所述小臂的另一端与所述吸盘固定连接，所述吸盘用于吸附工件，所述大臂驱动装置和所述小臂驱动装置均与所述控制器电连接。
9.根据权利要求1所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置，其特征在于：所述加工装置包括第一电机、第一机械臂、第二电机、第二机械臂、第三电机、圆盘、3D打印激光头、焊接激光头和冲击激光头；所述第一电机固定设置在所述底座上，所述第一电机的输出端与所述第一机械臂的一端连接，所述第二电机固定设置在所述第一机械臂的另一端，所述第二电机的输出端与所述第二机械臂的一端固定连接，所述第三电机固定设置在所述第二机械臂的另一端，所述第三电机的输出端与所述圆盘连接，所述3D打印激光头、所述焊接激光头和所述冲击激光头均固定设置在所述圆盘上。
10.一种基于权利要求1～8任一项所述的3D打印-焊接-冷热处理复合加工装置的复合加工方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)在所述控制器中输入所述工件的加工工艺参数；
(2)在所述控制器中输入所述温控箱的温度和保温时间；
(3)所述控制器控制所述移动夹具，将所述工件移动到所述夹具模块的指定位置处；
(4)所述温控箱通过所述夹具模块对所述工件进行热处理，同时所述加工装置对所述工件进行加工。
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