CN110193728A - 一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置 - Google Patents

一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型多轴联动超声振动‑电磁辅助增减材加工装置，包括转向移动工作台、超声振动‑电磁辅助装置、铣‑磨复合加工装置和激光熔覆装置，所述铣‑磨复合加工装置下设有机床底座，超声振动‑电磁辅助装置固定安装在转向移动工作台上，转向移动工作台安装在机床底座上，激光熔覆装置固安装机床底座上表面右侧；转向移动工作台使得加工工件在无需装卸的情况下实现铣‑磨复合加工与激光熔覆加工过程的切换，减小加工误差，提高了加工效率与加工精度；超声振动‑电磁辅助装置可以在激光熔覆阶段产生复合场，实现熔覆过程中金属熔融液的对流，细化金属组成，减少熔覆层中的气孔与裂纹，提高工件产品的性能；结构简易，控制难度小，易于操作。

Description

一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置
技术领域
本发明属于增减材复合加工领域，具体是涉及一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置。
背景技术
近年来，随着科技水平的不断提高，激光熔覆技术迎来蓬勃发展的黄金阶段。特别是在航空航天、船舶制造以及生物医学领域得到了广泛的应用。尽管激光熔覆技术改变了传统机械加工模式，避免了车、铣、磨等机械加工技术所带来材料浪费现象，但该加工技术所加工出来的产品在机械性能(表面质量与形状精度)等方面仍然达不到产品应用要求。
为了达到产品的应用要求，从而提高工件的表面质量与形状精度。目前采用的方法是在激光熔覆加工之后，重新对工件进行装夹并进行半精加工、精加工处理从而达到产品的要求。然而这种重新装夹的方式不仅会对加工产品的形状精度产生一定的影响，而且这种加工方式也影响了产品的加工效率，进而影响到整个产品的更新换代。
此外，激光熔覆技术是一个复杂的物理、化学及冶金过程。对于现有的激光熔覆技术来讲，由于加工过程采用的是单激光束，因此这种单激光束快热快冷方式使得熔覆层中出现多气孔、多裂纹现象，并且在金属熔融液加热、冷却以及凝固过程也极易容易产生拉应力，从而严重影响了激光熔覆材料的物理性能。这将对所生产的工件材料产生致命影响。因此，有一些学者采用施加磁场的方式来改变激光熔覆过程中熔覆层出现的各类缺陷。如专利(CN205024324U)中利用一种稳恒磁场辅助激光熔覆，这种加工方式虽然一定程度上对凝固过程中金属组织的生长产生一定的影响，但是熔覆层中的还是会存在许多气孔，这严重影响到工件材料本身的性能。
基于上述几方面的不足，本发明提出一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，通过施加超声振动与电磁场使得激光熔覆金属液处于复合场中。其中，高频振动与磁场的引入改变了金属熔融液的流动性并使得金属熔融液在凝固过程中实现对流现象，细化金属组织。此外，转向移动工作台的设计，可以减少工件多次装夹所引起装夹误差，从而提高工件的加工效率与加工精度。设备可操作性强，耗能小，加工效率高。
发明内容
基于上述提出的技术问题，本发明的目的是提供一种超声振动-电磁复合场增减材加工的装置。该装置使得熔覆基板在激光熔覆阶段处于复合场中，可以使得熔融金属液在凝固过程中实现对流，细化金属组织；此外，转向移动工作台的设计可以使得加工产品在无需装卸的情况下实现增、减两种加工方式的转换，不仅提高了产品的加工精度，而且也提高了加工效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，包括转向移动工作台、超声振动-电磁辅助装置、铣-磨复合加工装置和激光熔覆装置，所述铣-磨复合加工装置下设有机床底座，超声振动-电磁辅助装置固定安装在转向移动工作台上，转向移动工作台安装在机床底座上，激光熔覆装置固安装机床底座上表面右侧。
所述转向移动工作台包括基座、第一滚珠丝杠副、蜗轮蜗杆、伺服电机、纵向滑架、第二滚珠丝杠副和横向滑架，所述基座上表面滑动安装纵向滑架，纵向滑架上表面滑动安装横向滑架，第一滚珠丝杠副纵向固定安装基座上表面，同时第一滚珠丝杠副的移动部固定安装纵向滑架下表面，第二滚珠丝杠副横向固定安装纵向滑架上表面，同时第二滚珠丝杠副的移动部固定安装横向滑架下表面，横向滑架上表面设有安装蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆输出端固定安装超声振动-电磁辅助装置下表面，第一滚珠丝杠副伺前端、第二滚珠丝杠副右端、蜗轮蜗杆的输入端均固定安装服电机。
所述超声振动-电磁辅助装置包括底板、试验块基板、超声振动装置、套筒支架、电缆线、电磁线圈、电子调压器以及支撑架，所述超声振动辅助装置包括超声振动驱动器、换能器以及变幅杆，超声振动驱动器通过电缆线与换能器相连接，换能器与变幅杆之间及变幅杆与试验块基板之间则是分别通过双头螺柱相连接，超声振动辅助装置通过套筒支架与螺栓安装在底板上，且底板通过螺栓与转向移动工作台进行固连，电磁线圈通过支撑架与螺栓固定在试验块基板的两侧，电子调压器电连接电磁线圈。
所述铣-磨复合加工装置包括机床底座、Z向移动导轨、Z向滚珠丝杠副、机床主轴、伺服电机、立柱和梁臂，机床基座上表面左侧固定安装立柱，立柱上端固定安装梁臂，梁臂的悬臂处转动安装Z向滚珠丝杠副，Z向滚珠丝杠副两侧的梁臂固定安装Z向移动导轨，机床主轴固定安装滚珠丝杠副的移动部，机床主轴滑动安装Z向移动导轨，Z向滚珠丝杠副的输入端固定安装伺服电机，。
所述激光熔覆装置包括一个五自由度的机械臂、激光熔覆头、送粉器、氩气气瓶以及步进电机，步进电机固定安装机械臂的关节驱动处，送粉器固定安装机械臂的自由端，送粉器下端固定安装激光熔覆头，氩气气瓶固定安装移动工作台与机械臂之间的机床底座上。
所述基座与纵向滑架的上表面均开设有滑动导轨，所述纵向滑架与横向滑架的下表面固定安装滑块，所述滑块滑动安装滑动滑轨上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过转向移动工作台使得加工工件在无需装卸的情况下实现铣-磨复合加工与激光熔覆加工过程的切换，从而减小加工误差，提高了加工效率与加工精度。
2、超声振动-电磁辅助装置可以在激光熔覆阶段产生复合场，从而实现熔覆过程中金属熔融液的对流，细化金属组成，减少熔覆层中的气孔与裂纹。提高工件产品的性能。
3、结构简易，控制难度小，易于操作。
附图说明
图1是本发明多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置的结构原理图。
图2是本发明多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置的主视图。
图3是本发明移动转向工作台的结构原理图。
图4是本发明移动转向工作台的俯视图。
图5是本发明超声振动-电磁辅助装置的结构原理图。
图6是本发明铣-磨复合加工装置的主轴结构图。
图7是本发明激光熔覆过程中工作台与机械臂的位置关系图。
图中：1、转向移动工作台，1-1、基座，1-2、第一滚珠丝杠副，1-3、滑块，1-4、滑动滑轨，1-5、蜗轮蜗杆，1-6、第一伺服电机，1-7、纵向滑架，1-8、第二滚珠丝杠副，1-9、横向滑架，2、超声振动-电磁辅助装置，2-1、底板，2-2、试验块基板，2-3、超声振动装置，2-3-1超声振动驱动器，2-3-2、换能器，2-3-3、变幅杆，2-4、套筒支架，2-5、电缆线，2-6、电磁线圈，2-7、电子调压器，2-8、支撑架，3、铣-磨复合加工装置，3-1、机床底座，3-2、Z向移动导轨，3-3、Z向滚珠丝杠副，3-4、机床主轴，3-5、第二伺服电机，3-6、立柱，3-7、梁臂，4、激光熔覆装置，4-1、机械臂，4-2、激光熔覆装置，4-3、送粉器，4-4、氩气气瓶，4-5、步进电机。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1至图7所示，本发明提供了一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，包括转向移动工作台1、超声振动-电磁辅助装置2、铣-磨复合加工装置3和激光熔覆装置4，为装置的主要组成结构，所述铣-磨复合加工装置3下设有机床底座3-1，为装置的安装提供安装基础，超声振动-电磁辅助装置2固定安装在转向移动工作台1上，通过内部结构对材料的加工进行辅助，转向移动工作台1安装在机床底座3-1上，激光熔覆装置4固安装机床底座3-1上表面右侧。
所述转向移动工作台1包括基座1-1、第一滚珠丝杠副1-2、蜗轮蜗杆1-5、第一伺服电机1-6、纵向滑架1-7、第二滚珠丝杠副1-8和横向滑架1-9，上述结构为转向移动工作台1的基础结构，为其上结构提供安装基础，所述基座1-1上表面滑动安装纵向滑架1-7，为其上结构的安装基础，同时为装置的纵向移动操作进行提供可控移动，纵向滑架1-7上表面滑动安装横向滑架1-9，为装置的横向移动提供可控移动，第一滚珠丝杠副1-2纵向固定安装基座1-1上表面，同时第一滚珠丝杠副1-2的移动部固定安装纵向滑架1-7下表面，通过第一滚珠丝杠副1-2的作用，控制纵向滑架1-7的纵向移动，第二滚珠丝杠副1-8横向固定安装纵向滑架上表面，同时第二滚珠丝杠副1-8的移动部固定安装横向滑架1-9下表面，通过第二滚珠丝杠副1-8的作用，使得横向滑架1-9能给进行可控的横向移动，横向滑架1-9上表面设有安装蜗轮蜗杆1-5，蜗轮蜗杆1-5输出端固定安装超声振动-电磁辅助装置2下表面，通过蜗轮蜗杆1-5控制超声振动-电磁辅助装置2的转动角度，第一滚珠丝杠副伺1-2前端、第二滚珠丝杠副1-8右端、蜗轮蜗杆1-5的输入端均固定安装第一伺服电机1-6，为装置的移动提供可控的动力源。
所述超声振动-电磁辅助装置2包括底板2-1、试验块基板2-2、超声振动装置2-3、套筒支架2-4、电缆线2-5、电磁线圈2-6、电子调压器2-7以及支撑架2-8，上述结构为超声振动-电磁辅助装置2的基础组成结构，所述超声振动辅助装置2-3包括超声振动驱动器2-3-1、换能器2-3-2以及变幅杆2-3-3，其结构为超声振动辅助装置2-3的主要组成结构，其中超声振动驱动器2-3-1：根据所需的振动频率与振幅，购买相应的硬件组件。组装超声振动驱动器装置并开发相应的应用系统，换能器2-3-2：通过理论压电方程与有限元分析方法，对压电换能器进行设计并进行优化分析，变幅杆2-3-3的设计：首先通过理论方法设计出具有阶梯型圆柱圆锥变幅杆，并通过有限元软件Ansys对所建立的三维模型进行模态分析并优化，从而设计出所需谐振频率的变幅杆，超声振动驱动器2-3-1通过电缆线2-5与换能器2-3-2相连接，换能器2-3-2与变幅杆2-3-1之间及变幅杆2-3-1与试验块基板2-2之间则是分别通过双头螺柱相连接，实现有效的固定连接，超声振动辅助装置2-3通过套筒支架2-4与螺栓安装在底板2-1上，且底板2-1通过螺栓与转向移动工作台1进行固连，构成超声振动-电磁辅助装置2的整体结构，电磁线圈2-6通过支撑架2-8与螺栓固定在试验块基板2-2的两侧，电子调压器2-7电连接电磁线圈2-6，实现有效的电路连接，同时通过电磁线圈2-6产生需要的磁场。
所述铣-磨复合加工装置3包括机床底座3-1、Z向移动导轨3-2、Z向滚珠丝杠副3-3、机床主轴3-4、第二伺服电机3-5、立柱3-6和梁臂3-7，其上述结构为铣-磨复合加工装置3的主要组成结构，机床基座3-1上表面左侧固定安装立柱3-6，为其上结构提供安装基础，立柱3-6上端固定安装梁臂3-7，实现悬臂安装，构成Z向的调节空间，梁臂3-7的悬臂处转动安装Z向滚珠丝杠副3-3，通过其结构控制机床主轴3-4进行移动，Z向滚珠丝杠副3-3两侧的梁臂固定安装Z向移动导轨3-2，对机床主轴3-4进行限位，继而保证仅进行与Z向滚珠丝杠副3-3进行移动，机床主轴3-4固定安装滚珠丝杠副3-3的移动部，机床主轴3-4滑动安装Z向移动导轨3-2，Z向滚珠丝杠副3-3的输入端固定安装第二伺服电机3-5，为机床主轴3-4的移动提供动力。
所述激光熔覆装置4包括一个五自由度的机械臂4-1、激光熔覆头4-2、送粉器4-3、氩气气瓶4-4以及步进电机4-5，为激光熔覆装置4的主要结构，步进电机4-5固定安装机械臂4-1的关节驱动处，为机械臂4-1的工作提供动力，送粉器4-3固定安装机械臂4-1的自由端，为激光熔覆所需的金属粉提供来源，送粉器4-3下端固定安装激光熔覆头4-2，氩气气瓶4-4固定安装移动工作台1与机械臂4-1之间的机床底座3-1上，为熔覆后的金属表面提供氩气保护层，避免过热氧化。
所述基座1-1与纵向滑架1-7的上表面均开设有滑动导轨1-4，所述纵向滑架1-7与横向滑架1-9的下表面固定安装滑块1-3，所述滑块1-3滑动安装滑动滑轨1-4上，构成有效的组合，方便对应安装结构进行滑动。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，包括转向移动工作台、超声振动-电磁辅助装置、铣-磨复合加工装置和激光熔覆装置，其特征在于：所述铣-磨复合加工装置下设有机床底座，超声振动-电磁辅助装置固定安装在转向移动工作台上，转向移动工作台安装在机床底座上，激光熔覆装置固安装机床底座上表面右侧。
2.根据权利要求1所述的一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，其特征在于，所述转向移动工作台包括基座、第一滚珠丝杠副、蜗轮蜗杆、第一伺服电机、纵向滑架、第二滚珠丝杠副和横向滑架，所述基座上表面滑动安装纵向滑架，纵向滑架上表面滑动安装横向滑架，第一滚珠丝杠副纵向固定安装基座上表面，同时第一滚珠丝杠副的移动部固定安装纵向滑架下表面，第二滚珠丝杠副横向固定安装纵向滑架上表面，同时第二滚珠丝杠副的移动部固定安装横向滑架下表面，横向滑架上表面设有安装蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆输出端固定安装超声振动-电磁辅助装置下表面，第一滚珠丝杠副伺前端、第二滚珠丝杠副右端、蜗轮蜗杆的输入端均固定安装第一伺服电机。
3.根据权利要求1所述的一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，其特征在于，所述超声振动-电磁辅助装置包括底板、试验块基板、超声振动装置、套筒支架、电缆线、电磁线圈、电子调压器以及支撑架，所述超声振动辅助装置包括超声振动驱动器、换能器以及变幅杆，超声振动驱动器通过电缆线与换能器相连接，换能器与变幅杆之间及变幅杆与试验块基板之间则是分别通过双头螺柱相连接，超声振动辅助装置通过套筒支架与螺栓安装在底板上，且底板通过螺栓与转向移动工作台，电磁线圈通过支撑架与螺栓固定在试验块基板的两侧，电子调压器电连接电磁线圈。
4.根据权利要求1所述的一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，其特征在于，所述铣-磨复合加工装置包括机床底座、Z向移动导轨、Z向滚珠丝杠副、机床主轴、第二伺服电机、立柱和梁臂，机床基座上表面左侧固定安装立柱，立柱上端固定安装梁臂，梁臂的悬臂处转动安装Z向滚珠丝杠副，Z向滚珠丝杠副两侧的梁臂固定安装Z向移动导轨，机床主轴固定安装滚珠丝杠副的移动部，机床主轴滑动安装Z向移动导轨，Z向滚珠丝杠副的输入端固定安装第二伺服电机，。
5.根据权利要求1所述的一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，其特征在于，所述激光熔覆装置包括一个五自由度的机械臂、激光熔覆头、送粉器、氩气气瓶以及步进电机，步进电机固定安装机械臂的关节驱动处，送粉器固定安装机械臂的自由端，送粉器下端固定安装激光熔覆头，氩气气瓶固定安装移动工作台与机械臂之间的机床底座上。
6.根据权利要求2所述的一种小型多轴联动超声振动-电磁辅助增减材加工装置，其特征在于，所述基座与纵向滑架的上表面均开设有滑动导轨，所述纵向滑架与横向滑架的下表面固定安装滑块，所述滑块滑动安装滑动滑轨上。
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