CN113020626A - 一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增材‑减材‑超声微锻造‑五轴联动复合制造装备，包括激光粉末3D打印增材装置、超声微锻造处理装置、五轴联动数控减材装置以及温度监测装置。本发明的复合制造装备可以在一次定位的条件下，通过增材装置和五轴联动减材装置的复合制造，最大程度地完成对复杂零件的一次成型和精密减材加工，并通过超声微锻造的辅助功能改善零件内部组织性能和力学性能，同时对加工过程中的温度进行实时监控，通过温度变化及时调整加工工艺，从而保障材料各项性能的均一性。

Description

一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备及其 方法

技术领域

本发明属于增减材复合制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备及其方法。

背景技术

增减材复合制造技术是一种集设计、智能控制、增材制造和减材制造于一体的新型制造技术，广泛应用于航空、航天、国防、武器、人体仿生骨骼等复杂零部件。

与传统增材制造技术相比，增减材复合制造技术在增材制造的过程中引入车削、铣削、磨削等传统切削工艺，实现对复杂零件进行增-减-增-减交替加工，从而对诸如封闭腔体内表面或者加工干涉的零件进行精密加工。此外，使用增减材制造技术加工的零部件，其增材制造和减材制造是在一次装夹定位下完成的，简化加工过程中的工序工步，有效提高了加工效率；一次装夹，位置误差减小，有利于提高表面加工精度和加工形位精度。

虽然，增减材复合制造技术对加工效率和减材加工质量有大幅度的提升，但是，对增材制造过程中材料成型时容易出现内部组织松散、空洞、裂纹等缺陷，以及零件内部残余应力过大等问题没有任何改善。

因此，有必要研发一种制造装备，用以解决现有技术中存在的不足。

发明内容

根据上述提出的增材制造过程中，材料成型时容易出现内部组织松散、空洞、裂纹等缺陷，以及零件内部残余应力过大的技术问题，而提供一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备及其方法。本发明主要将增材装置、减材装置、超声微锻造处理装置集成在一台数控机床上，在一次装夹定位下完成加工制造。

在增材制造的过程中，根据材料需求进行超声微锻造，通过超声微锻造功能改善熔覆层组织的不均匀性，拉伸细化了熔覆层组织中的晶粒，减少了熔覆层组织中的孔洞、裂纹等缺陷，使内部组织更加致密，减少零件内部存在的残余拉应力，提高被加工零件的硬度、强度等力学性能以及抗腐蚀性能；同时通过五轴联动数控切削工艺，对已经被打印锻造的零件进行精加工修整，以保证最终成型的零件的尺寸精度和形位精度。同时，在机床内部安装温度检测装置，可以对加工温度进行实时监测。

本发明采用的技术手段如下：

一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，包括：

机床主体，至少具有工作台加工区、增材制造区、减材制造区和超声微锻造处理区；所述机床主体包括与数控系统连接的床身和主轴，所述主轴沿所述床身的X轴左右移动，沿Y轴前后移动，沿Z轴上下移动；

所述工作台加工区设置在所述床身中部的容纳区Ⅰ内，包括摆动工作台和旋转工作台；

激光粉末3D打印增材装置，设置在所述增材制造区，用于对待制造工件的增材制造，包括设置在主轴立柱下端的激光头和粉末喷头，设置在所述床身一侧容纳区Ⅱ内的激光头库、送粉装置和激光器，其中，所述送粉装置通过送粉管道与粉末喷头相连，所述激光器通过光纤与所述激光头相连；

超声微锻造处理装置，设置在所述超声微锻造处理区，与数控系统连接沿Z轴升降，用于对增材后的工件进行激光加热均匀微锻造，包括设置在所述主轴立柱上的超声波发生器、换能器、变幅杆以及微锻造工具头；

减材装置，设置在所述减材制造区，用于对微锻造处理后的工件减材制造，包括设置在所述床身另一侧容纳区Ⅲ内的刀库和刀具夹持装置，所述数控系统控制所述刀具夹持装置取/放刀具到所述主轴立柱下端安装/拆卸。

进一步地，所述装置还包括温度监测装置，设置在所述床身中部的容纳区Ⅳ内，在其安装范围内上下、左右摆动，对待工件的定位跟踪，用于对加工过程中的温度实时监控。

进一步地，所述激光头和所述粉末喷头为一整体装置，使用过程中与所述刀具在主轴置换，通过数控系统实现在主轴上的安装/拆卸。

进一步地，所述摆动工作台可绕X轴在和旋转工作台-120°～120°之间旋转；所述旋转工作台可绕Y轴在0～360°之间旋转。

进一步地，所述超声微锻造处理装置工作时，超声波发生器产生一个设定的频率信号，通过换能器磁致伸缩或电致伸缩在空气中产生高频振动，通过变幅杆改变振幅，带动微锻造工具头对工件表面实施高频微锻造。

进一步地，所述粉末喷头的一侧还与保护气管道相连。

本发明还公开了一种使用上述增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备制造工件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待制造工件的模型数据输入到数控系统中，对待制造工件从下至上进行加工区域划分，采用层层增材制造工艺；

S2、通过数控系统控制激光头库将激光头安装到主轴上，再通过数控系统控制送粉装置进行输送粉末和输送保护气，同时控制激光器通过光纤传输到激光头；

S3、通过主轴在床身的X轴和Y轴的移动带动激光头通过粉末喷头向旋转工作台上喷洒金属粉末，同时与激光头射出激光相互作用熔化粉末，在工作台上形成工件的基础形状，经过若干次增材，将工件一层一层地制造成形；

S4、完成部分增材工件后，再用激光头发射激光对增材完成的这部分工件进行均匀加热处理；再根据工件的基础结构在对其增高的部分通过超声微锻造处理装置进行超声微锻造处理，经过升降超声微锻造处理装置的微锻造工具头和摆动工作台及旋转工作台的A、B轴的协同转动，实现对激光加热后增材工件的均匀微锻造；

S5、微锻造完成之后，通过数控系统控制激光头夹持装置自动拆激光头，控制刀具夹持装置在主轴上自动安装所需的刀具，接下来对微锻造完的工件按照工件精度加工要求进行减材加工，通过摆动工作台的摆动、旋转工作台的旋转以及主轴沿X轴、Y轴和Z轴的移动实现五轴联合运动；

S6、重复步骤S3至S5直至加工完成，数控系统控制刀具夹持装置和激光头分别将刀具放回刀库和激光头库，完成增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造。

进一步地，加工的整个过程使用温度监测装置进行温度的实时监控。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，包括激光粉末3D打印增材装置、超声微锻造处理装置、五轴联动数控减材装置以及温度检测装置。其中，五轴联动是指在加工过程中，机床主体中的主轴可沿床身的X轴、Y轴和Z轴左右、前后、上下的移动，以及通过摆动工作台的摆动(A轴)、旋转工作台的旋转(B轴)实现五轴联合运动，即X/Y轴运动机构、A/B两轴变位机构和Z轴运动机构组成，与数控系统连接控制各装置对工件表面加工。另外，本发明采用的激光粉末3D打印增材装置，具有自由度高、容易实现自动化、打印精度高等优点，同时打印过程中熔池惰性气体保护效果好，熔池小、粉末受热均匀、熔覆层抗裂性好。

本发明在一次定位的条件下，通过增材-减材-超声微锻造-五轴联动的复合制造，最大程度地完成对复杂零件的一次成型和精密减材加工，在加工过程中通过超声微锻造的辅助功能改善零件内部组织性能和力学性能，同时对加工过程中的温度进行实时监控，通过温度变化及时调整加工工艺，从而保障材料各项性能的均一性。

基于上述理由本发明可在增减材复合制造领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备的结构示意图。

图中：1、床身；2、摆动工作台；3、旋转工作台；4-1、激光头；4-2、激光头库；4-3、粉末喷头；4-4、激光器；4-5、送粉装置；4-6、送粉管道；4-7、光纤；5-1、刀库；5-2、刀具夹持装置；6-1、超声波发声器；6-2、换能器；6-3、变幅杆；6-4、微锻造工具头；7、数控系统；8、主轴；9、温度监测装置；10、保护气管道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，机床主体，至少具有工作台加工区、增材制造区、减材制造区和超声微锻造处理区；所述机床主体包括与数控系统连接的床身1和主轴8，从图中可以看出，本发明的五轴联动复合制造装备是在上述的机床主体上高度集成各个加工设备，使其在一次定位的基础上，避免了现有技术中的多次定位加工的弊端，对待制造工件进行加工，具体地，下述布局仅为本发明的一个具体实施例：

所述工作台加工区设置在所述床身1中部的容纳区Ⅰ内，包括摆动工作台2和旋转工作台3，所述旋转工作台3安装于摆动工作台2的中间部位；所述摆动工作台2可绕X轴在和旋转工作台-120°～120°之间旋转，实现五轴联动机床的A轴转动；所述旋转工作台3可绕Y轴在0～360°之间旋转，实现轴联动机床的B轴转动。所述主轴8沿所述床身1的X轴左右移动，沿Y轴前后移动，沿Z轴上下移动，即X/Y轴运动机构、A/B两轴变位机构和Z轴运动机构，因而称之为五轴联动加工。

数控系统7可控制主轴8、激光粉末3D打印增材装置、减材装置、超声微锻造处理装置和温度监测装置9。

激光粉末3D打印增材装置，设置在所述增材制造区，用于对待制造工件的增材制造，包括设置在主轴8立柱下端的激光头4-1和粉末喷头4-3，设置在所述床身1一侧容纳区Ⅱ内的激光头库4-2、送粉装置4-5和激光器4-4，其中，所述送粉装置4-5通过送粉管道4-6与粉末喷头4-3相连，所述激光器4-4通过光纤4-7与所述激光头4-1相连；所述粉末喷头4-3为同轴送粉喷头，所述激光头4-1、所述粉末喷头4-3和保护气管道10为一整体装置，使用过程中，所述激光头库4-2由数控系统7控制，实现对同轴送粉增材系统在主轴8上的自动安装/拆卸；在减材加工时，与所述刀具在主轴8置换。

超声微锻造处理装置，设置在所述超声微锻造处理区，与数控系统7连接沿Z轴升降，用于对增材后的工件进行激光加热均匀微锻造，包括设置在所述主轴8立柱上的超声波发生器6-1、换能器6-2、变幅杆6-3以及微锻造工具头6-4；所述超声微锻造处理装置工作时，超声波发生器6-1产生一个设定的频率信号，通过换能器6-2磁致伸缩或电致伸缩在空气中产生高频振动，通过变幅杆6-3改变振幅，带动微锻造工具头6-4对工件表面实施高频微锻造。

减材装置，设置在所述减材制造区，用于对微锻造处理后的工件减材制造，包括设置在所述床身1另一侧容纳区Ⅲ内的刀库5-1和刀具夹持装置5-2，所述数控系统7控制所述刀具夹持装置5-2取/放刀具到所述主轴8立柱下端安装/拆卸。在减材加工中，可以通过摆动工作台2绕X轴旋转，旋转工作台3绕Y轴旋转，主轴8沿着X轴左右移动，沿Y轴前后移动，沿Z轴上下移动，从而实现五轴联动减材加工。

还包括温度监测装置9由数控系统7控制，设置在所述床身1中部的容纳区Ⅳ内，在其安装范围内上下、左右摆动，对装夹在旋转工作台3上的工件进行定位跟踪，从而实现对加工过程中的温度实时监控。

本发明还公开了一种使用上述增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备制造工件的方法，具体如下：

首先，将要制造的工件模型输入到数控系统7中，将要加工的工件从下至上划分为几个部分，对工件层层增材制造。根据实际工件结构进行部分增材制造，通过数控系统7控制激光头库4-2将激光头4-1自动安装在主轴8上，再通过数控系统7控制送粉装置4-5进行粉末输送和保护气，同时控制激光器4-4通过光纤4-7传输到激光头4-1，主轴8的X轴和Y轴的移动带动激光头4-1通过粉末喷头4-3向旋转工作台3上喷洒金属粉末，同时与激光头4-1射出激光相互作用熔化粉末，在工作台上形成工件的基础形状，通过设计的若干次增材，制造的工件一层一层地成形；

增材完当前计划的工件的一部分后，再用激光头4-1发射激光对增材完的这部分工件进行均匀加热处理；再根据工件的基础结构在对其增高的部分通过超声微锻造处理装置进行超声微锻造处理，经过升降超声微锻造处理装置的微锻造工具头6-4和工作台的A、B轴的协同转动，实现对激光加热后增材工件的均匀微锻造，结束增材工件那部分和对其微锻造完成之后，通过数控系统7控制激光头库4-2自动拆激光头4-1；

接下来对微锻造完的工件进行减材加工，通过数控系统7控制刀具夹持装置5-2在主轴8上自动安装所需的刀具，通过摆动工作台2的摆动、旋转工作台3的旋转以及主轴8沿X轴、Y轴和Z轴的移动实现五轴联合运动，即在摆动工作台2上按照工件精度加工要求对增材制造的部分工件进行五轴联动减材加工。

经过若干次增材、微锻造和减材联合制造加工，最终完成对实际工件地制造。加工的整个过程使用温度监测装置9进行温度的实时监控。加工完成之后，数控系统7控制刀具夹持装置5-2和激光头4-1分别将刀具放回刀库5-1和激光头库4-2，完成增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，包括：

机床主体，至少具有工作台加工区、增材制造区、减材制造区和超声微锻造处理区；所述机床主体包括与数控系统连接的床身和主轴，所述主轴沿所述床身的X轴左右移动，沿Y轴前后移动，沿Z轴上下移动；

所述工作台加工区设置在所述床身中部的容纳区Ⅰ内，包括摆动工作台和旋转工作台；

激光粉末3D打印增材装置，设置在所述增材制造区，用于对待制造工件的增材制造，包括设置在主轴立柱下端的激光头和粉末喷头，设置在所述床身一侧容纳区Ⅱ内的激光头库、送粉装置和激光器，其中，所述送粉装置通过送粉管道与粉末喷头相连，所述激光器通过光纤与所述激光头相连；

超声微锻造处理装置，设置在所述超声微锻造处理区，与数控系统连接沿Z轴升降，用于对增材后的工件进行激光加热均匀微锻造，包括设置在所述主轴立柱上的超声波发生器、换能器、变幅杆以及微锻造工具头；

减材装置，设置在所述减材制造区，用于对微锻造处理后的工件减材制造，包括设置在所述床身另一侧容纳区Ⅲ内的刀库和刀具夹持装置，所述数控系统控制所述刀具夹持装置取/放刀具到所述主轴立柱下端安装/拆卸。

2.根据权利要求1所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，所述装置还包括温度监测装置，设置在所述床身中部的容纳区Ⅳ内，在其安装范围内上下、左右摆动，对待工件的定位跟踪，用于对加工过程中的温度实时监控。

3.根据权利要求1所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，所述激光头和所述粉末喷头为一整体装置，使用过程中与所述刀具在主轴置换，通过数控系统实现在主轴上的安装/拆卸。

4.根据权利要求1所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，所述摆动工作台可绕X轴在和旋转工作台-120°～120°之间旋转；所述旋转工作台可绕Y轴在0～360°之间旋转。

5.根据权利要求1所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，所述超声微锻造处理装置工作时，超声波发生器产生一个设定的频率信号，通过换能器磁致伸缩或电致伸缩在空气中产生高频振动，通过变幅杆改变振幅，带动微锻造工具头对工件表面实施高频微锻造。

6.根据权利要求1所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备，其特征在于，所述粉末喷头的一侧还与保护气管道相连。

7.一种使用权利要求1-6任意一项权利要求所述的增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造装备制造工件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待制造工件的模型数据输入到数控系统中，对待制造工件从下至上进行加工区域划分，采用层层增材制造工艺；

S2、通过数控系统控制激光头库将激光头安装到主轴上，再通过数控系统控制送粉装置进行输送粉末和输送保护气，同时控制激光器通过光纤传输到激光头；

S3、通过主轴在床身的X轴和Y轴的移动带动激光头通过粉末喷头向旋转工作台上喷洒金属粉末，同时与激光头射出激光相互作用熔化粉末，在工作台上形成工件的基础形状，经过若干次增材，将工件一层一层地制造成形；

S4、完成部分增材工件后，再用激光头发射激光对增材完成的这部分工件进行均匀加热处理；再根据工件的基础结构在对其增高的部分通过超声微锻造处理装置进行超声微锻造处理，经过升降超声微锻造处理装置的微锻造工具头和摆动工作台及旋转工作台的A、B轴的协同转动，实现对激光加热后增材工件的均匀微锻造；

S5、微锻造完成之后，通过数控系统控制激光头夹持装置自动拆激光头，控制刀具夹持装置在主轴上自动安装所需的刀具，接下来对微锻造完的工件按照工件精度加工要求进行减材加工，通过摆动工作台的摆动、旋转工作台的旋转以及主轴沿X轴、Y轴和Z轴的移动实现五轴联合运动；

S6、重复步骤S3至S5直至加工完成，数控系统控制刀具夹持装置和激光头分别将刀具放回刀库和激光头库，完成增材-减材-超声微锻造-五轴联动复合制造。

8.根据权利要求7所述的制造工件的方法，其特征在于，加工的整个过程使用温度监测装置进行温度的实时监控。

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