CN112008167B - 一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，包括：电源系统、运动平台、增减材工作头；所述电源系统包括：增材电源、减材电源；所述运动平台包括：六轴机器人、控制柜、工作台、基板、堆积件、夹具；所述增减材工作头包含电弧增材和气中电火花电弧铣削减材；所述电弧增材包括：支架、绝缘套、焊枪、堆积丝；所述气中电火花电弧铣削减材包括：底座、外唇形密封、内唇形密封、轴承、主轴、压盖、调整环、电极、主动齿轮、电机；电弧增材和气中电火花电弧铣削减材交替进行，所述焊枪和所述电极同轴；所述电极侧面和端面可去除所述堆积件侧面与顶部余量；所述气中电火花电弧铣削减材有大电流电弧和小电流电火花两种模式。

Description

一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置

技术领域

本发明属于增材和减材制造领域，具体地涉及一种使用电弧增材制造和气中电火花电弧铣削减材制造相结合制造工艺。

背景技术

电弧增材制造使用电弧熔化丝材层层堆积组合成零件，是一种高堆积速率、高材料利用率、低设备费用具有潜力的增材制造工艺，部分应用于宇航与生物工业领域。电弧增材为层层堆积过程，由于每层层高一般超过1mm，台阶效应十分明显，表面质量较差，一般需要后续机加工使堆积件达到所需精度和表面质量。

由于电弧增材一般使用六轴机器人或数控平台作为载具完成增材制造，而后续机加工减材制造则在其他数控机床上完成，增材和减材过程在两套分离设备上完成，这导致需要重新装夹定位，此外需要额外的搬运时间，这些显著降低加工效率。

此外，传统机加工依靠刀具切削刃去除材料，期间存在显著切削力，切削力造成零件表面变形与加工硬化，而通过减小切削参数，表面变形与加工硬化减弱，但这显著降低加工效率。对于薄壁件，由于很容易发生变形，机加工去除材料变得极为困难。

电弧增材可能制造整体封闭零件，如空心球体，若采用传统先电弧增材，之后再在数控机床减材去除表面余量，空心球体内部显然无法加工。

这些缺陷极大限制了电弧增材的推广和应用。

本发明的新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置将电弧增材和气中电火花电弧铣削减材两套系统有机集成在一起，装于一台六轴机器人上，制造过程中，增材和减材交替进行，可显著提高制造效率，焊枪与铣削电极同轴，结构紧促，便于控制。此外，电火花电弧铣削无切削力，不会造成零件表面变形，采用压缩二氧化碳作为介质，避免对堆积件的污染，保证电弧增材制造的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置。

本发明的技术方案如下：

一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于包括：电源系统、运动平台、增减材工作头；所述电源系统包括：电弧增材电源、气中电火花电弧铣削减材电源；所述运动平台包括：六轴机器人、控制柜、工作台、基板、堆积件、夹具；所述六轴机器人、所述工作台通过地脚螺栓紧固于地面；所述夹具通过螺栓安装于所述工作台，并夹紧所述基板。

优选的，所述增减材工作头包含电弧增材结构和气中电火花电弧铣削减材结构；所述电弧增材结构包括：支架、绝缘套、堆积丝、焊枪；所述焊枪安装于所述绝缘套；所述绝缘套由不导电材质制成，安装于所述支架；所述支架螺栓紧固于所述六轴机器人末端；所述堆积丝同轴安装于所述焊枪；所述电弧增材电源输出由导线连接所述工作台和所述焊枪。

优选的，所述气中电火花电弧铣削减材结构包括：底座、外唇形密封、内唇形密封、轴承、主轴、压盖、调整环、电极、主动齿轮、电机。

优选的，所述底座轴向有尺寸大于所述焊枪外径的通孔，所述底座与所述焊枪同轴安装于所述绝缘套；所述底座内部有气体通道，用于传输压缩二氧化碳；所述底座下部有小型环形槽，该环形槽与气体通道连接；所述底座下部有较大内槽，用于安装所述轴承；所述主轴轴向有尺寸大于所述焊枪外径通孔，通过所述轴承同轴安装于所述底座；所述主轴周向均匀分布气体通道，传输来自所述底座压缩二氧化碳；所述主轴顶部有两道密封槽，位于所述主轴气体通道内侧与外侧，用于密封；所述主轴中部为外齿轮，用于扭矩输入；所述主轴中下部为外螺纹，用于与所述压盖配合；所述主轴下部为外锥面，用于定位与安装所述电极；所述外唇形密封及内唇形密封安装于所述主轴的两道密封槽中，通过挤压变形密封所述底座与所述主轴之间间隙，防止压缩二氧化碳的泄露；所述压盖上部有内螺纹，通过与所述主轴的外螺纹配合安装；所述压盖下部为内锥面，用于定位所述调整环；所述调整环内部为通孔，外部为外锥面，安装于所述电极和所述压盖之间，通过自身挤压变形，紧固所述电极和实现所述电极与所述压盖之间密封；所述电极为空心圆柱，沿周向均匀分布气体通道，气体通道连接至外圆柱面与端面小气孔；所述电极上部为内锥面，用于与所述主轴的定位；所述电极通过所述压盖和所述调整环安装于所述主轴；所述主动齿轮安装于所述电机主轴上，并与所述主轴外齿轮相啮合，用于传输扭矩；所述电机安装于所述底座上；所述气中电火花电弧铣削减材电源输出由导线连接所述工作台和所述底座。

优选的，压缩二氧化碳通过所述底座气体通道进入所述底座环形槽，所述主轴气体通道正对所述底座环形槽，压缩二氧化碳由所述底座环形槽进入所述主轴气体通道，所述主轴、所述压盖、所述调整环、所述电极之间形成环形空间，压缩二氧化碳通过所述主轴气体通道进入该环形空间，流入所述电极气体通道，最终由所述电极的外圆柱面与端面小气孔喷出。

优选的，所述电机驱动所述主动齿轮转动，所述主动齿轮与所述主轴外齿轮相啮合，进而驱动所述主轴旋转，所述主轴带动所述压盖、所述调整环、所述电极一同旋转；所述底座与所述焊枪同轴，所述底座与所述主轴同轴，所述主轴与所述电极同轴，因而，所述电极与焊枪同轴；所述焊枪、所述底座、所述支架之间通过所述绝缘套隔离连接，三者之间互相绝缘。

优选的，电弧增材制造过程，所述堆积丝与所述基板之间形成电弧，所述堆积丝受热熔化、凝固，在所述六轴机器人的运动下，堆积成特定形状，层层堆积最终形成所述堆积件，气中电火花电弧铣削减材可在每堆积3层或其他层数进行。

优选的，当进行气中电火花电弧铣削减材时，电弧增材停止，所述堆积丝回抽至所述焊枪内；所述电机通过所述主动齿轮、所述主轴驱动所述电极旋转，同时压缩二氧化碳通过所述底座、所述主轴输入到所述电极，从所述电极外圆柱面和端面小气孔中喷出；当旋转所述电极侧面靠近所述堆积件的侧面时，所述电极与所述堆积件之间形成电弧，电弧产生的高温去除所述堆积件侧面余量，由于所述电极的旋转破坏电弧稳定，电弧周期性产生和熄灭，去除量得到控制，期间压缩二氧化碳主要用于冷却所述电极与吹除切屑；当所述电极端面靠近所述堆积件的顶部时，可去除掉堆积件顶部的余量；重复电弧增材和气中电火花电弧铣削减材过程，可完成零件制备。

优选的，在气中电火花电弧铣削减材过程中，通过调整所述气中电火花电弧铣削减材电源模式，所述电极可获得大电流电弧模式，去除量大，加工效率高，但表面质量差，或所述电极获得小电流电火花模式，去除量小，加工效率低，但表面质量好。

相对于现有技术，本发明有如下技术效应：

本发明将电弧增材和气中电火花电弧铣削减材集成在同一台设备上，交替进行增材与减材，避免传统后续机加工再定位装夹，提高制造效率，降低制造成本，克服传统后续机加工不能加工诸如空心球体内表面的缺点。此外，焊枪与铣削电极同轴，结构紧促，便于控制。本发明所用的气中电火花电弧铣削减材，兼顾电火花的高精度和电弧的高效率，并且减材过程不存在切削力，避免零件表面的变形，特别有益于薄壁件制造。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的增减材工作头结构示意图；

图3为本发明的增减材工作头A处放大示意图；

图4为本发明的增减材工作头B处放大示意图；

图5为本发明的主轴示意图；

图6为本发明的电极示意图；

1、控制柜，2、六轴机器人，3、电弧增材电源，4、气中电火花电弧铣削减材电源，5、工作台，6、基板，7、堆积件，8、增减材工作头，9、夹具，10、支架，11、绝缘套，12、底座，13、外唇形密封，14、内唇形密封，15、轴承，16、主轴，17、压盖，18、调整环，19、电极，20、堆积丝，21、焊枪，22、主动齿轮，23、电机；

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一：

本发明提供如附图1-6所示的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于电源系统、运动平台、增减材工作头8；所述电源系统包括：电弧增材电源3、气中电火花电弧铣削减材电源4；所述运动平台包括：六轴机器人2、控制柜1、工作台5、基板6、堆积件7、夹具9；所述六轴机器人2、所述工作台5通过地脚螺栓紧固于地面；所述夹具9通过螺栓安装于所述工作台5，并夹紧所述基板6。

优选的，所述增减材工作头8包含电弧增材结构和气中电火花电弧铣削减材结构；所述电弧增材结构包括：支架10、绝缘套11、堆积丝20、焊枪21；所述焊枪21安装于所述绝缘套11；所述绝缘套11由不导电材质制成，安装于所述支架10；所述支架10螺栓紧固于所述六轴机器人2末端；所述堆积丝20同轴安装于所述焊枪21；所述电弧增材电源3输出由导线连接所述工作台5和所述焊枪21。

优选的，所述气中电火花电弧铣削减材结构包括：底座12、外唇形密封13、内唇形密封14、轴承15、主轴16、压盖17、调整环18、电极19、主动齿轮22、电机23。

优选的，所述底座12轴向有尺寸大于所述焊枪21外径的通孔，所述底座12与所述焊枪21同轴安装于所述绝缘套11；所述底座12内部有气体通道，用于传输压缩二氧化碳；所述底座12下部有小型环形槽，该环形槽与气体通道连接；所述底座12下部有较大内槽，用于安装所述轴承15；所述主轴16轴向有尺寸大于所述焊枪21外径通孔，通过所述轴承15同轴安装于所述底座12；所述主轴16周向均匀分布气体通道，传输来自所述底座12压缩二氧化碳；所述主轴16顶部有两道密封槽，位于所述主轴16气体通道内侧与外侧，用于密封；所述主轴16中部为外齿轮，用于扭矩输入；所述主轴16中下部为外螺纹，用于与所述压盖17配合；所述主轴16下部为外锥面，用于定位与安装所述电极19；所述外唇形密封13及内唇形密封14安装于所述主轴16的两道密封槽中，通过挤压变形密封所述底座12与所述主轴16之间间隙，防止压缩二氧化碳的泄露；所述压盖17上部有内螺纹，通过与所述主轴16的外螺纹配合安装；所述压盖17下部为内锥面，用于定位所述调整环18；所述调整环18内部为通孔，外部为外锥面，安装于所述电极19和所述压盖17之间，通过自身挤压变形，紧固所述电极19和实现所述电极19与所述压盖17之间密封；所述电极19为空心圆柱，沿周向均匀分布气体通道，气体通道连接至外圆柱面与端面小气孔；所述电极19上部为内锥面，用于与所述主轴16的定位；所述电极19通过所述压盖17和所述调整环18安装于所述主轴16；所述主动齿轮22安装于所述电机23主轴上，并与所述主轴16外齿轮相啮合，用于传输扭矩；所述电机23安装于所述底座12上；所述气中电火花电弧铣削减材电源4输出由导线连接所述工作台5和所述底座12。

优选的，压缩二氧化碳通过所述底座12气体通道进入所述底座12环形槽，所述主轴16气体通道正对所述底座12环形槽，压缩二氧化碳由所述底座12环形槽进入所述主轴16气体通道，所述主轴16、所述压盖17、所述调整环18、所述电极19之间形成环形空间，压缩二氧化碳通过所述主轴16气体通道进入该环形空间，流入所述电极19气体通道，最终由所述电极19的外圆柱面与端面小气孔喷出。

优选的，所述电机23驱动所述主动齿轮22转动，所述主动齿轮22与所述主轴16外齿轮相啮合，进而驱动所述主轴16旋转，所述主轴16带动所述压盖17、所述调整环18、所述电极19一同旋转；所述底座12与所述焊枪21同轴，所述底座12与所述主轴16同轴，所述主轴16与所述电极19同轴，因而，所述电极19与焊枪21同轴；所述焊枪21、所述底座12、所述支架10之间通过所述绝缘套11隔离连接，三者之间互相绝缘。

优选的，电弧增材制造过程，所述堆积丝20与所述基板6之间形成电弧，所述堆积丝20受热熔化、凝固，在所述六轴机器人2的运动下，堆积成特定形状，层层堆积最终形成所述堆积件7，气中电火花电弧铣削减材可在每堆积3层或其他层数进行。

优选的，当进行气中电火花电弧铣削减材时，电弧增材停止，所述堆积丝20回抽至所述焊枪21内；所述电机23通过所述主动齿轮22、所述主轴16驱动所述电极19旋转，同时压缩二氧化碳通过所述底座12、所述主轴16输入到所述电极19，从所述电极19外圆柱面和端面小气孔中喷出；当旋转所述电极19侧面靠近所述堆积件7的侧面时，所述电极19与所述堆积件7之间形成电弧，电弧产生的高温去除所述堆积件7侧面余量，由于所述电极19的旋转破坏电弧稳定，电弧周期性产生和熄灭，去除量得到控制，期间压缩二氧化碳主要用于冷却所述电极19与吹除切屑；当所述电极19端面靠近所述堆积件7的顶部时，可去除掉堆积件顶部的余量；重复电弧增材和气中电火花电弧铣削减材过程，可完成零件制备。

优选的，在气中电火花电弧铣削减材过程中，通过调整所述气中电火花电弧铣削减材电源模式，所述电极19可获得大电流电弧模式，去除量大，加工效率高，但表面质量差，或所述电极19获得小电流电火花模式，去除量小，加工效率低，但表面质量好。

相对于现有技术，本发明有如下技术效应：

本发明将电弧增材和气中电火花电弧铣削减材集成在同一台设备上，交替进行增材与减材，避免传统后续机加工再定位装夹，提高制造效率，降低制造成本，克服传统后续机加工不能加工诸如空心球体内表面的缺点。此外，焊枪与铣削电极同轴，结构紧促，便于控制。本发明所用的气中电火花电弧铣削减材，兼顾电火花的高精度和电弧的高效率，并且减材过程不存在切削力，避免零件表面的变形，特别有益于薄壁件制造。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于包括电源系统、运动平台、增减材工作头；所述电源系统包括：电弧增材电源、气中电火花电弧铣削减材电源；所述运动平台包括：六轴机器人、控制柜、工作台、基板、堆积件、夹具；所述六轴机器人、所述工作台通过地脚螺栓紧固于地面；所述夹具通过螺栓安装于所述工作台，并夹紧所述基板。

2.如权利要求1所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

所述增减材工作头包括电弧增材结构和气中电火花电弧铣削减材结构；所述电弧增材结构包括：支架、绝缘套、堆积丝、焊枪；所述焊枪安装于所述绝缘套；所述绝缘套由不导电材质制成，固定于所述支架；所述支架通过螺栓紧固于所述六轴机器人末端；所述堆积丝同轴安装于所述焊枪；所述电弧增材电源输出由导线连接所述工作台和所述焊枪。

3.如权利要求2所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

所述气中电火花电弧铣削减材结构包括：底座、外唇形密封、内唇形密封、轴承、主轴、压盖、调整环、电极、主动齿轮、电机。

4.如权利要求3所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

所述底座轴向有尺寸大于所述焊枪外径的通孔，所述底座与所述焊枪同轴安装于所述绝缘套；所述底座内部有气体通道，用于传输压缩二氧化碳；所述底座下部有小型环形槽，该环形槽与气体通道连接；所述底座下部有较大内槽，用于安装所述轴承；所述主轴轴向有尺寸大于所述焊枪外径通孔，通过所述轴承同轴安装于所述底座；所述主轴周向均匀分布气体通道，传输来自所述底座压缩二氧化碳；所述主轴顶部有两道密封槽，位于所述主轴气体通道内侧与外侧，用于密封；所述主轴中部为外齿轮，用于扭矩输入；所述主轴中下部为外螺纹，用于与所述压盖配合；所述主轴下部为外锥面，用于定位与安装所述电极；所述外唇形密封及内唇形密封安装于所述主轴的两道密封槽中，通过挤压变形密封所述底座与所述主轴之间间隙，防止压缩二氧化碳的泄露；所述压盖上部有内螺纹，通过与所述主轴的外螺纹配合安装；所述压盖下部为内锥面，用于定位所述调整环；所述调整环内部为通孔，外部为外锥面，安装于所述电极和所述压盖之间，通过自身挤压变形，紧固所述电极和实现所述电极与所述压盖之间密封；所述电极为空心圆柱，沿周向均匀分布气体通道，气体通道连接至外圆柱面与端面小气孔；所述电极上部为内锥面，用于与所述主轴的定位；所述电极通过所述压盖和所述调整环安装于所述主轴；所述主动齿轮安装于所述电机主轴上，并与所述主轴外齿轮相啮合，用于传输扭矩；所述电机安装于所述底座上；所述气中电火花电弧铣削减材电源输出由导线连接所述工作台和所述底座。

5.如权利要求4所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

压缩二氧化碳通过所述底座气体通道进入所述底座环形槽，所述主轴气体通道正对所述底座环形槽，压缩二氧化碳由所述底座环形槽进入所述主轴气体通道，所述主轴、所述压盖、所述调整环、所述电极之间形成环形空间，压缩二氧化碳通过所述主轴气体通道进入该环形空间，流入所述电极气体通道，最终由所述电极的外圆柱面与端面小气孔喷出。

6.如权利要求4所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

所述电机驱动所述主动齿轮转动，所述主动齿轮与所述主轴外齿轮相啮合，进而驱动所述主轴旋转，所述主轴带动所述压盖、所述调整环、所述电极一同旋转；所述底座与所述焊枪同轴，所述底座与所述主轴同轴，所述主轴与所述电极同轴，因而，所述电极与焊枪同轴；所述焊枪、所述底座、所述支架之间通过所述绝缘套隔离连接，三者之间互相绝缘。

7.如权利要求1所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

电弧增材制造过程，所述堆积丝与所述基板之间形成电弧，所述堆积丝受热熔化、凝固，在所述六轴机器人的运动下，堆积成特定形状，层层堆积最终形成所述堆积件，气中电火花电弧铣削减材可在每堆积3层或其他层数进行。

8.如权利要求4所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

当进行气中电火花电弧铣削减材时，电弧增材停止，所述堆积丝回抽至所述焊枪内；所述电机通过所述主动齿轮、所述主轴驱动所述电极旋转，同时压缩二氧化碳通过所述底座、所述主轴输入到所述电极，从所述电极外圆柱面和端面小气孔中喷出；当旋转所述电极侧面靠近所述堆积件的侧面时，所述电极与所述堆积件之间形成电弧，电弧产生的高温去除所述堆积件侧面余量，由于所述电极的旋转破坏电弧稳定，电弧周期性产生和熄灭，去除量得到控制，期间压缩二氧化碳主要用于冷却所述电极与吹除切屑；当所述电极端面靠近所述堆积件的顶部时，可去除掉堆积件顶部的余量；重复电弧增材和气中电火花电弧铣削减材过程，可完成零件制备。

9.如权利要求4所述的一种新型电弧增材与气中电火花电弧铣削减材复合制造装置，其特征在于：

在气中电火花电弧铣削减材过程中，通过调整所述气中电火花电弧铣削减材电源模式，所述电极可获得大电流电弧模式，去除量大，加工效率高，但表面质量差，或所述电极获得小电流电火花模式，去除量小，加工效率低，但表面质量好。

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