CN113909503A - 基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，包括工作台、融化机构和控制机构，所述工作台上设有悬臂夹具，所述悬臂夹具上固定有工件，所述工作台上设有激振器，所述激振器的输出端设有顶杆，且顶杆与工件相接触；所述融化机构包括聚焦镜和送粉喷嘴，所述聚焦镜朝向送粉喷嘴，用于将激光折射至送粉喷嘴，所述送粉喷嘴朝向工件；所述控制机构包括信号控制仪和功率放大器，所述信号控制仪与功率放大器和激振器电信号连接。本装置外部采用信号控制仪和功率放大器进行检测和调控,其内部转速控制模块、时间控制模块、显示模块和手动按钮实时操控，方便快捷。而且本装置结构紧凑，满足试验安装的空间要求，改善了众多问题和缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体为一种基于微振动辅助的金属零件激光增材制造装置与制造方法。
背景技术
激光增材制造技术是以激光束作为热源,通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。该技术可以提高材料利用率,特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料零件的直接制造和修复,在航空航天等领域近年来应用广泛。
当大面积和大体积的金属零件经激光增材制造后会产生变形开裂问题,其主要原因在于激光光束局部加热,且金属零件不同部位热传导和辐射条件不同,导致成形工件局部温度累积与分布明显不同,造成成形熔池与工件内部温度场分布不均匀,局部产生内应力累积集中与组织偏析现象,直接影响工件的力学性能；甚至引起成形工件变形开裂,导致制件失败。
为改变增材制造质量，采用超声振动、电磁等外场干预激光熔池凝固过程。将超声振动引入熔池凝固过程，利用超声振动搅拌作用可以均化熔池温度分布、细化晶粒、减小残余应力来避免裂纹的生成，但因增材过程中熔池位置在动态改变，难于实现实时保持超声振动耦合作用于熔池。电磁搅拌技术通过改变磁场电流强度可以促进熔池溶质元素均匀分布，减小试件残余应力,但其内部过强的磁场旋转运动在金属熔体中心区域会形成很深的液穴,易造成气孔和夹杂等冶金缺陷。采用制件后续热处理来消减残余应力,但无法通过热处理手段来完全实现制件组织性能的均匀化。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置及方法，以解决现有技术制作的工件沉积层组织分布不均一，工件变形开裂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，包括工作台、融化机构和控制机构，所述工作台上设有悬臂夹具，所述悬臂夹具上固定有工件，所述工作台上设有激振器，所述激振器的输出端设有顶杆，且顶杆与工件相接触；
所述融化机构包括聚焦镜和送粉喷嘴，所述聚焦镜朝向送粉喷嘴，用于将激光折射至送粉喷嘴，所述送粉喷嘴朝向工件；
所述控制机构包括信号控制仪和功率放大器，所述信号控制仪与功率放大器和激振器电信号连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.激振装置工作平稳化
采用激振器装置对基体施加振动,振源均匀稳定,激振器工作时稳定可靠,不会对系统内部产生剧烈影响。
2.夹具柔性化
悬臂夹具夹持工件,所夹持工件的高度位置可以通过夹具头高度位置的上下柔性调整直接与激振器顶杆接触，使工件平稳悬空固定。减少了零件、约束或支撑的碰撞以及振动过程中产生的噪声。
3.参数控制自动化
外部采用信号控制仪和功率放大器进行检测和调控,其内部转速控制模块、时间控制模块、显示模块和手动按钮实时操控，方便快捷。
4.生产实用化
所述发明装置结构紧凑，满足试验安装的空间要求，并能在工件内部产生振幅可调的振动波，发挥出良好的振动效果，改善技术背景中提及的问题和缺陷。
附图说明
图1为本发明基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置的结构示意图。
图2为本发明基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置的悬臂夹具示意图。
图3为本发明激振装置的原理框图。
1、聚焦镜；2、送粉喷嘴；3、工件；4、顶杆；5、激振器；6、六角头铰制孔用螺栓；7、缓冲垫；8、悬臂夹具；9、工作台；10、信号控制仪；11、功率放大器，12、固定块；13、圆螺母；14、螺纹柱；15、第一法兰螺母；16、第二法兰螺母；17、夹具头。
具体实施方式
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。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。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，包括工作台9、融化机构和控制机构，所述工作台9上设有悬臂夹具8，所述悬臂夹具8上固定有工件3，所述工作台9上设有激振器5，所述激振器5的输出端设有顶杆4，且顶杆4与工件3相接触，用于将振动传递至工件3。
所述融化机构包括聚焦镜1和送粉喷嘴2，所述聚焦镜1朝向送粉喷嘴2，用于将激光折射至送粉喷嘴2，所述送粉喷嘴2朝向工件3，这样即可以激光束作为热源,通过熔化粉材或丝材实现金属构件逐层堆积成形。
所述控制机构包括信号控制仪10和功率放大器11，所述信号控制仪10与功率放大器11和激振器5电信号连接。
所述悬臂夹具8包括固定块12，所述固定块12安装在工作台9上，所述固定块12上通过圆螺母13安装有螺纹柱14，所述螺纹柱14上设有第一法兰螺母15、第二法兰螺母16和夹具头17，且第一法兰螺母15和第二法兰螺母16分设在夹具头17的两侧，从而起到夹持固定夹具头17的效果。再需要调整工件3高度时，只需要活动第一法兰螺母15和第二法兰螺母16即可。夹具头17固定工件3，通过法兰螺母的配合实现柔性调整。
所述工作台9与激振器5间设有缓冲垫7，且工作台9通过六角头铰制孔用螺栓6与激振器5相固定。
激振器内设有偏心距调节装置，通过调节激振器偏心距以调节振动振幅，激振器的转速通过信号控制仪控制，信号控制仪包括激振器转速控制模块、时间控制模块、显示模块和手动按钮，如图3所示。激振器转速控制模块用于控制激振器转速升降速的加速度，从而调节振动频率达到共振频率的转速。时间控制模块用于控制激振器共振的时间。显示模块用于显示激振器的振动曲线和功率放大器的参数。手动模块用于启停激振器和切换激振器转速升降档位。通过激振器对基体底部施加微振动，同时带动工件本体进行微动，可以使频率、振幅等参数依据具体情况进行调节，振动的同时不影响工件增材制造的定位精准度。调节激振器的偏心距以调节共振的振幅，改变作用于熔池内液态金属的振幅，使熔池内的金属溶液的流动速度得到提升，直接影响熔池凝固过程。
本发明还提供一种基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置的制造方法，具体实现步骤如下：
1)为了便于工件的固定，将工件采用悬臂夹具夹持，其夹具头可根据加工位置需要进行上下移动，即所夹持工件的高度位置可以通过夹具头高度位置的上下柔性调整直接与顶杆4接触，使工件3平稳悬空固定；可减少零件、约束或支撑之间的碰撞以及振动过程中产生的噪声,使振动过程更为平稳。
2)将激振器5通过缓冲垫7固定在工作台9上，对工件3底部施加振动；基于效率最大化角度考虑，激振器5的激振点选择在工件振幅明显的部位(施加振动时振幅较大的部位为距离约束点最远的位置)，即为所夹持工件的悬臂端，用于激发出结构更大的振幅和动应力。
3)为了实时检测与调控振动系统，外部设有信号控制仪10，信号控制仪10根据工件质量动态变化适时调整振动参数；采用式①调整激振器5的振动参数,其中式②为亚共振频率的范围(亚共振频率为共振时刻内能开始大量释放点的频率,是共振区的开始点)；
式中:k-工件刚度,m-工件质量,f-振动频率,(ω1-ω0)＝δω1,
δ为材料阻尼比,ω1为共振频率
通过转速控制模块控制激振器的转速，促使激振器带动工件达到共振频率的转速，并在工件中心区域产生近似均匀的振动波，将振动波引入到熔池内；同时通过改变作用于熔池内液态金属的振幅，影响熔池凝固过程，促进金属溶液运动，可以促使金属溶液中杂质气体的析出，减小金属溶液的温度梯度，有效的细化凝固组织，降低了工件内部局部应力集中，抑制工件变形开裂。
工作原理：由于工件之间的形状尺寸均有差异，因此先将工件3的待加工区域机械加工成规则化的矩形等形状。将工件3采用夹具头17夹持,悬臂夹具8可根据工件3的不同尺寸进行可靠稳定的夹持。
将激振器5安装在工件3的下方,直接将激振器顶杆4向工件3的悬臂端(振幅较大处)施加振动,激振器5与工作台9之间设有缓冲垫7,减小激振器5对工作台9的冲击。
激振器5发出振源,加工装置外部设有信号控制仪10，信号控制仪10可实时调控振动参数。通过控制模块控制激振器5的转速，使激振器5带动工件3达到共振频率的转速，其参数显示模块可在功率放大器11中查看，并在工件中心区域产生近似均匀的振动波，将振动波引入到熔池内。同时通过改变作用于熔池内液态金属的振幅，影响熔池凝固过程，促进金属溶液运动，可以促使金属溶液中杂质气体的析出，减小金属溶液的温度梯度，有效的细化凝固组织，减小工件内部局部应力集中，抑制工件变形开裂。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，其特征在于：包括工作台(9)、融化机构和控制机构，所述工作台(9)上设有悬臂夹具(8)，所述悬臂夹具(8)上固定有工件(3)，所述工作台(9)上设有激振器(5)，所述激振器(5)的输出端设有顶杆(4)，且顶杆(4)与工件(3)相接触；
所述融化机构包括聚焦镜(1)和送粉喷嘴(2)，所述聚焦镜(1)朝向送粉喷嘴(2)，用于将激光折射至送粉喷嘴(2)，所述送粉喷嘴(2)朝向工件(3)；
所述控制机构包括信号控制仪(10)和功率放大器(11)，所述信号控制仪(10)与功率放大器(11)和激振器(5)电信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，其特征在于：所述悬臂夹具(8)包括固定块(12)，所述固定块(12)安装在工作台(9)上，所述固定块(12)上通过圆螺母(13)安装有螺纹柱(14)，所述螺纹柱(14)上设有第一法兰螺母(15)、第二法兰螺母(16)和夹具头(17)，且第一法兰螺母(15)和第二法兰螺母(16)分设在夹具头(17)的两侧，所述夹具头(17)固定工件(3)。
3.根据权利要求1所述的基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置，其特征在于：所述工作台(9)与激振器(5)间设有缓冲垫(7)，且激振器(5)通过六角头铰制孔用螺栓(6)与工作台(9)相固定。
4.一种如权利要求1所述的基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置的制造方法，其特征在于：具体实现步骤如下
1)为了便于工件的固定，将工件采用悬臂夹具(8)夹持，根据工件(3)与激振器(5)的不同相对位置进行柔性调整，使工件(3)平稳悬空固定；
2)将激振器(5)通过缓冲垫(7)固定在工作台(9)上，对工件(3)底部施加振动；基于效率最大化角度考虑，所述激振器(5)的激振点选择在工件振幅明显的部位，用于激发出结构更大的振幅和动应力；
3)为了实时检测与调控振动系统，外部设有信号控制仪(10),信号控制仪(10)根据工件质量动态变化适时调整振动参数；采用式①调整激振器(5)的振动参数,其中式②为亚共振频率的范围(亚共振频率为共振时刻内能开始大量释放点的频率,是共振区的开始点)；
式中:k-工件刚度,m-工件质量,f-振动频率,(ω1-ω0)＝δω1,
δ为材料阻尼比,ω1为共振频率
通过转速控制模块控制激振器的转速，促使激振器带动工件达到共振频率的转速，并在工件中心区域产生近似均匀的振动波，将振动波引入到熔池内；同时通过改变作用于熔池内液态金属的振幅，影响熔池凝固过程，促进金属溶液运动，可以促使金属溶液中杂质气体的析出，减小金属溶液的温度梯度，抑制工件变形开裂。
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