CN114083290B - 一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光增材制造领域，提出了一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置。该装置包括激光增材系统增材头、随动冲压装置支撑部件、随动冲压装置、金属粉管、位置调节器和激光束；在激光增材制造系统增加随动冲压装置，通过内置的温度调控部件及冲压部件，实现了与激光增材制造过程同步的增材制造构件热影响区恒温冲压制造过程。本发明将热处理工艺过程嵌入激光增材制造构件制备过程中，充分利用构件热加工后剩余温度及工艺间隙，通过局部温控、局部冲击对结构凝固及相变过程进行控制。增材构件局部经历了短时间内的快速热处理与机械处理，改善了制备的激光增材制造构件微观组织结构，提高了制备件的力学性能。

Description

一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制 装置

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，尤其涉及一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置。

背景技术

增材制造又被称为3D打印，是指直接使用数控叠层堆积方式对零部件进行热加工制造，90年代以来经历快速发展，已经成为世界各国制造业的重要发展方向。被加工材料在高温作用下熔化、形核、并重新结晶，所制备材料的微观组织结构、微观晶粒形貌等材料特性将极大的影响结构的拉伸强度、疲劳性能、抗弯抗剪性能等重要力学性能。

而对于激光增材制造微观组织结构的控制，往往仅依赖于增材制造过程中各类工艺参数的调控及构件制备完成后的热处理过程。在制造过程中，通过工艺参数的调控可有效控制增材层熔池温度分布及温度梯度，但熔池材料凝固及相变过程中的晶粒演化在受到上述熔池温度影响的同时，更依赖于制造过程中环境温度及散热条件的影响，现阶段并无有效的实时控制方法。而通过热处理过程对激光沉积增材制造构件微观组织结构进行改善时，需要将制备完成的构件重新进行加热，加热至特定温度后，再对构件进行后续处理。这样不仅延长了激光增材制造构件的制备周期，而且极大的提高了激光增材制造构件制备成本，并不符合于现代工业高效、节能制造的工业理念。

因此，一种于激光增材制造过程中对增材构件冷却过程中，对材料凝固及相变过程进行控制，用以改善激光增材制造构件微观组织结构，提高增材制造构件力学性能的新型激光增材制造装备及其控制方法亟待研究。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，提出了一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置，其目的在于通过增设与激光头同步移动、具有冲压温度调控功能的高频冲压装置，对激光增材制造构件热影响材料进行同步冲压热处理，以实现对激光增材制造构件微观组织结构的控制及改善。与现有的激光增材制造设备相比，本装置在激光增材制造设备的激光头后两侧，分别布置随动冲压设备，并由位置调节器控制设备位置，可根据制造工艺参数及增材制造构件尺寸进行空间位置调节，以保证随动冲压设备与预冲压区域的紧密接触。此外，通过随动冲压设备内的冲压温度数控单元、冲压参数控制单元，控制增材制造过程中的冲压温度、冲压力及冲压频率。多种冲压工艺参数的可调性，为获得具有不同微观组织结构的激光增材制造构件提供有效保障。

为实现上述目的，本发明的技术方案：

一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置，包括激光增材系统增材头1、随动冲压装置支撑部件2、随动冲压装置3、金属粉管4、位置调节器5和激光束6；激光增材系统增材头1、金属粉管4和激光束6构成激光增材制造系统；随动冲压装置支撑部件2用于随动冲压设备3与激光增材制造系统的连接，确保随动冲压装置3随激光束6稳定同步移动，实现随动功能；随动冲压装置支撑部件2为悬臂结构，其悬臂处与激光增材系统增材头1的后侧面固连；随动冲压装置支撑部件2下端均设有安装孔，用于安装位置调节器5；位置调节器5与随动冲压装置3的冲压设备盒7固定连接，用于控制随动冲压装置3的位置；两随动冲压装置3相对布置。

所述随动冲压装置3包括冲压设备盒7、温度调控部件8、冲压部件9、冲压温度数控单元10和冲压工艺参数控制单元11。

所述冲压设备盒7用于集成随动冲压装置3的各组件以及冲压设备零部件的安装与连接；温度调控部件8和冲压部件9分别固定于冲压设备盒7内，激光增材制造过程中，先经过温度调控部件8，后经过冲压部件9；冲压设备盒7外部两侧分别安装冲压温度数控单元10和冲压工艺参数控制单元11。

所述温度控制部件8用于调节激光增材制造构件预冲压区域的温度，其包括温控仓12、传热介质入口13、传热介质出口14和传热金属带15；温控仓12安装于温度调控部件8内，为传热金属带15与传热介质的传热过程提供密闭空间；传热金属带15为具有导热性能的金属片呈履带式环形布置，并过温控仓12；温控仓12设有传热介质入口13和传热介质出口14；传热介质通过传热介质入口13进入温控仓12，与温控仓12内的传热金属带15实现热交换，传热介质由传热介质出口14流出温控仓12；传热介质为水、空气、氟利昂或高温液体流；温度控制部件8根据预冲压工艺对增材制造构件热影响区材料的加热、保温与冷却处理，以获取合适的冲压温度；传热金属带15与激光增材制造构件热影响区材料滚动接触；冲压温度数控单元10与温度控制部件8连接，控制传热介质入口13及传热介质出口14的流入、流出速度和传热金属带15的滚动速度，保证传热金属带15与激光增材制造构件热影响区材料的相对静止，避免对激光增材制造构件产生磨损。

所述冲压部件9包括冲压杆16、冲压机17和冲压头18；冲压杆16内设有轴向伸缩部件；冲压杆16一端安装于冲压机17内，一端连接冲压头18，冲压头18对激光增材制造构件进行冲压操作，冲压工艺参数控制单元11控制冲压头18与激光增材制造构件的间距、冲压力及冲压频率。

所述位置调节器5内设有多自由度的空间伸缩杆，具有轴向伸缩功能及闭锁机构，实现对于激光增材制造构件热影响区不同位置的冲压。

所述冲压头18为高强合金材料，其前端为大横截面结构，其具有轴向伸缩功能，可调节冲压头18轴向位置。

本发明的有益效果：

该装置在激光增材设备基础上，于激光增材系统增材头1后方设置了随动冲压装置3，通过内置的温度调控部件8及冲压部件9，实现了与激光增材制造过程同步的增材制造构件热影响区恒温冲压制造过程。通过特定温度、特定冲压力、特定冲压频率的冲压制造，对激光增材制造过程中材料凝固与相变后的微观组织结构进行控制，改善激光增材制造构件热影响区材料微观晶粒尺寸、晶粒形貌及相变后的微观组织成份，达到提高激光增材制造构件力学性能的目地，避免了因结构制备后再次进行后处理过程而产生制造时间成本、经济成本的二次消耗。

传统的热处理工艺需将激光增材制造构件重新置于热处理环境下，将构件进行二次加热至特定温度后，再进行锻造、热轧等工艺处理。而本发明将热处理工艺过程嵌入激光增材制造构件制备过程中，充分利用构件热加工后剩余温度及工艺间隙，通过局部温控、局部冲击对结构凝固及相变过程进行控制。以增设温度调节部件，调节冲压区内材料的温度，随后以具有一定冲压力的高频冲压头对材料进行冲击，对增材构件局部进行短时间内的快速热处理与机械处理，改善制备的激光增材制造构件微观组织结构，提高制备件的力学性能。

附图说明

图1本发明的随动冲压激光增材制造设备的整体结构示意图；

图2为随动冲压设备结构示意图；

图3温度调控部件结构示意图；

图4冲压部件结构示意图；

图中：1-激光增材系统增材头，2-随动冲压装置支撑部件，3-随动冲压装置，4-金属粉管，5-位置调节器，6-激光束，7-冲压设备盒，8-温度调控部件，9-冲压部件，10-冲压温度数控单元，11-冲压工艺参数控制单元，12-温控仓，13-传热介质入口，14-传热介质出口，15-传热金属带，16-冲压杆，17-冲压机，18-冲压头。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置，其主体结构包括激光增材系统增材头1、随动冲压装置支撑部件2、随动冲压装置3、金属粉管4、位置调节器5和激光束6。其中，激光增材系统增材头1、金属粉管5和激光束6为传统激光增材制造系统原有设备，图1中仅为展示本发明中创新设计的随动冲压设备与原有设备相对位置及连接方式，以形成辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置完整结构示意图。

本发明对原有激光增材制造设备进行创新，将随动冲压设备3引入现有技术中，通过随动冲压装置支撑部件2与激光增材制造系统增材头1固定相连。随动冲压装置支撑部件2设有具有多自由度调节功能及锁闭机构的悬臂结构，可为随动冲压装置的位置调节及位置固定提供稳定支撑。位置调节器5由具有轴向伸缩功能及闭锁机构，一端安装于随动冲压装置下部的安装孔内，一端悬挂随动冲压装置，实现随冲压装置的悬挂固定及轴向位置调节。

随动冲压装置3通过位置调节器5的固定及位置条件，可满足对于不同厚度激光增材制造构件热影响区材料的冲压操作。本发明公开的随动冲压装置3包括冲压设备盒7、温度调控部件8、冲压部件9、冲压温度数控单元10和冲压工艺参数控制单元。

冲压设备盒7主要起到集成各冲压设备组件的作用，提供用于随动冲压装置3不同功能的电路线缆通道、传热介质管道、安装孔布设、部件连接等功能。温度调控部件8安装于冲压设备盒7内，通过冲压设备盒下部对应的安装孔固定。冲压部件9滞后于温度调控部件8共同安装于冲压设备盒7内，通过冲压设备盒7下部对应的安装孔固定。在冲压设备盒7外部两侧，分别安装冲压温度数控单元10及冲压工艺参数控制单元11，冲压温度数控单元10对应温度调控部件8相连，冲压工艺参数控制单元11对应冲压部件9相连，通过冲压设备盒7上的线缆通道与对应部件进行连接，实现冲压部件9的数字化控制。

温度控制部件8主要由温控仓12、传热介质入口13、传热介质出口14和传热金属带15组成。具有不同温度的传热介质，如水、空气、氟利昂、高温液体流等，通过传热介质入口13进入温控仓12，在传热仓12内对传热金属带15发生热交换，并由传热介质出口14流出温控仓，形成热流循环，不断对进入温控仓12内的传热金属带15进行热降温操作。被加热或冷却的传热金属带15通过与激光增材制造构件热影响区材料的滚动接触，实现与热影响区材料的热交换，对激光增材制造构件热影响区材料进行二次升温或快速降温。温度控制部件8通过与冲压温度数控单元10的电器连接，可对部件内传热介质入口13及传热介质出口14的流入、流出速度进行控制，还可调节传热金属带15的滚动速度，以保证传热金属带15与激光增材制造构件热影响区材料的相对静止，避免对激光增材制造构件产生磨损。

冲压部件9包括冲压杆16、冲压机17和冲压头18。冲压机18内填充有少量液压油，并设有相关机械部件，通过冲压设备盒7上的电缆通道，与外部电源连接，可为冲压过程提供不同的冲压力及冲压频率。冲压杆16一端安装于冲压机17内，一端连接冲压头18，冲压杆16内设有轴向伸缩部件，可调节冲压头与激光增材制造构件预进行冲压操作的热影响材料的冲压距离。冲压头18设计为具有更大冲压面积的矩形截面，可均匀的将冲压动量施加于增材层热影响区材料上，确保不因冲压力集中导致增材构件的破损。但若需要进行特殊冲压工艺，以获得具有特定形状或特定功能的激光增材制造构件，冲压头18形状及尺寸也可因工艺需要进行更改或替换。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置，其特征在于，该激光增材制造构件微观结构控制装置包括激光增材系统增材头（1）、随动冲压装置支撑部件（2）、随动冲压装置（3）、金属粉管（4）、位置调节器（5）和激光束（6）；激光增材系统增材头（1）、金属粉管（4）和激光束（6）构成激光增材制造系统；随动冲压装置支撑部件（2）为悬臂结构，其悬臂处与激光增材系统增材头（1）的后侧面固连；随动冲压装置支撑部件（2）下端均设有安装孔，用于安装位置调节器（5）；位置调节器（5）与随动冲压装置（3）的冲压设备盒（7）固定连接，用于控制随动冲压装置（3）的位置；两随动冲压装置（3）相对布置；

随动冲压装置（3）包括冲压设备盒（7）、温度调控部件（8）、冲压部件（9）、冲压温度数控单元（10）和冲压工艺参数控制单元（11）；

冲压设备盒（7）用于集成随动冲压装置（3）的各组件；温度调控部件（8）和冲压部件（9）分别固定于冲压设备盒（7）内，激光增材制造过程中，先经过温度调控部件（8），后经过冲压部件（9）；冲压设备盒（7）外部两侧分别安装冲压温度数控单元（10）和冲压工艺参数控制单元（11）；

温度控制部件（8）包括温控仓（12）、传热介质入口（13）、传热介质出口（14）和传热金属带（15）；传热金属带（15）为具有导热性能的金属片呈履带式环形布置，并过温控仓（12）；温控仓（12）设有传热介质入口（13）和传热介质出口（14）；传热介质通过传热介质入口（13）进入温控仓（12），与温控仓（12）内的传热金属带（15）实现热交换，传热介质由传热介质出口（14）流出温控仓（12）；传热金属带（15）与激光增材制造构件热影响区材料滚动接触；冲压温度数控单元（10）与温度控制部件（8）连接，控制传热介质入口（13）及传热介质出口（14）的流入、流出速度和传热金属带（15）的滚动速度，保证传热金属带（15）与激光增材制造构件热影响区材料的相对静止，避免对激光增材制造构件产生磨损；

冲压部件（9）包括冲压杆（16）、冲压机（17）和冲压头（18）；冲压杆（16）内设有轴向伸缩部件；冲压杆（16）一端安装于冲压机（17）内，一端连接冲压头（18），冲压头（18）对激光增材制造构件进行冲压操作，冲压工艺参数控制单元（11）控制冲压头（18）与激光增材制造构件的间距、冲压力及冲压频率。

2.根据权利要求1所述的一种辅以随动冲压技术的激光增材制造构件微观结构控制装置，其特征在于，所述位置调节器（5）内设有多自由度的空间伸缩杆，具有轴向伸缩功能及闭锁机构。