CN112404451A

CN112404451A - 一种多轴多材料丝基激光增材制造设备

Info

Publication number: CN112404451A
Application number: CN202011283752.5A
Authority: CN
Inventors: 王彤; 赵曦; 王文泽
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-02-26

Abstract

一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：包括多丝系统、整体式储丝筒、可变角度激光器、设备底座；所述的多丝系统包括承托板、分线盒、导向装置、辅助夹紧轮、辅助夹紧器、分线盒保持架、保护气体接口；所述的整体式储丝筒包括储丝轮、定位弯块、连接杆；所述的多角度激光器包括激光头、姿态调整架；所述的设备底座包括外壳、双自由度系统、摇篮式回转工作台、气体循环接口、成型平台；以上机构共同组成多轴多材料丝基激光增材制造设备，该设备可完成多轴多材料激光增材制造，在系统控制下可实现丝材材料的自动切换。

Description

一种多轴多材料丝基激光增材制造设备

技术领域

本发明涉及一种多轴多材料丝基激光增材制造设备。

背景技术

目前，对于金属材料的增材制造，国内外研究主要集中在粉末材料增材制造，丝状材料增材制造研究较少，丝材增材制造与粉材增材制造相比，有材料利用率高、无粉尘污染、原料获取方便等优点，同时由于国内外对丝材增材制造研究较少，因此需要深入研究，丝材增材制造从成型方式上，可分为电弧送丝成型、电子束送丝成型和激光送丝成型等方式，激光送丝成型目前研究较少，实验表明，激光增材制造下多材料间结合情况较好，并且在相应位置使用不同材料会整体提高工件强度，但目前激光送丝工艺一般只能使用一种材料进行加工，如果要使用多种材料，必须停机更换材料，难以满足连续的多材料梯度加工等需求；另外，目前增材制造一般都是简单的三轴加工，对于增材制造这种“从0到1”的加工方式，三轴加工一般够用，但面对以零件修补为目的增材制造工艺时，绝大部分情况下三轴加工便无法满足了；本发明设计了一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，并相应地提出一种多轴多材料丝基激光增材制造工艺，本设备可完成多材料送丝激光增材堆叠制造或者多材料送丝激光增材修补，整个工艺流程可以实现自动化，操作简单，极大的降低了相应的加工成本。

发明内容

为了解决上文提到的多轴多材料送丝激光增材堆叠制造或者激光增材修补工艺的问题，提出了一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，包括多丝系统、整体式储丝筒、可变角度激光器、设备底座，该系统借助储丝筒和分线盒可将两种丝材分别送入加工区域，同时辅助夹紧轮和辅助夹紧器配合完成切换过程，解决了多材料丝材激光增材制造工艺中不同丝材自动切换的问题；另一方面，借助回转工作台以及成型工具台，可以分别实现丝材激光增材堆叠制造工艺和丝材激光增材修补工艺，提高加工效率，节约工时，简化工序，降低成本。

一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：包括多丝系统、整体式储丝筒、可变角度激光器、设备底座；所述的多丝系统包括承托板、分线盒、导向装置、辅助夹紧轮、辅助夹紧器、分线盒保持架、保护气体接口；所述的整体式储丝筒包括储丝轮、定位弯块、连接杆；所述的多角度激光器包括激光头、姿态调整架；所述的设备底座包括外壳、双自由度系统、摇篮式回转工作台、气体循环接口、成型平台。

所述的设备底座主要包括外壳和机架两部分，依据权利要求一中所述，气体循环接口安装在外壳上，外壳采用半透明材质，同时配有半透明材质的拉门，可以实时观测加工情况，且不会因强光灼伤人眼；双自由度系统和摇篮式回转工作台位于机架上，二者配合下可实现多轴加工；成型平台安装在回转工作台的T型槽上并可以随时拆卸。

所述的多丝系统安装在加工设备双自由度系统的横梁上，多丝系统基体是一承托板，承托板安装在加工设备双自由度系统横梁直线模组的丝杠螺母上，横梁直线模组下方开有导向槽，相应的，螺母上有一导向块，导向块与导向槽相接触，可以实现力的转移，减轻螺母受力；本发明只考虑两种材料的多材料激光增材堆叠制造加工，因此承托板最上端为两个丝材导向环，每个导向环下方为一导向轮，向下为辅助夹紧轮，加紧轮每两个活动轮为一组，共两组并列布置，向下为辅助夹紧器，夹紧器中每两个夹紧块为一组，共两组并列布置，每组辅助夹紧轮和辅助夹紧块的活动部分均由各自的差动丝杠连接，每个差动丝杠由单独的电机提供动力；再向下为分线盒，分线盒被保持架固定在承托板上。

所述的双自由度系统安装在底座机架上，可以使多丝系统实现X、Z方向的平移，平移动作由传动丝杠实现，横梁安装在立柱丝杠的螺母上，本发明中使用双螺母增加稳定性，同时为平衡力矩，立柱上设置有与丝杠平行的导向槽，相应的，横梁上设置有导向块，与导向槽咬合用以传递力矩；由于系统横梁螺母上安装有多丝系统以及激光器，重量较大，因此横梁上也设置与丝杠平行的导向槽，与螺母上的导向块咬合分担压力；横梁上方安装圆柱状导向柱，与储丝筒的马蹄形定位弯块配合，可使储丝筒精确地沿横梁方向做平移运动。

所述的摇篮式回转工作台安装在底座机架上，实现工作台Y方向平移与A、B方向旋转运动，与双自由度系统相配合可实现多轴加工；工作台台面开有T型槽，可用于进行丝材激光增材修复时对已有工件进行定位夹紧，或者是固定成型平台，用作丝材激光增材堆叠制造的基材，成型平台台面基板可由多种材料制作，以适应不同材料的加工需求。

所述的整体式储丝筒位于多丝系统上方，用连接杆与多丝系统承托板和双自由度系统横梁丝杠螺母连接在一起；两个储丝筒并列布置，可以储存两种丝材；为使储丝筒能够与多丝系统同步运动，同时为了用横梁分担储丝筒的重力，将储丝筒的马蹄形定位弯块与横梁上的导向柱配合，可使储丝筒精确地沿横梁方向随着多丝系统做平移运动。

所述的多角度激光器通过姿态调整架安装在承托板的定位横梁上，姿态调整架由两根圆杆和连接器组成，可以方便的改变激光器的空间位置，因此其发射的激光束可以与成型区域的丝材可以保持特定的相对位置。

同时，简单介绍适合本发明的一种多材料丝材激光增材制造加工方法，包括以下步骤。

步骤1，将本发明的权利要求2-5按照前述顺序进行组装，若此时需要M1材料增材制造加工，首先将成型平台固定在权利要求10所述的摇篮式回转工作台的台面上，调整好权利要求书4所述的多角度激光器的角度并固定，M1材料的丝材自权利要求3所述的储丝筒的一侧（假设为左侧）出发，此时权利要求7所述的辅助夹紧轮与权利要求8所述的辅助夹紧器的这一侧为松开状态，丝材通过辅助夹紧轮和辅助夹紧器，进入权利要求6所述的分线盒左侧入丝口，最后由分线盒下方出丝口送入成型区域；另一方面，设备中的M2材料丝材处于待命状态，丝材运丝状态与M1材料丝材大致相同，区别在于此时的M2材料丝材从另一侧储丝筒出发，延伸到超过权利要求书2所述的双丝系统的右侧辅助夹紧轮位置10~20mm处，此侧的夹紧轮和夹紧块处于夹紧状态，等待控制系统的下一步指令。

步骤2，当控制系统下达更换工序的指令时，左侧的辅助夹紧轮加紧丝材，夹紧轮的电机反转，将M1材料丝材拉回分线盒，然后左侧夹紧轮夹紧丝材；然后右侧的辅助夹紧块打开，形成通道，然后右侧夹紧轮电机启动，将M2材料丝材向下输送进分线盒右侧空腔，继而通过分线盒下方的出丝口进入加工区域，开始M2材料丝材的激光增材堆叠制造。

以上介绍的是先进行M1材料的丝材激光增材制造，再进行M2材料的丝材激光增材制造，如因工艺需要，材料由M2切换回M1时，各部分装置动作完全相同，实际上，如果工艺需要，两种材料可以不停切换，整个过程可以在程序控制下自动进行。

如果第一道工序是M1材料的丝材激光增材堆叠制造，需要提前先将成型平台台面基板用M1材料制作，将台面基板与T型定位块用卡簧连接固定，再夹紧在回转工作台的T型槽上，根据工艺需要调整好多角度激光器的角度，使加工正常进行，加工完成后，将工件从成型平台平面取下即可；如果需要进行丝材激光修补时，则不需要成型平台，而是将工件直接固定在回转工作台的台面上，根据CAD系统输入的模型数据，便可开始修补工作。

本发明的有益效果为：本发明的一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，通过设置加工区域上方的分线盒，可方便的将两种丝材准确的送入加工区域，克服两种材料丝材切换的问题，同时辅助夹紧轮和辅助夹紧器可方便地将丝材送入加工区域或者固定备用丝材；通过双自由度系统和摇篮式回转工作台可使实现多轴加工；通过成型平台的拆装，可以实现工件的丝材激光增材堆叠制造或者修补；在控制系统的控制下，本设备丝材切换过程可以实现自动化，避免因人工更换时打开加工舱室使设备内保护气体环境被破坏，导致工件氧化受损的问题。

附图说明

图1是该设备的整体外形图；

图2是该设备内部轴测图；

图3是该设备的底座轴测图；

图4是该设备的分线盒轴测；

图5是该设备的分线盒内部结构图；

图6是该设备的承托板示意图；

图7是该设备的双自由度系统横梁三维视图；

图8是该设备整体式储丝筒三维视图；

图9是该设备可变角度激光器三维视图；

图10是该设备回转平台三维视图；

图11是该设备成型平台三维示意图；

图12是该设备成型平台细节结构图；

图13是该设备辅助夹紧块结构图；

图14是该设备辅助夹紧轮结构图。

图中：1-底座，2、4-设备拉门，3-设备外壳（保护气输入口3-1，气体循环口3-2），5-双自由度系统，6-整体式储丝筒，7-双自由度系统横梁，8-多丝系统，9-可变角度激光器，10-成型平台，11-摇篮式回转工作台，12-立柱传动丝杠，13-传动丝杠电机，14-横梁丝杠螺母，15-横梁传动丝杠，16-横梁导向槽，17-回转工作台，18-摇篮工作台轴座，19-摇篮工作台底座，20-外壳限位块，21-摇篮工作台传动丝杠，22-摇篮工作台导向槽，23-工作台底座，24-工作台电机，25-变速箱，26-立柱导向槽，27-M1材料进丝导管，28-M1材料进丝导口，29-气体导管卡环，30-M2材料进丝导管，31-M2材料进丝导口，32、41-气体导管，33-分线盒卡托，34、40-分线盒前盖，35-前盖合页，36-出丝口接头，37-出丝口，38-出丝口外壳，39-密封板，42、44、45、47-保护气进口，43、46-丝材进口，48、51-分线盒内腔，49-分隔板，50，出丝口进口，52-导丝环，53-蓝宝石环，54-内侧轴承座，55-差动丝杠，56-承托板固定孔，57-传动轴电机，58-承托板，59-外侧轴承座，60-辅助夹紧器，61-辅助夹紧轮，62-导向环立柱，63-导向轮，64-导轮座，65-激光器定位梁，66-横梁螺母，67-螺母限位器，68-横梁减速器，69-横梁导向块，70-横梁丝杠电机，71-横梁导向槽，72-横梁机架，73-储丝筒导向柱，74、77-储丝筒，75、76-丝材挡板，78-储丝筒轴，79-传动杆，80-连接杆，81-定位弯块，82-定位螺栓，83-卡环。84-水平伸缩杆，85-连接块，86-激光器，87-调力旋钮，88-激光头，89-垂直伸缩杆，90-十字卡环，91-定位块，92-回转台电机，93-调速器，94-配重块，95-回转台面T型槽，96-回转台面，97-回转台底座，98-转动轴，99-工作台横梁，100-成型台，101-T型定位块，102-卡簧，103-夹紧器底座，104-夹紧块导向槽，105-导向孔，106-夹紧块，107-夹紧面，108-挡片，109-辅助夹紧块通丝孔，110-夹紧轮座，111-夹紧轮导向槽，112-导向孔，113-夹紧轮活动块，114-夹紧轮，115-挡片，116-辅助夹紧轮通丝孔。

具体实施方式

以上为本加工设备的核心部件，其余标准件等常见部件并未列图介绍，下面结合示意图对本发明及适合本发明的加工方法进行介绍。

假设需要丝材激光增材堆叠制造加工，并且先使用M1材料进行加工，然后工序切换，使用M2材料加工，对应图4分线盒三维图，分线盒左侧为M1材料丝材，右侧为M2材料丝材；将成型平台10安装在回转工作台11的T型槽95上；根据工艺需要调节可调节激光器9的角度；将保护气进气口3-1内侧用导管与气体导管32、41相连，外侧与气体源相连，气体循环口3-2与循环气泵相连；最后关闭拉门2和4。

进一步对应于前文介绍，对于分线盒8，无论是辅助夹紧轮61还是辅助夹紧器60，其活动部件（包括夹紧轮活动块113，夹紧块106）均连接在差动丝杠55上，在被电机57带动时，夹紧轮活动块113，夹紧块106便可张开或者闭合，而在使用M1材料丝材加工时，M1材料侧的夹紧轮和夹紧块张开，M2材料侧的夹紧轮夹紧，将M2材料丝材夹紧，并留出10-20mm备用。因此主要步骤如下。

步骤1，控制系统发出工序切换指令，此时激光器86停止工作，转步骤2。

步骤2，控制系统向电机57-1发出指令，M1材料丝材一侧的夹紧轮114在电机57-1的带动下闭合，同时电机118转动，将M1丝材拉回，转步骤3。

步骤3，M2材料丝材一侧电机57-2转动，夹紧轮夹紧M2丝材，夹紧块由电机57-4转动呈展开状态，随后电机118转动，带动M2材料丝材进入进丝口30，随后穿过分线盒，从出丝口37穿出，丝材进入加工区域。

至此，转换工序完成。

如需将材料由M2材料切换回M1材料，步骤大体相同，故不再进行详细介绍，控制系统发出指令后即可自动进行。

加工完成后，成型平台10的台面基板100将与工件结合为一体，此时将其整体取下，取下卡簧102后，便可取下定位块101；因首先使用M1材料丝材加工，台面基板使用M1材料，可将基板按照零件底部轮廓使用线切割进行切割分离，或者将工件整体取下。

由于本设备有双自由度系统5以及摇篮式回转工作台11，本设备可实现多轴加工，因此可以实现复杂模型的丝材激光增材修补，此时可将成型平台10卸下，将工件用夹具直接固定在回转平台96上，向控制系统输入模型数据后，即可根据模型缺损情况开始进行修补加工。

考虑到激光增材制造时的保护气体循环使用问题，保护气首先由保护气输入口3-1输入，输送至导管32、41进入分线盒，与丝材一起从出丝口37进入加工区域；同时，为了实现气体循环使用，减少成本，外壳上设有气体循环口3-2，气泵抽出加工室内部的气体后从循环口3-2输出，经过滤后可以循环使用。

以上加工方法只是为了帮助阐述本发明所述的加工系统，也并没有详细的介绍所有细节，也不限制该发明所述的具体实施方式，显然，本发明还可有许多改动。本发明所述的具体实施方式，只是为了更好的阐述本发明的原理，使本发明所述技术领域技术人员能更好的理解本发明。本发明受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：包括多丝系统、整体式储丝筒、可变角度激光器、设备底座；所述的多丝系统包括承托板、分线盒、导向装置、辅助夹紧轮、辅助夹紧器、分线盒保持架、保护气体接口；所述的整体式储丝筒包括储丝轮、定位弯块、连接杆；所述的多角度激光器包括激光头、姿态调整架；所述的设备底座包括外壳、双自由度系统、摇篮式回转工作台、气体循环接口、成型平台；所述的双自由度系统装在底座上，实现XZ方向成型需求；所述的摇篮式回转工作台也在底座安装，实现Y方向平移与A、B方向旋转；所述的多丝系统与整体式储丝筒相连，安装于双自由度系统上；所述的设备底座还包括半透明材质外壳，提供激光成形所需的密闭环境。

2.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的多丝系统安装在设备的双自由系统的横梁上，承托板上设置有分线盒、导向装置、辅助夹紧轮、辅助夹紧器，丝材经过导向装置，被辅助夹紧轮输送至分线盒中的不同隔仓内，穿过分线盒后即可进入加工区域；保护气体接口使得保护气体可以准确进入对应的隔仓内，保证加工的正常进行。

3.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的整体式储丝筒位于分线盒上方，在不同的辊轮上储存不同的丝材，其上安装的定位弯块可以实现储丝筒的定位，同时将自身重力分担到横梁上，并且可以使储丝筒随多丝系统沿横梁移动；连接杆使储丝筒与多丝系统连为一体，可实现同步移动。

4.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的可变角度激光器安装在多丝系统的承托板上，与多丝系统保持相对静止，同时激光器的位置和角度可以事先调节，满足加工区域内丝材和激光光束的不同相对位置的需要。

5.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的设备底座即设备的整体机构，包括外壳、双自由度系统、摇篮式回转工作台、气体循环接口、成型平台，其中外壳采用半透明材质，配合同样材质的拉门实现封闭结构，外壳上设有气体循环接口，可以收集设备仓内的保护气体，实现循环利用，双自由度系统和摇篮式回转工作台共同实现多轴加工，成型平台安装于摇篮式回转工作台的台面上，允许采用不同材质制作，可用作激光成形的基材。

6.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的分线盒是一钣金结构，由两个舱室组成，两个舱室完全分隔，两种丝材从上端进丝口引入后，穿过分线盒舱室，可由下方出丝口依次送入成型区域；每个舱室上端均配有加工介质注入口，可通入适合不同丝材激光加工的加工保护气体，同时分线盒下部端口保证保护气体能够准确送入加工区域，并与丝材同轴输出，使得加工区域始终处于保护气体氛围中。

7.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的辅助夹紧轮分为底座和活动轮两部分，每个底座上的两个活动轮与丝杠组成差动机构，可相向或相离移动，使两个夹紧轮夹紧或者放开丝材；每个夹紧轮配有单独的电机，可在夹紧轮夹紧丝材后，将丝材输送至分线盒。

8.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的辅助夹紧器分为底座和夹紧块两部分，每个底座上的两个夹紧块与丝杠组成差动机构，可相向或相离移动，使两个夹紧块夹紧或者放开丝材，夹紧块的夹紧部位为一平面，在加紧丝材时不会损伤丝材。

9.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的双自由度系统可使实现成型设备多丝系统的X、Z方向的平移，前述的多丝系统依靠承托板安装在横梁丝杠的螺母上，同时为了分担力矩，立柱上设有与传动丝杠平行的导向槽，与横梁上的导向块配合；同样的，为分担横梁上丝杠螺母的压力，横梁上也设置与传动丝杠平行的导向槽，与丝杠螺母配合；横梁上方安装圆柱形导向杆，用以承受储丝筒重力并为储丝筒移动提供导向。

10.根据权利要求1所述的多轴多材料丝基激光增材制造设备，其特征在于：所述的摇篮式回转工作台安装在设备底座上，可实现加工区域实现Y方向平移与A、B方向旋转，实现多轴加工需求；工作台台面上开有固定用T形槽，可做激光丝材修补时工件的固定点，也可安装成型平台，作为激光丝材制造的基本平面。