CN113275896A - 一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置及方法，包括：架体、激光头、送丝组件和铣刀，其中，所述激光头相对的两个侧面设置所述架体和所述送丝组件，所述送丝组件与所述激光头可拆卸连接，并用于在激光的辅助下对待加工工件进行增材制造；所述架体靠近所述待加工工件的一端设置铣刀，所述铣刀用于对所述待加工工件进行铣削减材。本发明能简便、高效地实现不同直径焊丝的激光辅助增材制造，易于实现对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广，提高了生产效率，也降低了制造成本。

Description

一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置及方法

技术领域

本发明涉及金属零件增减材制造技术领域，具体而言，涉及一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置及方法。

背景技术

增材制造技术是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。与传统制造技术相比，增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航空航天、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。

随着智能装备对零件成形精度的进一步提高，仅仅利用增材制造方法制造的零部件并不能满足产品设计精度的要求，仍需利用传统减材方法进一步加工。将增材制造技术和传统减材技术相结合而提出的激光辅助增减材复合制造技术已然成为行业研究和产品研发的热点。激光辅助增减材复合制造技术，不仅能够保证成形零件的表面粗糙度和成形精度，也极大地提高了制造效率和加工质量。

然而目前激光辅助增减材复合制造技术中，主要以激光、电子束为热源，金属粉末为原料进行增材制造，该方法对粉末尺寸和形状要求较高，且粉料制备耗时耗材，废品率高。虽然目前也有以激光、电弧等为热源，金属焊丝为原料的增材制造方法，但该方法的送丝机构只能输送固定粗细的焊丝，对于加工效率和加工精度要求不同时，就需要不同尺寸的焊丝，而为了输送不同尺寸的焊丝，往往需要更换焊丝输送装置，甚至是将整个装置更换，导致生产成本较高，生产效率较低的问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有的激光辅助增减材复合制造设备在更换不同尺寸的焊丝时，生产成本较高，生产效率较低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，包括：架体、激光头、送丝组件和铣刀，其中，

所述激光头相对的两个侧面设置所述架体和所述送丝组件，所述送丝组件与所述激光头可拆卸连接，并用于在激光的辅助下对待加工工件进行增材制造；

所述架体靠近所述待加工工件的一端设置铣刀，所述铣刀用于对所述待加工工件进行铣削减材。

优选地，所述架体包括支座和支架，所述支架垂直设置在所述支座上；

所述激光头相对的两个侧面设置所述支架和所述送丝组件，所述激光头用于发出激光束；

所述送丝组件包括送丝管和送丝管座，所述送丝管的管口朝向所述激光束的焦点设置，并用于将焊丝送至所述激光束的焦点处，所述送丝管座与所述激光头可拆卸连接，并用于固定所述送丝管；

所述铣刀的中轴线和所述激光头的中轴线平行。

优选地，所述送丝管座包括安装板和固定管，所述固定管的内部中空，用于容纳所述送丝管，所述安装板的中部开设有调节孔；

所述激光头上设有用于固定所述安装板的固定座，所述固定座的中间开设有用于容纳所述安装板的容纳槽，螺栓穿过所述固定座与所述调节孔，用于固定所述固定座和所述安装板，并调节所述送丝管和所述激光头的相对位置和角度。

优选地，所述送丝管靠近管口的一端设置成弯曲段，所述送丝管远离管口的一端设置成直管段；

所述送丝组件还包括焊丝预弯组件，所述焊丝预弯组件设置在所述固定管和所述送丝管的弯曲段之间，用于焊丝的弯曲变形。

优选地，所述焊丝预弯组件包括壳体以及设置在所述壳体内的诱导轮和弯丝轮组，其中，

所述壳体一端与所述送丝管的直管段连接，所述壳体的另一端与所述送丝管的弯曲段连接；

所述弯丝轮组包括第一弯丝轮和第二弯丝轮，所述第一弯丝轮和所述第二弯丝轮相对设置在所述焊丝的两侧，且所述第一弯丝轮的直径大于所述第二弯丝轮的直径，用于在所述焊丝的带动下挤压所述焊丝，使所述焊丝朝一侧弯曲变形；

两个所述诱导轮均设置在所述第一弯丝轮的同侧，且两个所述诱导轮分别设置在靠近所述焊丝的入口处和所述焊丝的出口处，用于输送所述焊丝。

优选地，所述激光头和所述支架滑动设置，以调节所述激光头相对所述支架沿竖直方向运动；

所述支座和所述支架滑动设置，以调节所述支座与所述激光头的间距；

所述激光头和所述支架，以及所述支座和所述支架的连接处均设置有至少一组锁紧组件。

优选地，所述激光头和所述支架，以及所述支座和所述支架的连接处均开设有适于容纳所述锁紧组件的凹槽；

所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，所述支架上开设所述第一凹槽，所述激光头和所述支座上开设两个对称设置的所述第二凹槽；

所述第一凹槽和所述两个所述第二凹槽连通配合形成所述凹槽。

优选地，每组所述锁紧组件均包括锁紧杆和两个锁紧块，两个所述锁紧块对称设置在所述凹槽内，且每个所述锁紧块一端设置在所述第一凹槽内，每个所述锁紧块另一端设置在所述第二凹槽内；

所述锁紧杆穿过设置在所述第一凹槽部分的两个所述锁紧块并穿设于所述支架中，用于调节两个所述锁紧块相向运动。

优选地，所述支架上还设置有吸尘管组件，所述吸尘管组件包括吸尘管和吸尘管座，所述吸尘管的管口朝向所述铣刀设置，所述吸尘管的管尾与工业吸尘器相连，且所述吸尘管的管尾的直径大于所述吸尘管的管口的直径，所述吸尘管座用于固定所述吸尘管；

所述支架远离所述铣刀的一侧还设置有适于与机械手连接的连接座。

与现有技术相比，本发明所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，将激光辅助增材制造设备和铣削减材设备融合成一体，可实现对大型零件或模具的现场加工或修复，极大地提高了制造效率，节省了加工成本；该装置在激光头的侧面设置送丝组件，送丝组件与激光头可拆卸连接，与现有技术中的将送丝组件固定设置在激光头下方，只能输送固定尺寸的焊丝相比，该装置在输送不同尺寸的焊丝时，无需更换整个激光头，只需更换不同尺寸的送丝组件，便能简便、高效地实现不同直径焊丝的激光辅助增材制造，易于实现对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广，提高了生产效率，也降低了制造成本。

本发明还提供了一种铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，基于如上任一项所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动铣刀对所述待加工工件的表面进行铣削减材，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头使激光焦点照射所述待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动所述送丝组件使焊丝均匀送至所述熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复步骤S2至步骤S3，或者重复步骤S1至步骤S3，直至得到预定的工件，对所述预定的工件进行精加工，得到工件。

与现有技术相比，本发明所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，在增材制造的过程中，能够更换不同直径的焊丝，易于实现对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广；此外，在增材制造之前对待加工工件的表面进行铣削加工，一方面，能清除待加工工件表面的缺陷、氧化物以及污渍等，能有效改善增材制造层的宏微观成形，避免形成裂纹、夹杂等缺陷，有利于提高增材制造层质量；另一方面，铣削刀具在铣削加工的过程中将机械能转换成金属内能，能起到对待增材制造区域的预热处理作用，有利于优化增材制造金属原料的热循环曲线，细化晶粒，抑制增材制造层裂纹的形成；本发明所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，尤其适用于对冲压模具中凸模和冲头等易损关键零部件的现场精密高效修复，该复合加工方法在保证了加工精度和质量的前提下，也降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工装置的主视示意图；

图2为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工装置的后视示意图；

图3为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工装置中的焊丝预弯组件的局部剖视图；

图4为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工装置的局部剖视图；

图5为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工方法的工艺流程图；

图6为本发明实施例中铣削减材和激光辅助增材复合加工装置的局部示意图。

附图标记说明：

1-架体；2-激光头；3-送丝组件；4-铣刀；5-锁紧组件；6-凹槽；7-吸尘管组件；8-驱动电机；9-机械手；

11-支座；12-支架；21-固定座；31-送丝管；32-送丝管座；33-焊丝预弯组件；51-锁紧杆；52-锁紧块；61-第一凹槽；62-第二凹槽；71-吸尘管；72-吸尘管座；81-步进电机；82-传动箱；

321-安装板；322-固定管；331-壳体；332-弯丝轮组；333-诱导轮；

3321-第一弯丝轮；3322-第二弯丝轮。

具体实施方式

目前激光辅助增减材复合制造技术中，主要以激光、电子束为热源，金属粉末为原料进行增材制造，该方法对粉末尺寸和形状要求较高，且粉料制备耗时耗材，废品率高。虽然也有以激光、电弧等为热源，金属焊丝为原料的增材制造方法，但该方法的送丝机构只能输送固定粗细的焊丝，而固定粗细的焊丝的增材制造效率和加工精度都是在一定的范围内，难以满足增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围较窄。一般情况下，若要更换不同尺寸的焊丝，往往需要更换焊丝输送装置，甚至将整个激光辅助增减材复合制造装置更换，由此就导致了生产成本较高，且生产效率较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了铣削减材和激光辅助增材复合加工装置及方法，该装置便于更换不同尺寸的送丝管，可用于不同直径焊丝的激光辅助增材制造，能满足对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广。本发明的实施例提供的方法，不仅易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，也能满足对增材制造效率和加工精度的不同要求，提高了生产效率，也降低了制造成本。

下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，术语“一些优选实施例中”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个优选实施例或优选示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

结合图1所示，本发明的实施例提供了一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，包括：架体1、激光头2、送丝组件3和铣刀4，其中，

激光头2相对的两个侧面设置架体1和送丝组件3，送丝组件3与激光头2可拆卸连接，并用于在激光的辅助下对待加工工件进行增材制造；

架体1靠近待加工工件的一端设置铣刀4，铣刀4用于对待加工工件进行铣削减材。

本实施例提供的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，将激光辅助增材制造设备和铣削减材设备融合成一体，可实现对大型零件或模具的现场加工或修复，极大地提高了制造效率，节省了加工成本；该装置在激光头的侧面设置送丝组件，送丝组件与激光头可拆卸连接，与现有技术中的将送丝组件固定设置在激光头下方，只能输送固定尺寸的焊丝相比，该装置在输送不同尺寸的焊丝时，无需更换整个激光头，只需更换不同尺寸的送丝组件，便能简便、高效地实现不同直径焊丝的激光辅助增材制造，易于实现对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广，也提高了生产效率，降低了制造成本。

在一些优选实施例中，架体1包括支座11和支架12，支架12垂直设置在支座11上；

激光头2相对的两个侧面设置支架12和送丝组件3，激光头2用于发出激光束；

送丝组件3包括送丝管31和送丝管座32，送丝管31的管口朝向激光束的焦点设置，并用于将焊丝送至激光束的焦点处，送丝管座32与激光头2可拆卸连接，并用于固定送丝管31；

铣刀4的中轴线和激光头2的中轴线平行。

在一些优选实施例中，送丝管座32包括安装板321和固定管322，固定管322的内部中空，用于容纳送丝管31，安装板321的中部开设有调节孔；激光头2上设有用于固定安装板321的固定座21，固定座21的中间开设有用于容纳安装板321的容纳槽，螺栓穿过固定座21与调节孔，用于固定固定座21和安装板321，并调节送丝管31和激光头2的相对位置和角度。由此，中部开设有调节孔的安装板321能够在容纳槽内运动，从而靠近或远离激光头2，可调节送丝管31和激光头2之间的位置关系，并且通过调节螺栓的松紧度，能够调节送丝管31和激光头2之间的角度，从而能调节送丝的位置和姿态，适用范围更广泛。

更优选地，固定座21远离激光头2的一侧开设有用于安装螺栓的螺孔，螺栓穿过螺孔和调节孔，将固定座21和安装板321固定，并能够通过调节孔调节送丝管31和激光头2的相对位置和角度。

在一些优选实施例中，送丝管31靠近管口的一端设置成弯曲段，送丝管31远离管口的一端设置成直管段。由此，一方面，能保证焊丝以接近水平的角度送入激光束形成的熔池内，从而能保证焊丝形成的熔滴过渡较稳定，形成的增材制造层内部缺陷较少，增材制造层的质量更好；另一方面，也避免了直管送丝管占用空间较大，在狭小工作环境中无法灵活使用的缺陷。

在一些优选实施例中，送丝组件3还包括焊丝预弯组件33，焊丝预弯组件33设置在固定管21和送丝管31的弯曲段之间，用于焊丝的弯曲变形。由此，不仅能保证从送丝管31管口出来的焊丝依然保持弯曲状态，也能保证焊丝被顺畅、稳定的送出管口，还能避免焊丝和送丝管内壁被磨损，增大了摩擦阻力，导致焊丝堵塞在送丝管31内而无法送出。

结合图3所示，在一些优选实施例中，焊丝预弯组件33包括壳体331以及设置在壳体331内的诱导轮333和弯丝轮组332，其中，

壳体331一端与送丝管31的直管段连接，壳体331另一端与送丝管31的弯曲段连接；

弯丝轮组332包括第一弯丝轮3321和第二弯丝轮3322，第一弯丝轮3321和第二弯丝轮3322相对设置在焊丝的两侧，且第一弯丝轮3321的直径大于第二弯丝轮3322的直径，用于在焊丝的带动下挤压焊丝，使焊丝朝一侧弯曲变形；

两个诱导轮333均设置在第一弯丝轮3321的同侧，且两个诱导轮333分别设置在靠近焊丝的入口处和靠近焊丝的出口处，用于输送焊丝。

由此，能保证从焊丝预弯组件33中输出的焊丝保持弯曲状态，且弯曲程度与送丝管的弯曲段相近，从而能保证焊丝在弯曲段较顺畅、稳定的输送，也减小了焊丝和送丝管31内壁的摩擦阻力。

在一些优选实施例中，靠近焊丝出口处的壳体331内壁的两侧均设置有倒角，由此，能减小焊丝和壳体331内壁之间的摩擦阻力，保证焊丝输送的更顺畅。

在一些优选实施例中，第一弯丝轮3321、第二弯丝轮3322和诱导轮333的中心均设置有安装轴，安装轴分别穿过第一弯丝轮3321、第二弯丝轮3322和诱导轮333，且安装轴的两端分别与壳体331内壁可拆卸连接。由此，一方面通过安装轴固定第一弯丝轮3321、第二弯丝轮3322和诱导轮333，另一方面，可以通过更换不同直径的第一弯丝轮3321和第二弯丝轮3322实现对不同直径焊丝的预弯曲。

在一些优选实施例中，激光头2和支架12滑动设置，以调节激光头2相对支架12沿竖直方向运动。由此，能够调节激光头2与铣刀4之间的竖直距离，以满足对铣削深度和激光焦距的不同要求，有利于提高加工精度，并能够适应不同的加工环境。

在一些优选实施例中，支座11和支架12滑动设置，以调节支座11与激光头2的间距。由此，能够调节激光头2与铣刀4之间的水平距离，以满足对铣削深度和激光焦距的不同要求，有利于提高加工精度，并能够适应不同的加工环境。

需要说明的是，本发明对激光头2和支架12、支座11和支架12实现滑动连接的具体方式不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能实现激光头2和支架12、支座11和支架12滑动连接即可，例如：可以通过滑轨和滑块，或者齿形导轨和齿轮实现滑动连接。

在一些优选实施例中，激光头2和支架12、支座11和支架12的连接处均设置有至少一组锁紧组件5。由此，在调整好竖直距离和水平距离之后，锁紧激光头2和支架12，以及支座11和支架12，能避免激光头2和支架12，以及支座11和支架12发生相对滑动，影响加工精度。

为了更好地锁紧激光头2和支架12以及支座11和支架12，保持增减材复合加工过程中的稳定性，并进一步保证加工精度，激光头2和支架12的连接处以及支座11和支架12的连接处均设置有两组锁紧组件5。

需要说明的是，激光头2和支架12的连接处的锁紧组件5与支座11和支架12的连接处的锁紧组件5相同，也采用相同的方式设置在激光头2和支架12的连接处，以及支座11和支架12的连接处。

以下结合图4对锁紧组件5在激光头2和支架12的连接处的设置，以及支座11和支架12的设置进行示例性地说明。

如图4所示，支座11和支架12的连接处开设有适于容纳锁紧组件5的凹槽6，凹槽6包括第一凹槽61和第二凹槽62，支架12上开设第一凹槽61，支座11上开设两个对称设置的第二凹槽62，第一凹槽61和两个第二凹槽62连通配合形成凹槽6，凹槽6的截面形状类似于倒“凹”字形。

每组锁紧组件5均包括锁紧杆51和两个锁紧块52，两个锁紧块52对称设置在凹槽6内，且每个锁紧块52一端设置在第一凹槽61内，每个锁紧块52另一端设置在第二凹槽62内；

锁紧杆穿过设置在第一凹槽61部分的两个锁紧块52并穿设于支架12中，用于调节两个锁紧块52相向运动。

在一些优选实施例中，锁紧杆51与锁紧块52螺纹连接，以调整两个锁紧块52相向运动。具体地，锁紧杆51和锁紧块52螺纹连接，两个锁紧块52的螺纹方向相反，从而实现在旋转锁紧杆51的时候，使两个锁紧块52相向运动，更好地进行锁紧。

由此，通过设置相配合的锁紧块52和凹槽6，并通过旋转锁紧杆51带动相对设置的两个锁紧块52相向运动，使两个锁紧块52在凹槽6内运动，当两个锁紧块52与凹槽6的两侧抵接时，支座11和支架12锁紧而无法相对滑动，能够避免在加工过程中，支座11和支架12之间发生相对滑动，影响加工质量。

在一些优选实施例中，锁紧块52的截面形状呈“L”形，且锁紧块52宽度较大的一侧设置在第二凹槽62内，第二凹槽62的形状与锁紧块52的形状相匹配。由此，通过设置截面形状呈“L”形的锁紧块52，以更好地锁紧激光头2和支架12以及支座11和支架12。

在一些优选实施例中，支架12上还设置有吸尘管组件7，吸尘管组件7包括吸尘管71，吸尘管71的管口朝向铣刀4设置，吸尘管71的管尾与工业吸尘器相连。由此，在铣削减材的过程中，打开工业吸尘器，能及时吸除碎屑，清洁加工表面，能够有效避免氧化严重的碎屑重新进入熔池而形成裂纹，同时也避免了碎屑搅入铣刀4与金属间缝隙而影响减材加工过程，有利于延长铣刀的工作寿命。

更优选地，吸尘管71的管尾的直径大于吸尘管71的管口直径，由此，能使碎屑顺利向工业吸尘器中输送，避免碎屑堵塞吸尘管。

为了便于固定吸尘管71，防止吸尘管71的位置偏移，在一些优选实施例中，吸尘管组件7还包括吸尘管座72，吸尘管71可拆卸的设置在吸尘管座72上。

在一些优选实施例中，支座11上还设置有两个调节钮，两个调节钮均设置在与吸尘管组件7相对的侧面上，以便于调节激光头2相对支架12沿竖直方向的距离以及支座11与激光头2的间距。

在一些优选实施例中，该装置还包括驱动电机8，驱动电机8的输出转轴与铣刀4连接，以驱动铣刀4铣削加工。

需要说明的是，本实施例中对驱动电机8不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要驱动电机8能驱动铣刀4铣削加工即可。在一些优选实施例中，驱动电机8包括步进电机81和传动箱82，其中，步进电机81与支架12平行设置，传动箱82设置在支座11和铣刀4之间，且传动箱82的输出转轴与铣刀4连接，步进电机81驱动传动箱82的输出转轴转动，从而驱动铣刀4转动。

更优选地，铣刀4与传动箱82可拆卸连接，以便于在铣刀4损坏时更换铣刀4或者更换铣刀4的种类。

在一些优选实施例中，支座11远离铣刀4的一侧还设置有适于与机械手9连接的连接座。由此，将该装置安装在机械手9上，并利用机械手9响应迅速，灵活度高的优势，快速对待加工工件进行激光增材和机械减材，且该装置仅需与单个机械手9配合使用，就可以对待加工工件进行加工，进一步降低了设备的制造成本，也避免了多个工业机器手难以协调配合的问题。

结合图5所示，本发明的实施例还提供了一种铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，基于上述铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动铣刀4对待加工工件的表面进行铣削减材，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头2使激光焦点O照射待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝组件3使焊丝均匀送至熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复步骤S2至步骤S3，或者重复步骤S1至步骤S3，直至得到预定的工件，对预定的工件进行精加工，得到工件。

本实施例提供的铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，在增材制造的过程中，能够更换不同直径的焊丝，易于实现对增材制造效率和加工精度的不同要求，适用范围更广；此外，在增材制造之前对待加工工件的表面进行铣削加工，一方面，能清除待加工工件表面的缺陷、氧化物以及污渍等，能有效改善增材制造层的宏微观成形，避免形成裂纹、夹杂等缺陷，有利于提高增材制造层质量(例如：提高增材制造层的致密度、塑韧性和硬度水平等)；另一方面，铣削刀具在铣削加工的过程中将机械能转换成金属内能，能起到对待增材制造区域的预热处理作用，有利于优化增材制造金属原料的热循环曲线，细化晶粒，抑制增材制造层裂纹的形成。本实施例提供的铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，尤其适用于对冲压模具中凸模和冲头等易损关键零部件的现场精密高效修复，该复合加工方法在保证了加工精度和质量的前提下，也降低了制造成本。

本实施例中，步骤S1中待加工工件的加工参数包括：铣刀4加工参数、激光参数、铣刀4与激光头2之间的相对位置参数、送丝参数，以及确定焊丝的化学成分，从而及时向送丝机中加入合适的焊丝，以使送丝管31向待加工工件已铣削加工区域的熔池送入合适的焊丝。

为了更详细的阐述待加工工件的加工参数，结合图6对待加工工件的加工参数进行说明，其中：

铣刀4加工参数包括铣刀4进给速度V₁、铣刀4转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管底部与待加工工件表面的高度H₂；

激光参数包括激光焦点O和待加工工件表面距离H₃、激光功率、激光移动速度，且激光移动速度与铣刀的进给速度V₁相等；

铣刀4和激光头2之间的相对位置参数包括铣刀4与激光焦点O的水平距离L₁；

送丝参数包括焊丝干伸长L₂、送丝速率和焊丝的截面直径。

需要说明的是，本领域的技术人员可以根据铣削表面粗糙度、激光熔池前部预热温度、激光移动速度、铣刀4刚度、待加工工件的硬度等因素确定铣刀4进给速度V₁和铣刀4转速V₂；根据铣削表面粗糙度、激光熔池前部预热温度、铣刀4刚度、待加工工件的硬度、氧化物层的深度和激光辅助增材单层金属的厚度等因素确定铣削深度H₁；根据铣削碎屑最大直径确定吸尘管71底部与待加工工件表面的高度H₂，以防止碎屑残留于吸尘管71下方的空隙；根据激光熔池宽度、激光熔池前部预热温度、增材金属熔点、增材金属微观组织等因素确定激光焦点O和待加工工件表面的距离H₃、激光功率；根据激光熔池前部预热温度、以及由激光头2、支座11和传动箱82尺寸和装置结构共同导致的极限位置确定铣刀4与激光焦点O的水平距离L₁；根据焊丝化学成分、焊丝硬度、激光功率、激光移动速度确定焊丝干伸长L₂。本发明的实施例对铣刀4进给速度V₁、铣刀4转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管底部与待加工工件表面的高度H₂、激光焦点O和待加工工件表面的距离H₃、激光功率、铣刀4与激光焦点O的水平距离L₁、焊丝干伸长L₂，以及送丝速率和焊丝的截面直径的具体数值不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况确定，例如：铣刀4进给速度V₁可以为0.05-1mm/s，铣刀4转速V₂可以为50-3000rpm，铣削深度H₁可以为0.1-1mm，吸尘管底部与待加工工件表面的高度H₂可以为0.2-2mm，激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂可以为0-5mm，激光功率可以为200-2000W，激光移动速度与铣刀的进给速度V₁相等，铣刀4与激光焦点O的水平距离L₁可以为30-150mm，焊丝干伸长L₂可以为5-15mm，送丝速率可以为0.1-100mm/s，焊丝的截面直径可以为0.2-1.5mm。

本实施例中，步骤S2中启动铣刀4之前还包括：

设定好待加工工件的加工参数后，拧紧锁紧组件5，使激光头2和支架12以及支座11和支架12锁紧，以避免在铣削减材和激光辅助增材复合加工的过程中，激光头2和支架12、支座11和支架12之间发生相对滑动，影响加工精度；

以及，将送丝管31的管口朝向激光束的焦点设置，以保证焊丝能送至激光束的焦点处。

本实施例中，步骤S2中在启动铣刀4的同时还包括：打开工业吸尘器，使吸尘管71及时吸除铣削加工过程中的碎屑，避免氧化严重的碎屑重新进入熔池而形成裂纹，也避免碎屑搅入铣刀4与金属间缝隙而影响减材加工过程，有利于延长铣刀4的工作寿命。

需要说明的是，本发明的实施例对预设铣削深度不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据待加工工件的表面缺陷确定预设铣削深度，只要能保证将待加工工件的表面缺陷清除干净即可。铣削深度H₁可以等于预设铣削深度，以对待加工工件的表面缺陷进行一次彻底清理，铣削深度H₁也可以小于预设铣削深度，以对待加工工件的表面缺陷进行多次清理，直至将待加工工件的表面缺陷清理干净。

本实施例中，步骤S4中包括：若在待加工工件的表面增材制造多层金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复步骤S2至步骤S3；若在待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复步骤S1至步骤S3。

需要说明的是，若在待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成前一种金属增材制造之后，需要根据新的金属改变待加工工件的加工参数，更换焊丝元素成分，并及时调整铣刀4加工参数、激光参数、铣刀4与激光头2之间的相对位置参数和送丝参数，以保证增材制造梯度结构金属沉积组织有较好的质量。

其中，在完成第一层增材制造层之后，还包括：利用机械手9将铣削减材和激光辅助增材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度。由此，以避免激光焦点O与新形成待增材表面的相对距离(H₃值)发生变化，影响增材制造层的质量。

本实施例中，步骤S4中对预定的工件进行精加工包括：启动驱动电机8驱动铣刀4对预定的工件表面进行精密铣削加工。

对预定的工件表面进行精密铣削整形时，根据相应的金属及时调整铣削加工的加工参数。

为了对本发明进行进一步详细说明，下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。本发明中的实施例中所使用的方法如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

本实施例提供了一种基于铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，对待加工工件表面增材制造多层金属沉积组织的复合加工方法，具体包括如下步骤：

1.1、设定优化后的铣刀4加工参数：铣刀4进给速度V₁、铣刀4转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管71底部与待加工工件表面的高度H₂；激光参数：激光焦点O和待加工工件表面的距离H₃、激光功率、激光移动速度，且激光移动速度与铣刀4的进给速度V₁相等；铣刀4和激光头2之间的相对位置参数：铣刀4与激光焦点O的水平距离L₁；送丝参数：焊丝干伸长L₂、送丝速率和焊丝的截面直径，并将优化后的加工参数输入控制程序，以及确定焊丝的化学成分；

1.2、调整好待加工工件的加工参数后，旋转锁紧组件5，使锁紧块52与凹槽6的两端抵接，并拧紧锁紧杆51，使激光头2和支架12以及支座11和支架12锁紧，将送丝管31的管口朝向激光束的焦点设置，启动铣刀4对待加工工件的表面进行铣削加工，直至达到预设的铣削深度，将待加工工件表面的氧化物、缺陷和污渍等清除干净，在铣削加工的同时，打开工业吸尘器使吸尘管71及时吸除铣削加工过程中的碎屑；

1.3、启动激光头2使激光焦点O照射待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝管31使焊丝均匀送至待加工工件已铣削加工区域的熔池内，对待加工工件已铣削加工区域进行激光辅助增材制造，并在待加工工件已铣削加工区域形成增材制造层；

1.4、完成第一层增材制造层之后，通过机械手9将铣削减材和激光辅助增材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度，并重复步骤1.2至步骤1.3，直至得到预定的工件，程序关闭激光头2和送丝管31，驱动铣刀4对预定的工件表面进行精密铣削加工，得到工件，并关闭驱动电机8和工业吸尘器，松开锁紧杆51。

实施例2

本实施例提供了一种基于上述铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，对待加工工件表面增材制造梯度结构金属沉积组织的复合加工方法，本实施例提供的加工方法与实施例1中的加工方法相同，区别在于最后一个步骤采用如下方法：

完成第一层增材制造层之后，通过机械手9将铣削减材和激光辅助增材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度，并重复步骤1.1至步骤1.3，即在完成前一种金属增材制造之后，更换焊丝元素成分，并及时调整铣刀4加工参数、激光参数、铣刀4与激光头2之间的相对位置参数和送丝参数，直至得到预定的工件，程序关闭激光头2和送丝管31，驱动铣刀4对预定的工件表面进行精密铣削加工，得到工件，并关闭驱动电机8和工业吸尘器，松开锁紧杆51。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，包括：架体(1)、激光头(2)、送丝组件(3)和铣刀(4)，其中，

所述激光头(2)相对的两个侧面设置所述架体(1)和所述送丝组件(3)，所述送丝组件(3)与所述激光头(2)可拆卸连接，并用于在激光的辅助下对待加工工件进行增材制造；

所述架体(1)靠近所述待加工工件的一端设置铣刀(4)，所述铣刀(4)用于对所述待加工工件进行铣削减材。

2.根据权利要求1所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述架体(1)包括支座(11)和支架(12)，所述支架(12)垂直设置在所述支座(11)上；

所述激光头(2)相对的两个侧面设置所述支架(12)和所述送丝组件(3)，所述激光头(2)用于发出激光束；

所述送丝组件(3)包括送丝管(31)和送丝管座(32)，所述送丝管(31)的管口朝向所述激光束的焦点设置，并用于将焊丝送至所述激光束的焦点处，所述送丝管座(32)与所述激光头(2)可拆卸连接，并用于固定所述送丝管(31)；

所述铣刀(4)的中轴线和所述激光头(2)的中轴线平行。

3.根据权利要求2所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述送丝管座(32)包括安装板(321)和固定管(322)，所述固定管(322)的内部中空，用于容纳所述送丝管(31)，所述安装板(321)的中部开设有调节孔；

所述激光头(2)上设有用于固定所述安装板(321)的固定座(21)，所述固定座(21)的中间开设有用于容纳所述安装板(321)的容纳槽，螺栓穿过所述固定座(21)与所述调节孔，用于固定所述固定座(21)和所述安装板(321)，并调节所述送丝管(31)和所述激光头(2)的相对位置和角度。

4.根据权利要求2所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述送丝管(31)靠近管口的一端设置成弯曲段，所述送丝管(31)远离管口的一端设置成直管段；

所述送丝组件(3)还包括焊丝预弯组件(33)，所述焊丝预弯组件(33)设置在所述固定管(322)和所述送丝管(31)的弯曲段之间，用于焊丝的弯曲变形。

5.根据权利要求4所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，所述焊丝预弯组件(33)包括壳体(331)以及设置在所述壳体(331)内的诱导轮(333)和弯丝轮组(332)，其中，

所述壳体(331)一端与所述送丝管(31)的直管段连接，所述壳体(331)的另一端与所述送丝管(31)的弯曲段连接；

所述弯丝轮组(332)包括第一弯丝轮(3321)和第二弯丝轮(3322)，所述第一弯丝轮(3321)和所述第二弯丝轮(3322)相对设置在所述焊丝的两侧，且所述第一弯丝轮(3321)的直径大于所述第二弯丝轮(3322)的直径，用于在所述焊丝的带动下挤压所述焊丝，使所述焊丝朝一侧弯曲变形；

两个所述诱导轮(333)均设置在所述第一弯丝轮(3321)的同侧，且两个所述诱导轮(333)分别设置在靠近所述焊丝的入口处和所述焊丝的出口处，用于输送所述焊丝。

6.根据权利要求2所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述激光头(2)和所述支架(12)滑动设置，以调节所述激光头(2)相对所述支架(12)沿竖直方向运动；

所述支座(11)和所述支架(12)滑动设置，以调节所述支座(11)与所述激光头(2)的间距；

所述激光头(2)和所述支架(12)，以及所述支座(11)和所述支架(12)的连接处均设置有至少一组锁紧组件(5)。

7.根据权利要求6所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述激光头(2)和所述支架(12)，以及所述支座(11)和所述支架(12)的连接处均开设有适于容纳所述锁紧组件(5)的凹槽(6)；

所述凹槽(6)包括第一凹槽(61)和第二凹槽(62)，所述支架(12)上开设所述第一凹槽(61)，所述激光头(2)和所述支座(11)上开设两个对称设置的所述第二凹槽(62)；

所述第一凹槽(61)和所述两个所述第二凹槽(62)连通配合形成所述凹槽(6)。

8.根据权利要求7所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

每组所述锁紧组件(5)均包括锁紧杆(51)和两个锁紧块(52)，两个所述锁紧块(52)对称设置在所述凹槽(6)内，且每个所述锁紧块(52)一端设置在所述第一凹槽(61)内，每个所述锁紧块(52)另一端设置在所述第二凹槽(62)内；

所述锁紧杆(51)穿过设置在所述第一凹槽(61)部分的两个所述锁紧块(52)并穿设于所述支架(12)中，用于调节两个所述锁紧块(52)相向运动。

9.根据权利要求2所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，其特征在于，

所述支架(12)上还设置有吸尘管组件(7)，所述吸尘管组件(7)包括吸尘管(71)和吸尘管座(72)，所述吸尘管(71)的管口朝向所述铣刀(4)设置，所述吸尘管(71)的管尾与工业吸尘器相连，且所述吸尘管(71)的管尾的直径大于所述吸尘管(71)的管口的直径，所述吸尘管座(72)用于固定所述吸尘管(71)；

所述支架(12)远离所述铣刀(4)的一侧还设置有适于与机械手(9)连接的连接座。

10.一种铣削减材和激光辅助增材复合加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一项所述的铣削减材和激光辅助增材复合加工装置，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动铣刀(4)对所述待加工工件的表面进行铣削减材，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头(2)使激光焦点照射所述待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝组件(3)使焊丝均匀送至所述熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复步骤S2至步骤S3，或者重复步骤S1至步骤S3，直至得到预定的工件，对所述预定的工件进行精加工，得到工件。

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