CN110369875A - 一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，属于增材制造技术领域。成形室位于框架内固定在底板上，纵向移动超声增材制造系统位于成形室上方在横向平面移动系统内滑动，激光切割系统固定在纵向移动超声增材制造系统上，横向平面移动系统在顶端滑轨内滑动，金属箔片供给系统在中间滑轨内滑动。本发明无需大功率输入，利用超声振动转化为摩擦能实现金属原子之间的结合，通过球形超声头点、线、面连续滚压增材制造，可实现轮廓复杂、高精度零件的增材制造，激光切割保证了零件外廓的精度，运动机构采用滑块沟槽配合，以面接触提高了运动精度。增材制造过程中无需气体保护，无多余粉末产出。

Description

一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，在静压力下将球形头的振动能量转化为金属箔片层间的摩擦能、形变及有限的升温，并可以通过球形头在金属箔片表面的滚动实现由点到线再到面的连续滚压增材制造，适用于外观几何轮廓变化较大、细节较多的金属零件增材制造。

背景技术

超声波增材制造(UAM)是利用换能器将电能转换为超声振动，通过变幅杆将超声振动放大并传递到超声头，超声头与工件接触将超声振动传递给工件，使工件之间产生高频摩擦，导致接触区域温度升高，从而引发局部的塑性变形，使得接触区域的原子发生结合，实现增材制造。超声波增材制造可实现不同种金属之间连接，且温度低于金属的熔点，无有害物质产出，在航空航天、交通等领域有广泛的应用。

超声波用于金属增材制造的一个主要限制因素在于超声波换能器的功率无法满足某些工作情况的需求。目前，通过推—挽技术，大功率超声波换能器得以实现，为金属箔片的增材制造提供了技术保证。

现阶段，增材制造中超声头主要为平面头和圆柱滚压头，二者与工件接触面积或长度均较大，无法实现细小区域直接增材制造且存在无效工作区域，制约了其实际应用。

发明内容

本发明提供一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，以解决现有金属箔片直接成形过程中平面头与成形层接触面积过大，圆柱滚压头与成形层接触线过长造成的无效成形区域及复杂轮廓成形困难、精度差的问题，同时解决了圆柱滚压增材制造过程中换能器与变幅杆水平空间占用率大的问题。

本发明采取的技术方案是，球形超声头滚压增减材复合制造装置：

包括框架、成形室、纵向移动超声增材制造系统、激光切割系统、横向平面移动系统、金属箔片供给系统，所述的成形室位于框架内并固定在底板上，所述的纵向移动超声增材制造系统位于成形室上方并在横向平面移动系统内滑动，所述的激光切割系统位于框架内并固定在纵向移动超声增材制造系统上，所述的横向平面移动系统位于成形室上方并在顶端滑轨内滑动，所述的金属箔片供给系统位于成形室上方并在中间滑轨内滑动。

所述的框架由底板、侧柱、顶端滑轨和中间滑轨组成，侧柱通过螺栓连接固定在底板上，顶端滑轨及中间滑轨分别通过螺栓连接固定在侧柱上。

所述的成形室由基座、导杆一、实心导杆、面板、滚珠丝杠一、套筒、支架一、蜗轮蜗杆机构、电机一组成，所述的基座固定在框架的底板上，所述的滚珠丝杠一通过圆柱轴承与底板连接，所述的套筒与滚珠丝杠一通过螺纹连接，所述的支架一固定在底板上，所述的电机一固定在支架一上并通过联轴器与蜗轮蜗杆机构的蜗杆相连，通过电机一的转动带动蜗轮蜗杆机构中的蜗杆进而带动滚珠丝杠一转动，从而与套筒配合推动面板竖向移动，所述的导杆一固定在基座上，所述的实心导杆插入导杆一中并可在其中沿竖直方向滑动，与套筒共同保证面板的运动平稳，所述的面板固定在实心导杆与套筒上。

所述的纵向移动超声增材制造系统由超声头、保持架、弹簧、支架二、电机二、导杆二、滚珠丝杠二、液压缸、侧座组成，所述的弹簧两端分别固定在保持架和超声头上，保持超声头在不工作时的稳定性，所述的导杆二穿过保持架并可沿纵向滑动，所述的支架二固定在顶板上，所述的电机二固定在支架二上，所述的滚珠丝杠二穿过保持架并与电机二连接，通过电机二的转动带动滚珠丝杠二转动进而带动保持架沿导杆二方向移动，所述的液压缸固定在保持架上并与超声头通过螺纹连接，所述的侧座固定在保持架上。

所述的超声头由超声头体、变幅杆、壳体和换能器组成，所述的变幅杆分别于超声头体、换能器通过螺纹连接，所述的壳体与变幅杆通过螺纹连接并与液压缸通过螺纹连接共同穿过保持架的中心孔。

所述的超声头体由下壳、上壳、滚压球组成，所述的下壳与上壳通过螺栓连接，所述的滚压球安装于下壳与上壳组成的球形槽内并可滚动，所述的上壳与变幅杆通过螺纹连接。

所述的激光切割系统由扫描头、光学转换元件和激光器组成，所述的激光切割系统固定于侧座上，用于根据模型数据切割金属箔片。

所述的横向平面移动系统由顶板、导杆三、电机三、支座三和滚珠丝杠三组成，所述的顶板安装在顶端滑轨的滑槽中并可沿横向移动，所述的导杆三穿过顶板并可在其中滑动，所述的导杆三通过支座固定在一侧的滑轨上，所述的支座三固定在另一侧滑轨上，所述的电机三固定在支座三上，所述的滚珠丝杠三穿过顶板并与电机三连接，通过电机三的转动带动滚珠丝杠三转动进而推动顶板在顶端滑轨的滑槽中沿横向滑动。

所述的金属箔片供给系统由电机四、支架四、滚珠丝杠四、电机五、滑块一、滚珠丝杠五、供给仓、供给仓座、固定杆和滑块二组成，，所述的电机四与电机五、滚珠丝杠四与滚珠丝杠五、滑块一与滑块二所有规格参数完全相同，所述的支架四固定在侧柱上，所述的滑块一与滑块二分别安装在中间滑轨的滑槽内，所述的电机四与电机五固定在支架四上，所述的滚珠丝杠四、滚珠丝杠五分别穿过滑块一、滑块二并与电机四、电机五相连，通过电机四、电机五转动带动滚珠丝杠四、滚珠丝杠五旋转进而推动滑块一与滑块二在沿中间滑轨的滑槽滑动。所述的供给仓座固定在供给仓上，所述的滑块一与供给仓及供给仓座、滑块二与供给仓及供给仓座分别通过固定杆使用螺纹连接；

所述的供给仓由发条、仓壁、中心轴、端盖和轴承组成，所述的发条安装在中心轴上，所述轴承固定在端盖上，所述的中心轴与端盖通过轴承连接，所述的仓壁与端盖通过螺纹连接，所述的端盖固定在固定杆上。

一种球形超声头滚压增减材复合制造方法，包括下列步骤

(1)采用所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，金属箔片接头在面板上定位，金属箔片供给系统向一侧运动，带动金属箔片从供给仓中抽出并借助供给仓座平铺在面板上，此时发条缩紧产生拉力起防止回缩作用，直至抽出一定长度的金属箔片，金属箔片供给系统停止，此时对金属箔片长度的末端再次定位；

(2)纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合，根据计算机提供的成形数据对金属箔片进行由点到线到面的滚压增材制造，成形完一层后，纵向超声增材制造系统与平面移动系统回至原位；

(3)激光切割系统借助纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合在水平面内运动，根据计算机提供的轮廓信息在已成形层切下轮廓，成形室下降一个成形层厚的高度，成形室内的金属箔片继续作为支撑结构；

(4)金属箔片供给系统借助已成形层定位点向(1)运动的反方向运动，将新的一层金属箔片平铺在成形室上方，金属箔片达到规定长度后，金属箔片供给系统再次停止，纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合对金属箔片首尾两端进行固结定位；定位完毕后开始成形，如此层层叠加，直至成形出规定的三位实体零件。

所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，由于超声头中滚压球与金属箔片为点接触，适用于外形轮廓形状复杂多变的增材制造。

本发明采用球形头，通过球形头与工件接触点之间的滚动，实现了由点到线及面的分层次连续增材制造，提高了增材制造的精度，通过激光切割系统根据轮廓数据对已成形的金属箔片进行精密切割，实现了超声增材制造与激光切割配合下的金属箔片增减材复合快速成形。

本发明在静压力下将球形头的振动能量转化为金属箔片层间的摩擦能、形变及有限的升温，并可以通过球形头在金属箔片表面的滚动实现层与层之间由点到线再到面的连续增材制造，借助激光切割系统根据零件外廓数据对已成形金属箔片进行精密切割形成对应轮廓，适用于外观几何轮廓变化大、细节多，加工精度要求高的金属零件快速增材制造。

本发明的有益效果是：采用球形头，球形头与成形层之间为点接触，作用面积小，成形精确，通过由点到线及面分层次进行增材制造，有效避免了对无效工作区域并使成形轮廓更加精确。运动机构多采用沟槽与滑块配合，通过面接触使增材制造系统与成形室的相对运动更加精确，提高了成形精度，实现了表面轮廓复杂、细节多、加工要求高的金属零件快速增材制造。增材制造过程中无需气体保护，无多余粉末产出，球形头结构简单，维护成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明框架的结构示意图；

图3是本发明成形室的结构示意图；

图4是本发明纵向移动超声增材制造系统的结构示意图；

图5是本发明超声头的结构示意图；

图6是本发明超声头体的结构示意图

图7是本发明激光切割系统的结构示意图；

图8是本发明横向平面移动系统的结构示意图；

图9是本发明顶板的结构示意图；

图10是本发明金属箔片供给系统的结构示意图；

图11是本发明供给仓的结构示意图；

图12是本发明供给仓座的结构示意图。

具体实施方式

球形超声滚压增减材复合制造装置，如图1所示，包括框架1、成形室2、纵向移动超声增材制造系统3、激光切割系统4、横向平面移动系统5、金属箔片供给系统6，所述的成形室2位于框架1内并固定在底板101上，所述的纵向移动超声增材制造系统3位于成形室2上方并在横向平面移动系统5内滑动，所述的激光切割系统4位于框架1内并固定在纵向移动超声增材制造系统3上，所述的横向平面移动系统5位于成形室上方并在顶端滑轨103内滑动，所述的金属箔片供给系统6位于成形室2上方并在中间滑轨104内滑动，所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，在静压力下将球形头的振动能量转化为金属箔片层间的摩擦能、形变及有限的升温，并可以通过球形头在金属箔片表面的滚动实现由点到线再到面的连续增材制造，适用于外观几何轮廓变化较大、细节较多的金属箔片成形制造。

所述的框架1由底板101、侧柱102、顶端滑轨103和中间滑轨104组成，如图2所示，侧柱102通过螺栓连接固定在底板101上，顶端滑轨103及中间滑轨104分别通过螺栓连接固定在侧柱102上。

所述的成形室2由基座201、导杆一202、实心导杆203、面板204、滚珠丝杠一205、套筒206、支架一207、蜗轮蜗杆机构208、电机一209组成，如图3所示，所述的基座201固定在框架1的底板101上，所述的滚珠丝杠一205通过圆柱轴承与底板101连接，所述的套筒206与滚珠丝杠一205通过螺纹连接，所述的支架一207固定在底板101上，所述的电机一209固定在支架一207上并通过联轴器与蜗轮蜗杆机构208的蜗杆相连，通过电机一209的转动带动蜗轮蜗杆机构208中的蜗杆进而带动滚珠丝杠一205转动，从而与套筒206配合推动面板204竖向移动，所述的导杆一202固定在基座201上，所述的实心导杆203插入导杆一202中并可在其中沿竖直方向滑动，与套筒206共同保证面板204的运动平稳，所述的面板204固定在实心导杆203与套筒206上。

所述的纵向移动超声增材制造系统3由超声头301、保持架302、弹簧303、支架二304、电机二305、导杆二306、滚珠丝杠二307、液压缸308、侧座309组成，如图4所示，所述的弹簧303两端分别固定在保持架302和超声头301上，保持超声头301在不工作时的稳定性，所述的导杆二306穿过保持架302并可沿纵向滑动，所述的支架二304固定在顶板501上，所述的电机二305固定在支架二304上，所述的滚珠丝杠二307穿过保持架302并与电机二305连接，通过电机二305的转动带动滚珠丝杠二307转动进而带动保持架302沿导杆二306方向移动，所述的液压缸308固定在保持架302上并与超声头301通过螺纹连接，所述的侧座309固定在保持架302上。

所述的超声头301由超声头体30101、变幅杆30102、壳体30103和换能器30104组成，如图5所示，所述的变幅杆30102分别于超声头体30101、换能器30104通过螺纹连接，所述的壳体30103与变幅杆30102通过螺纹连接并与液压缸308通过螺纹连接共同穿过保持架302的中心孔。

所述的超声头体30101由下壳3010101、上壳3010102、滚压球3010103组成，如图6所示，所述的下壳3010101与上壳3010102通过螺栓连接，所述的滚压球3010103安装于下壳3010101与上壳3010102组成的球形槽内并可滚动，所述的上壳3010102与变幅杆30102通过螺纹连接。

所述的激光切割系统4由扫描头401、光学转换元件402和激光器403组成，如图7所示，所述的激光切割系统4固定于侧座309上，用于根据模型数据切割金属箔片。

所述的横向平面移动系统5由顶板501、导杆三502、电机三503、支座三504和滚珠丝杠三505组成，如图8、9所示，所述的顶板501安装在顶端滑轨103的滑槽中并可沿横向移动，所述的导杆三502穿过顶板501并可在其中滑动，所述的导杆三502通过支座固定在一侧的滑轨103上，所述的支座三504固定在另一侧滑轨103上，所述的电机三503固定在支座三504上，所述的滚珠丝杠三505穿过顶板501并与电机三503连接，通过电机三503的转动带动滚珠丝杠三505转动进而推动顶板501在顶端滑轨103的滑槽中沿横向滑动。

所述的金属箔片供给系统6由电机四601、支架四602、滚珠丝杠四603、电机五604、滑块一605、滚珠丝杠五606、供给仓607、供给仓座608、固定杆609和滑块二610组成，如图10所示，所述的电机四601与电机五604、滚珠丝杠四603与滚珠丝杠五606、滑块一605与滑块二610所有规格参数完全相同，所述的支架四602固定在侧柱102上，所述的滑块一605与滑块二610分别安装在中间滑轨104的滑槽内，所述的电机四601与电机五604固定在支架四601上，所述的滚珠丝杠四603、滚珠丝杠五606分别穿过滑块一610、滑块二605并与电机四601、电机五604相连，通过电机四601、电机五604转动带动滚珠丝杠四603、滚珠丝杠五606旋转进而推动滑块一605与滑块二610在沿中间滑轨104的滑槽滑动。所述的供给仓座608固定在供给仓607上，所述的滑块一605与供给仓607及供给仓座608、滑块二610与供给仓607及供给仓座608分别通过固定杆609使用螺纹连接。

所述的供给仓607由发条60701、仓壁60702、中心轴60703、端盖60704和轴承60705组成，如图11所示，所述的发条60701安装在中心轴60703上，所述轴承60705固定在端盖60704上，所述的中心轴60703与端盖60704通过轴承60705连接，所述的仓壁60702与端盖60704通过螺纹连接，所述的端盖60704固定在固定杆609上。

一种球形超声头滚压增减材复合制造方法，包括下列步骤

(1)采用所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，金属箔片接头在面板204上定位，金属箔片供给系统6向一侧运动，带动金属箔片从供给仓607中抽出并借助供给仓座608平铺在面板204上，此时发条60701缩紧产生拉力起防止回缩作用，直至抽出一定长度的金属箔片，金属箔片供给系统6停止，此时对金属箔片长度的末端再次定位；

(2)纵向移动超声增材制造系统3与横向平面移动系统5配合，根据计算机提供的成形数据对金属箔片进行由点到线到面的滚压增材制造，成形完一层后，纵向超声增材制造系统3与平面移动系统5回至原位；

(3)激光切割系统4借助纵向移动超声增材制造系统3与横向平面移动系统5配合在水平面内运动，根据计算机提供的轮廓信息在已成形层切下轮廓，成形室下降一个成形层厚的高度，成形室内的金属箔片继续作为支撑结构；

(4)金属箔片供给系统6借助已成形层定位点向(1)运动的反方向运动，将新的一层金属箔片平铺在成形室上方，金属箔片达到规定长度后，金属箔片供给系统6再次停止，纵向移动超声增材制造系统3与横向平面移动系统5配合对金属箔片首尾两端进行固结定位；定位完毕后开始成形，如此层层叠加，直至成形出规定的三位实体零件。

所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，由于超声头中滚压球与金属箔片为点接触，适用于外形轮廓形状复杂多变的增材制造。

Claims (10)

1.一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：包括框架、成形室、纵向移动超声增材制造系统、激光切割系统、横向平面移动系统和金属箔片供给系统，所述的成形室位于框架内并固定在底板上，所述的纵向移动超声增材制造系统位于成形室上方并在横向平面移动系统内滑动，所述的激光切割系统位于框架内并固定在纵向移动超声增材制造系统上，所述的横向平面移动系统位于成形室上方并在顶端滑轨内滑动，所述的金属箔片供给系统位于成形室上方并在中间滑轨内滑动。

2.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的框架由底板、侧柱、顶端滑轨和中间滑轨组成，侧柱通过螺栓连接固定在底板上，顶端滑轨及中间滑轨分别通过螺栓连接固定在侧柱上。

3.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的成形室由基座、导杆一、实心导杆、面板、滚珠丝杠一、套筒、支架一、蜗轮蜗杆机构、电机一组成，所述的基座固定在框架的底板上，所述的滚珠丝杠一通过圆柱轴承与底板连接，所述的套筒与滚珠丝杠一通过螺纹连接，所述的支架一固定在底板上，所述的电机一固定在支架一上并通过联轴器与蜗轮蜗杆机构的蜗杆相连，通过电机一的转动带动蜗轮蜗杆机构中的蜗杆进而带动滚珠丝杠一转动，从而与套筒配合推动面板竖向移动，所述的导杆一固定在基座上，所述的实心导杆插入导杆一中并可在其中沿竖直方向滑动，与套筒共同保证面板的运动平稳，所述的面板固定在实心导杆与套筒上。

4.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的纵向移动超声增材制造系统由超声头、保持架、弹簧、支架二、电机二、导杆二、滚珠丝杠二、液压缸、侧座组成，所述的弹簧两端分别固定在保持架和超声头上，保持超声头在不工作时的稳定性，所述的导杆二穿过保持架并可沿纵向滑动，所述的支架二固定在顶板上，所述的电机二固定在支架二上，所述的滚珠丝杠二穿过保持架并与电机二连接，通过电机二的转动带动滚珠丝杠二转动进而带动保持架沿导杆二方向移动，所述的液压缸固定在保持架上并与超声头通过螺纹连接，所述的侧座固定在保持架上。

5.根据权利要求4所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的超声头由超声头体、变幅杆、壳体和换能器组成，所述的变幅杆分别于超声头体、换能器通过螺纹连接，所述的壳体与变幅杆通过螺纹连接并与液压缸通过螺纹连接共同穿过保持架的中心孔。

6.根据权利要求5所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的超声头体由下壳、上壳、滚压球组成，所述的下壳与上壳通过螺栓连接，所述的滚压球安装于下壳与上壳组成的球形槽内并可滚动，所述的上壳与变幅杆通过螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的激光切割系统由扫描头、光学转换元件和激光器组成，所述的激光切割系统固定于侧座上，用于根据模型数据切割金属箔片。

8.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的横向平面移动系统由顶板、导杆三、电机三、支座三和滚珠丝杠三组成，所述的顶板安装在顶端滑轨的滑槽中并可沿横向移动，所述的导杆三穿过顶板并可在其中滑动，所述的导杆三通过支座固定在一侧的滑轨上，所述的支座三固定在另一侧滑轨上，所述的电机三固定在支座三上，所述的滚珠丝杠三穿过顶板并与电机三连接，通过电机三的转动带动滚珠丝杠三转动进而推动顶板在顶端滑轨的滑槽中沿横向滑动。

9.根据权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置，其特征在于：所述的金属箔片供给系统由电机四、支架四、滚珠丝杠四、电机五、滑块一、滚珠丝杠五、供给仓、供给仓座、固定杆和滑块二组成，，所述的电机四与电机五、滚珠丝杠四与滚珠丝杠五、滑块一与滑块二所有规格参数完全相同，所述的支架四固定在侧柱上，所述的滑块一与滑块二分别安装在中间滑轨的滑槽内，所述的电机四与电机五固定在支架四上，所述的滚珠丝杠四、滚珠丝杠五分别穿过滑块一、滑块二并与电机四、电机五相连，通过电机四、电机五转动带动滚珠丝杠四、滚珠丝杠五旋转进而推动滑块一与滑块二在沿中间滑轨的滑槽滑动。所述的供给仓座固定在供给仓上，所述的滑块一与供给仓及供给仓座、滑块二与供给仓及供给仓座分别通过固定杆使用螺纹连接；

所述的供给仓由发条、仓壁、中心轴、端盖和轴承组成，所述的发条安装在中心轴上，所述轴承固定在端盖上，所述的中心轴与端盖通过轴承连接，所述的仓壁与端盖通过螺纹连接，所述的端盖固定在固定杆上。

10.采用如权利要求1所述的一种球形超声头滚压增减材复合制造装置的制造方法，包括下列步骤：

(1)采用所述的球形超声头滚压增减材复合制造装置，金属箔片接头在面板上定位，金属箔片供给系统向一侧运动，带动金属箔片从供给仓中抽出并借助供给仓座平铺在面板上，此时发条缩紧产生拉力起防止回缩作用，直至抽出一定长度的金属箔片，金属箔片供给系统停止，此时对金属箔片长度的末端再次定位；

(2)纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合，根据计算机提供的成形数据对金属箔片进行由点到线到面的滚压增材制造，成形完一层后，纵向超声增材制造系统与平面移动系统回至原位；

(3)激光切割系统借助纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合在水平面内运动，根据计算机提供的轮廓信息在已成形层切下轮廓，成形室下降一个成形层厚的高度，成形室内的金属箔片继续作为支撑结构；

(4)金属箔片供给系统借助已成形层定位点向(1)运动的反方向运动，将新的一层金属箔片平铺在成形室上方，金属箔片达到规定长度后，金属箔片供给系统再次停止，纵向移动超声增材制造系统与横向平面移动系统配合对金属箔片首尾两端进行固结定位；定位完毕后开始成形，如此层层叠加，直至成形出规定的三位实体零件。