CN115488635B - 一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，该工具可利用工具头的挤压成形加工薄壁构件与激光头的粉末沉积增材制造的交替顺序作用实现对金属部件的渐进成形与激光增材制造的复合高效成形，解决同时具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件在传统体积加工下的难加工、加工时间长、成本高等问题，又可通过液氮的喷射实现金属材料成形前的超低温处理及金属板材在超低温环境下的几何形状的柔性成形，解决铝合金板材等在室温或高温条件下柔性成形时板材成形极限或精度不足的问题，又可以通过液氮及激光的作用实现交替超低温处理与热处理，使得在不同的成形阶段对材料进行协同改性。

Description

一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具

技术领域

本发明属于复合加工技术领域，具体涉及一种用于对同时具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件进行等-增材复合制造的工具、激光热处理与超低温交替处理及超低温柔性成形工具。

背景技术

渐进成形技术是一种新型柔性无模成形技术，具有极高的灵活性、高的加工效率、较好的成形能力和更大的塑性变形能力，尤其适用于小批量、多种类研发和个性化板材成形，可大大降低生产时间与生产成本。

在中国专利CN 206169044 U提出了一种基于渐进成形与增材制造结合用来加工具有薄壁壳体以及块体特征零件的系统，包括渐进成形系统和激光金属沉积系统，该复合加工方法缩短了复杂薄壁件的制造周期。但以上系统只是渐进成形及激光金属沉积两种加工方法简单的叠加，需要两套执行装置分别控制渐进成形工具及激光金属沉积工具，并没有将两种加工方法融合到一种加工工具上，没有实现渐进成形与激光增材在加工工具上的真正复合。

在中国专利CN 114505385 A提出了一种超低温形表一体渐进成形装置，该装置通过液氮浸泡的方式实现板材的超低温处理，该装置所适用的成形板材尺寸受到容器尺寸限制，若要实现不同尺寸的超低温成形，必须重新生产一套相应尺寸的设备，经济性较差。本发明采用液氮喷洒的方式，通过绕工具头周向均匀布置的4个液氮喷管喷射液氮，同时可以通过手动控制万向竹节蛇形管的形状实现对液氮的精准喷射，可实现对不同形状、不同区域板材的超低温处理，适用性较好。

发明内容

为了实现金属构件的渐进成形-激光增材制造顺序交替复合成形、激光热处理与超低温交替处理及超低温环境下的柔性成形，本发明提供了一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，主要具有以下功能：1、实现具有块特征的复杂薄壁金属构件的渐进成形-激光增材制造顺序交替复合成形；2、能够通过激光热源实现对材料超低温成形前的热处理及通过液氮实现金属板材在超低温环境下的柔性成形；3、实现超低温与热处理可交替，在板材不同的成形阶段，进行材料的协同改性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明可实现金属构件等-增材顺序交替复合成形、激光热处理与超低温交替处理及超低温条件下柔性成形，包括渐进成形模块、工具头翻转模块、激光增材制造模块、激光头驱动模块和液氮冷却模块；

所述的渐进成形模块包括上壳体、下壳体、工具头，所述的工具头与下壳体做成一体，随着下壳体一块运动，所述的上壳体连接机械臂，所述的上壳体、下壳体与翻转模块相连，实现下壳体翻转，使工具头达到工作位置或非工作位置；所述的激光增材制造模块包括的喷嘴、激光头和送粉管，所述的喷嘴位于上壳体内，喷嘴与激光头相连，送粉管位于激光头的外圈；激光头驱动模块驱动激光增材制造模块上下移动，实现激光头工作位置与非工作位置的固定；所述的液氮冷却模块包括液氮喷管，所述的液氮喷管周向均匀布置于上壳体外侧，将液氮喷射到金属板材表面完成对板材的超低温处理，实现超低温环境下的渐进成形。

进一步的，在上壳体下端的内圈安装有环形电磁铁，在下壳体上端的内圈安装有环形衔铁，环形电磁铁和环形衔铁通过相同斜度的凸起与凹槽实现环形电磁铁与环形衔铁之间的定位。

进一步的，所述的工具头翻转模块包括电机、蜗杆、涡轮、销轴、第一金属片、第二金属片，其中第一金属片与上壳体固接，第二金属片与下壳体固连，销轴一端与第二金属片固连，销轴可同第二金属片一块绕其轴线转动，另一端与涡轮相连，电机安装在上壳体，蜗杆与电机连接作为其输出轴，电机输出动力带动蜗杆转动并通过蜗杆涡轮的啮合带动工具头翻转，其翻转角度为180°。

进一步的，所述的激光增材制造模块还包括光纤、冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管、光纤激光器、送粉器，其中光纤与激光头上端相连，通过上壳体的小孔外接光纤激光器，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头下端连接冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管，第一送粉管和第二送粉管外接送粉器，实现同步送粉。

进一步的，冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管沿着激光头下端周向方向均匀设置。

进一步的，所述的光头驱动模块包括液压缸、活塞、导杆，三个部件同处于一轴线，液压缸与上壳体上端内面固连，活塞与导杆上端固连，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，使激光与液压缸同轴线，实现导杆与激光头同步运动。

进一步的，所述的液氮冷却模块还包括液氮压力容器、环形管和液氮罐，其中液氮压力容器通过连接杆与上壳体固连，上端通过连接的液氮软管外接液氮罐，液氮压力容器给来自液氮罐的液氮加压压入环形管及液氮喷管。

进一步的，所述的环形管内圈外壁通过四个周向均匀布置的相同连接杆与上壳体固接，与上壳体同轴。

进一步的，四个液氮喷管周向均匀布置于上壳体外侧，上端与环形管连通，且在液氮喷管上还安装有开关。

进一步的，所述的液氮喷管采用万向竹节蛇形管。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1、本发明设计了一种复杂构件等-增材复合制造工具，该工具集渐进成形与激光增材制造于一体，通过工具头翻转模块带动工具头翻转与激光头驱动模块带动激光头的直线运动配合实现渐进成形与激光增材制造的交替顺序作用，利用工具头对金属构件进行柔性挤压变形，利用激光头局部粉末沉积材料对金属构件的块体特征部分制造成形，利用该高灵活度的成形系统实现对同时具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件进行渐进成形与激光增材制造的复合高效成形，提高了零件的制造精度，缩短了其制造时间成本。

2、本发明可通过超低温与热处理交替作用进行材料的协同改性。该工具中的液氮随动冷却装置随工具头同步运动，液氮压力容器将液氮压入环形管及液氮喷管，绕工具头周向均匀布置的4个液氮喷管与环形管接通，液氮喷管采用万向竹节蛇形管，可通过手动控制液氮喷管的弯曲形状以控制液氮的喷射位置，保证液氮喷射的准确度。通过激光作为热源实现对材料成形前的热处理以提高铝合金板材的塑性进而提高超低温成形极限，通过液氮的喷洒实现金属板材成形过程中的随动超低温处理和其超低温成形。通过液氮超低温与激光热处理的交替作用进行材料的协同改性，通过热处理与低温处理的交替作用，利于实现加工区域与未加工区域之间的温度梯度，使加工区域与未加工区域材料性能不同，使得未加工区域有高屈服强度，可为将要变形的邻近材料提供支撑，加工区域屈服强度降低，利于加工成形，精准调控成形性能，提高构件加工精度。

3、本发明提出的工具头翻转装置，两金属片分别与上下壳体固接，利用销轴实现两金属片的相对转动以实现两壳体的连接，通过蜗轮蜗杆结构实现工具头的翻转的动力传递与自锁，防止工具头在重力的作用下反向运动，控制系统控制电机的转动状态即可完成工具头的翻转。

4、本发明提出的工具头定位及保持装置，环形电磁铁安装于上壳体下端内圈，环形衔铁安装于下壳体上端内圈，环形电磁铁下端面设计有一定斜度的凸起，环形衔铁上端面设计有一定斜度的凹槽，通过相同斜度的凸起与凹槽实现环形电磁铁与环形衔铁之间的定位，利用电磁铁的工作原理实现上下壳体的吸引保持，保证工具头柔性加工时的动力传递与工具头的定位准确性，通过人工操作外部控制系统控制电磁铁电路的通断。

5、本发明提出的激光头沿中心轴线运动装置，通过液压缸、活塞、导杆的合理布置与连接，保证激光头始终处于中心轴线，活塞运动带动导杆沿中心轴线运动，实现激光头往复直线运动，其中液压缸的两个工作位置实现激光头两位置的固定，保证激光头工作的精确度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具渐进成形时整体示意图；

图2为一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具渐进成形时半剖示意图；

图3为一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具激光增材制造时整体示意图；

图4为一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具激光增材制造时半剖示意图；

图5为渐进成形模块示意图；

图6为工具头翻转模块示意图；

图7为激光增材制造模块示意图；

图8为激光头驱动模块示意图；

图9为液氮冷却模块示意图；

图10为碗状复杂薄壁件示意图；

图11为铝合金方锥薄壁件示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1渐进成形模块、11上壳体、12环形电磁铁、13环形衔铁、14下壳体、15工具头、

2工具头翻转模块、21电机、22蜗杆、23键、24涡轮、25销轴、26第一金属片、27第二金属片；

3激光增材制造模块、31光纤、32激光头、33冷却水管、34保护气管、35喷嘴、36第一送粉管、37第二送粉管；

4激光头驱动模块、41液压缸、42活塞、43导杆；

5液氮冷却模块、51液氮压力容器、52液氮软管、53液氮管、54环形管、55液氮喷管、56开关。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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，除非本发明另外明确指出，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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，

本发明提出了一种等-增材顺序交替复合成形、超低温与热处理交替处理及超低温条件下柔性成形工具；该工具可利用工具头的挤压成形加工薄壁构件与激光头的粉末沉积增材制造的交替顺序作用实现对金属部件的渐进成形与激光增材制造的复合高效成形，解决同时具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件在传统体积加工下的难加工、加工时间长、成本高等问题，又可通过激光热源实现金属材料超低温成形前的热处理及通过液氮实现金属板材在超低温环境下的几何形状的柔性成形，解决铝合金板材等在室温或高温条件下柔性成形时板材成形极限或精度不足的问题，又可实现超低温与热处理交替，在板材不同的成形阶段，进行材料的协同改性。

下面结合附图1-图9对本发明进行详细说明，具体的结构如下：本发明提供了等-增材顺序交替复合成形、超低温与热处理交替处理及超低温条件下柔性成形工具，包括渐进成形模块1、工具头翻转模块2、激光增材制造模块3、激光头驱动模块4、液氮冷却模块5；渐进成形模块1用于工具头的定位与保持，保证金属板材的柔性加工，工具头翻转模块2用于工具头的翻转运动，使工具头达到工作位置或非工作位置，激光增材制造模块3用于金属板材上块状体的增材加工，保证复杂薄壁金属壳体上的局部加固，激光头驱动模块4用于激光头的直线运动及其定位，其中液压缸有两个位置，即活塞伸出位置与活塞缩回位置，从而实现激光头工作位置与非工作位置的固定。液氮冷却模块5用于利用液氮喷洒给金属板材提供超低温环境，液氮冷却模块采用工具头随动的设置方式，大大提升其实用形、简便性，绕工具头周向均匀布置的4个液氮喷管采用万向竹节蛇形管，可通过手动控制液氮喷管的弯曲形状以控制液氮的喷射位置，保证液氮喷射的准确度。本发明可以实现需进行局部加固的金属复杂薄壁件的小批量、绿色高效制造，具有节约材料、无需模具等特点，相比较传统体积加工，缩短了具有块体特征的复杂薄壁件的制造周期与制造成本。

如图5所示，所述的渐进成形模块1包括上壳体11、环形电磁铁12、环形衔铁13、下壳体14、工具头15，其中上壳体11外接机械臂，下壳体14与上壳体11通过工具头翻转模块2连接，下壳体14可通过工具头翻转模块2相对上壳体11转动，工具头15与下壳体14做成一体，工具头15的工作端为半球形，用于板材的挤压柔性成形，环形电磁铁12安装于上壳体11下端内圈，环形衔铁13安装于下壳体14上端内圈，环形电磁铁12下端面设计有一定斜度的凸起，环形衔铁13上端面设计有一定斜度的凹槽，通过相同斜度的凸起与凹槽实现环形电磁铁12与环形衔铁13之间的定位，保证工具头15与上壳体11同轴线，通过控制环形电磁铁12电路的通断控制其对环形衔铁13的吸引以实现工具头15的保持。

如图6所示，工具头翻转模块2包括电机21、蜗杆22、键23、涡轮24、销轴25、第一金属片26、第二金属片27，其中第一金属片26与上壳体11固接，第二金属片27与下壳体14固连，销轴25一端与第二金属片27固连，销轴25一端可同第二金属片27一块绕其轴线转动，另一端通过键23与涡轮24相连，电机21安装在上壳体11，蜗杆22与电机21连接作为其输出轴，电机21输出动力带动蜗杆22转动并通过蜗杆22涡轮24的啮合带动工具头15翻转，其翻转角度为180°，利用蜗轮蜗杆结构可实现结构自锁，防止工具头15在重力的作用下运动。

如图7所示，激光增材制造模块3包括光纤31、激光头32、冷却水管33、保护气管34、喷嘴35、第一送粉管36、第二送粉管37、光纤激光器(图中未画出)、送粉器(图中未画出)，其中光纤31与激光头32上端相连，通过上壳体11的小孔外接光纤激光器，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头32下端连接冷却水管33、保护气管34、第一送粉管36、第二送粉管37，第一送粉管36和第二送粉管37外接送粉器，实现同步送粉，喷嘴35与激光头32相连，可以实现激光-送粉同轴作业。

如图8所示，光头驱动模块4包括液压缸41、活塞42、导杆43，三个部件同处于一轴线，液压缸41与上壳体上端内面通过螺栓固连，活塞42与导杆43上端通过焊接固连，导杆43下端与激光头32上端面中间位置通过螺栓固连，实现导杆43与激光头32同步运动。活塞43的直线运动带动导杆43做直线运动，实现激光头32往复直线运动。设计液压缸41有两个工作位置，即活塞伸出位置与活塞缩回位置，从而实现激光头32工作位置与非工作位置的固定。

液氮冷却模块5包括液氮压力容器51、液氮软管52、液氮管53、环形管54、液氮喷管55、开关56、液氮罐(图中未画出)，其中液氮压力容器51通过连接杆与上壳体固连，上端通过连接的液氮软管52外接液氮罐，液氮罐提供金属板材冷却所需的液氮，液氮压力容器51可以给来自液氮罐的液氮加压压入环形管54及液氮喷管55，同时可以储存一定容量的液氮，环形管54通过液氮管53与液氮压力容器51连通，其内圈外壁通过四个周向均匀布置的相同连接杆与上壳体固接，与上壳体11同轴，四个液氮喷管55周向均匀布置于上壳体外侧，上端与环形管54连通，液氮可通过环形管54进入液氮喷管55，开启液氮喷管55上的开关56将液氮喷射到金属板材表面完成对板材的超低温处理，实现超低温环境下的渐进成形，液氮喷管55采用万向竹节蛇形管，其可以实现360°任意方向活动与弯曲，具有节能环保、运动灵活的优点，可通过手动控制液氮喷管55的弯曲形状以控制液氮的喷射位置。

本实施例中，工具头与下壳体做成一体，随着下壳体一块运动，上壳体连接机械臂，下壳体与上壳体分别与两金属片固定连接，销轴穿过两金属片圆孔与第二金属片固连并可同第二金属片绕销轴轴线转动，电机通过螺栓安装于上壳体外侧，通过蜗杆与销轴上的涡轮啮合传递动力带动下壳体翻转运动，从而使工具头达到工作位置或非工作位置；工具头处于工作位置时，上下壳体两端面重合，安装于上壳体下端内圈的环形电磁铁与安装于下壳体上端内圈的环形衔铁通过相同斜度的凸起与凹槽实现环形电磁铁与环形衔铁之间的定位，保证上壳体下端面与下壳体上端面完全重合，通过控制环形电磁铁电路的通断控制其对环形衔铁的吸引以实现工具头位置的保持。根据薄壁壳体的形状和尺寸，确定工具头的运动轨迹，通过控制机械臂运动带动工具头按渐进成形路径对板材进行柔性成形加工。加工过程中，可通过液氮冷却模块对金属构件进行液氮喷射处理，实现金属构件的超低温渐进成形。待柔性成形加工完成后，电机带动工具头达到非工作位置，完成一次柔性成形加工。

电机带动工具头达到非工作位置时，工具头较工作位置翻转180°，工具头朝向上方，通过涡轮蜗杆的自锁可实现工具头非工作位置的固定，为激光头的作业提供空间条件。激光头驱动模块中活塞的运动带动导杆沿中心轴线的运动，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，使激光与液压缸同轴线，实现导杆与激光头的同步运动，进而实现激光头的直线运动。其中液压缸有两个工作位置，即活塞伸出位置与活塞缩回位置，从而实现激光头工作位置与非工作位置的固定。激光头作业时的运动路径通过上壳体连接机械臂直接控制，保证激光头工作的精确度。活塞伸出时，激光头沿中心轴线运动到最下端进入工作位置，准备对薄壁壳体进行激光增材制造，保持薄壁壳体位置不变，规划增材制造路径，确定激光功率、扫描速度和送粉量，通过控制机械臂带动激光头按增材制造路径对壳体进行激光增材制造，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在薄壁壳体上熔融沉积，进而加工出所需的具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件。待激光增材制造完成后，活塞缩回带动激光头返回非工作位置，完成一次激光增材制造。除此，可通过激光作为热源对板材进行热处理。

液氮冷却模块设计为随工具头同步运动，液氮压力容器外接液氮罐，将液氮压入环形管及液氮喷管并可以储存一定量的液氮，绕工具头周向均匀布置的4个液氮喷管与环形管接通，液氮喷管采用万向竹节蛇形管，可通过手动控制液氮喷管的弯曲形状以控制液氮的喷射位置，保证液氮喷射的准确度。利用液氮喷射实现对板材的超低温处理。

电机转动控制工具头位置，活塞的运动控制激光头的位置，通过电机与活塞的交替控制实现工具头与激光头的作业配合，进而实现对需进行局部加固的金属部件如同时具有薄壁壳体以及块体特征的复杂薄壁件进行渐进成形与激光增材制造的顺序复合高效成形。

实施案例一：

以图10所示的侧面具有块体特征61的碗状复杂薄壁件62为例详细说明本发明对复杂薄壁件等-增材复合成形的具体过程。

1、根据该碗状复杂薄壁件的展开要求，将薄壁壳体成形所需板材划分为变形区域与无需变形区域；

2、将板材置于工作台夹具上，利用压板将板材固定；

3、启动电机将工具头运动到工作位置；

4、接通环形电磁铁电路使其吸引衔铁实现工具头在工作位置的保持，关闭电机；

5、通过控制机械臂运动带动工具头按渐进成形路径对板材进行柔性成形加工，直至加工出碗状壳体；

6、断开环形电磁铁电路，启动电机使工具头由工作位置翻转到非工作位置；

7、控制液压缸活塞运动使激光头由非工作位置运动到工作位置；

8、保持渐进成形后的薄壁壳体原位固定，通过控制机械臂带动激光头按增材制造路径对壳体进行激光增材制造，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在薄壁壳体上熔融沉积，直至在薄壁壳体上加工出块体特征结构；

9、激光增材制造停止后，控制液压缸活塞运动使激光头由工作位置运动到非工作位置；

10、带块体特征的碗状复杂薄壁件加工完成，启动电机使工具头由非工作位置翻转到工作位置后关闭电机。

实施案例二：

以图11所示的铝合金方锥薄壁件71为例详细说明本发明对铝合金板材超低温成形前激光热处理及超低温渐进成形的具体过程。

1、根据该方锥薄壁件的展开要求，将薄壁壳体成形所需板材划分为变形区域与无需变形区域；

2、将板材置于工作台夹具上，利用压板将板材固定；

3、启动电机将工具头运动到非工作位置；

4、控制液压缸活塞运动使激光头由非工作位置运动到工作位置；

5、通过控制机械臂带动激光头对板材进行激光热处理，送粉器不送粉，光纤激光器向激光头输出能量，直至完成板材超低温成形前的热处理；

6、控制液压缸活塞运动使激光头由工作位置运动到非工作位置；

7、启动电机使工具头由非工作位置翻转到工作位置；

8、接通环形电磁铁电路使其吸引衔铁实现工具头在工作位置的保持，关闭电机；

9、启动液氮压力容器并设定一定的压力将液氮罐内的液氮压入液氮压力容器，在压力作用下液氮进入环形管及液氮喷管；

10、手动调整液氮喷管的形状以确定液氮喷射位置；

11、开启液氮喷管上的开关对板材喷射液氮，控制机械臂运动带动工具头按渐进成形路径对板材进行柔性成形加工，同时保持液氮喷射实现其超低温环境下的几何形状柔性成形，直至加工出方锥薄壁件；

12、加工完成，断开环形电磁铁电路，关闭液氮压力容器及液氮喷管上的开关。

实施案例三：

以图10所示的侧面具有块体特征61的碗状复杂薄壁件62为例详细说明本发明对复杂薄壁件超低温柔性成形与激光增材复合制造的具体过程。

1、根据该碗状复杂薄壁件的展开要求，将薄壁壳体成形所需板材划分为变形区域与无需变形区域；

2、将板材置于工作台夹具上，利用压板将板材固定；

3、启动电机将工具头运动到工作位置；

4、接通环形电磁铁电路使其吸引衔铁实现工具头在工作位置的保持，关闭电机；

5、启动液氮压力容器并设定一定的压力将液氮罐内的液氮压入液氮压力容器，在压力作用下液氮进入环形管及液氮喷管；

6、手动调整液氮喷管的形状以确定液氮喷射位置，开启液氮喷管上的开关对板材喷射液氮以实现对铝合金材料的超低温处理；

7、通过控制机械臂运动带动工具头按渐进成形路径对板材进行柔性成形加工，同时保持液氮喷射实现其超低温成形，直至加工出碗状壳体；

8、渐进成形加工停止后，断开环形电磁铁电路，关闭液氮压力容器及液氮喷管上的开关，启动电机使工具头由工作位置翻转到非工作位置；

9、控制液压缸活塞运动使激光头由非工作位置运动到工作位置；

10、保持渐进成形后的薄壁壳体原位固定，通过控制机械臂带动激光头按增材制造路径对壳体进行激光增材制造，送粉器向激光头送粉，光纤激光器向激光头输出能量，金属粉末通过激光在薄壁壳体上熔融沉积，直至在薄壁壳体上加工出块体特征结构；

11、激光增材制造停止后，控制液压缸活塞运动使激光头由工作位置运动到非工作位置；

12、具有块体特征的铝合金碗状复杂薄壁件加工完成，启动电机使工具头由非工作位置翻转到工作位置后关闭电机。

以上实施案例中：图10-11中给出的金属构件的板材材质为5052铝合金，厚度为1-2mm；液氮压力为0-0.5MPa可调；环形电磁铁吸力为100kg；工具头的直径为6-10mm，步距为0.1-0.2mm，工具头的进给速率为1000-2000mm/mi n，工具头按照生成的轨迹运动，直至加工出所述形状零件；激光功率为2300-2800W，扫描速度5-6mm/s，送粉量为3-4g/s，激光作为热源进行板材热处理过程中不送粉，仅输出热量，激光头头按照生成的轨迹运动，直至加工出块体特征结构。

上述示例仅为本发明适用的简单案例，证明本发明具有以上几部分功能，此外本发明可通过渐进成形、激光增材、激光热处理、液氮超低温处理的交替或复合作用实现以上三种示例的混合制造，包括但不限于板材柔性成形与激光增材顺序交替复合制造、材料激光热处理及板材超低温柔性成形、板材超低温柔性成形与激光增材顺序交替复合制造，同时，激光热处理与液氮超低温可交替作用，在板材不同的成形阶段，进行材料的协同改性。本发明尤其适合制造需超低温处理下的具有块体结构的复杂薄壁件。

Claims (10)

1.一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，包括渐进成形模块、工具头翻转模块、激光增材制造模块、激光头驱动模块和液氮冷却模块；

所述的渐进成形模块包括上壳体、下壳体、工具头，所述的工具头与下壳体做成一体，随着下壳体一块运动，所述的上壳体连接机械臂，所述的上壳体、下壳体翻转模块相连，实现下壳体翻转，使工具头达到工作位置或非工作位置；所述的激光增材制造模块包括的喷嘴、激光头和送粉管，所述的喷嘴位于上壳体内，喷嘴与激光头相连，送粉管位于激光头的外圈；激光头驱动模块驱动激光增材制造模块上下移动，实现激光头工作位置与非工作位置的固定；所述的液氮冷却模块包括液氮喷管，所述的液氮喷管周向均匀布置于上壳体外侧，将液氮喷射到金属板材表面完成对板材的超低温处理，实现超低温环境下的渐进成形。

2.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，在上壳体下端的内圈安装有环形电磁铁，在下壳体上端的内圈安装有环形衔铁，环形电磁铁和环形衔铁通过相同斜度的凸起与凹槽实现环形电磁铁与环形衔铁之间的定位。

3.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的工具头翻转模块包括电机、蜗杆、涡轮、销轴、第一金属片、第二金属片，其中第一金属片与上壳体固接，第二金属片与下壳体固连，销轴一端与第二金属片固连，销轴可同第二金属片一块绕其轴线转动，另一端与涡轮相连，电机安装在上壳体，蜗杆与电机连接作为其输出轴，电机输出动力带动蜗杆转动并通过蜗杆涡轮的啮合带动工具头翻转，其翻转角度为180°。

4.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的激光增材制造模块还包括光纤、冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管、光纤激光器、送粉器，其中光纤与激光头上端相连，通过上壳体的小孔外接光纤激光器，光纤激光器提供金属沉积所需能量，激光头下端连接冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管，第一送粉管和第二送粉管外接送粉器，实现同步送粉。

5.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，冷却水管、保护气管、第一送粉管、第二送粉管沿着激光头下端周向方向均匀设置。

6.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的光头驱动模块包括液压缸、活塞、导杆，三个部件同处于一轴线，液压缸与上壳体上端内面固连，活塞与导杆上端固连，导杆下端与激光头上端面中间位置固连，使激光与液压缸同轴线，实现导杆与激光头同步运动。

7.如权利要求1所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的液氮冷却模块还包括液氮压力容器、环形管和液氮罐，其中液氮压力容器通过连接杆与上壳体固连，上端通过连接的液氮软管外接液氮罐，液氮压力容器给来自液氮罐的液氮加压压入环形管及液氮喷管。

8.如权利要求7所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的环形管内圈外壁通过四个周向均匀布置的相同连接杆与上壳体固接，与上壳体同轴。

9.如权利要求7所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，四个液氮喷管周向均匀布置于上壳体外侧，上端与环形管连通，且在液氮喷管上还安装有开关。

10.如权利要求7所述的一种可超低温与热处理协同改性的等增材复合制造工具，其特征在于，所述的液氮喷管采用万向竹节蛇形管。