CN215033626U - 一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备，包括激光熔覆系统、运动控制系统、计算机系统和真空室，所述激光熔覆系统和所述运动控制系统集成在所述真空室内，所述计算机系统与所述激光熔覆系统和所述运动控制系统信号控制相连；所述激光熔覆系统包括：激光器、送粉器、熔覆头和水冷系统，所述水冷系统与所述激光器和所述熔覆头管道相连通，所述送粉器与所述熔覆头管道相连通；运动控制系统包括运动系统和控制系统，其中，运动系统包括X轴运动模块、Y轴运动模块、Z轴运动模块、A轴旋转装置和龙门机床，控制系统包括运动控制卡、伺服电机驱动器和连接线。本实用新型采用增材制造技术打印熔覆层的方式获得刀模，不需要对刀锋毛坯进行多余部分的清除，不仅能够避免材料的浪费，而且能够缩短制备周期；同时，对增材制造设备采用了3+1轴联合运动系统，实现了平面基板刀模成型与曲面基板刀模成型兼容的一体机，满足了工业生产中雕刻刀模对平刀、圆刀不同类型的需求。

Description

一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备

技术领域

本实用新型涉及雕刻刀模成型制造技术领域，特别涉及一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备。

背景技术

当代工业生产中，模具是用来制作成型物品的工具，对于工业生产是至关重要的，它主要通过所成型材料物理状态的改变来对物品的外形进行加工，获得所需形状，被称为“工业之母”。刀模的使用能够使产品实现高效的批量化生产，提高生产效率，目前所涉及的行业也越来越多，包括如手机、液晶显示器、塑料包装、皮革、玩具、汽车等。在诸多刀模模具中，雕刻刀模因其可承受更高的冲压次数，不易发生变形，高精度(±0.03mm)而成为应用最为广泛的刀模模具之一。

雕刻刀模一般通过冲压出所需的模切产品的形状，为了提高生产效率，逐渐采用滚筒式的冲压方式制备成型样，也就是通过在被加工的材料上进行滚动式连续作业，这种雕刻刀模被称为圆刀。虽然雕刻刀模具有诸多优势，但是在制备工艺上却存在一些弊端，传统雕刻刀模需要经过一系列操作来获得最终的成型样，包括采用数控机床进行粗加工，多次热处理以提高硬度及后续对刀模毛坯的精细加工等。在制备刀锋毛坯的过程中，刀锋以外的部分需要全部除去，对于材料利用率极低，造成了材料的浪费，大大违背了节能减排的理念，同时，去除材料的工艺也较为繁琐，不仅增加了加工周期，而且提高了加工难度，也增加了加工成本，后续对于刀模毛坯的高温热处理过程也使得制备刀模的周期加长，因此，采用传统工艺成型雕刻刀模存在很大的不足与缺陷。

传统的金属加工成形工艺一般采用的是“减材制造”，首先需要对毛坯进行粗加工得到合适的尺寸，随后进行精细加工得到成型样，所产生的加工余料造成了极大的浪费。与传统的的成型方式不同，增材制造技术(3D打印)是把三维立体模型分解成二维层片模型，通过逐层堆积的方式成型获得所需零件。激光熔覆技术是用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时用送粉器将金属粉末喷入熔池，进而在基板上形成冶金结合成型层的增材制造工艺。该技术有诸多优势：第一，熔覆后晶粒致密均匀，具有硬度较高，耐磨、抗氧化、耐蚀等特性；第二，熔覆层与基体呈现出良好的冶金结合；第三，激光熔覆热影响区(HAZ)区域小，变形小，保证了良好的成形性和优异的力学性能；第四，工艺可采用数字化、自动化控制，方便快捷，覆层均匀。因此，激光熔覆技术是增材制造技术中最常用的技术之一。采用激光熔覆技术在基板通过打印熔覆层的方式来成型刀模，既能够提高刀模的硬度，又可以避免一系列复杂的工艺。然而，目前大多数的激光熔覆设备都是在平面基板上成型，所以只能在平面基板上成型刀模，无法在曲面基板上成型刀模，很难满足当下工业生产对于不同雕刻刀模类型的需求。

因此，发明一种既能够在平面基板进行雕刻刀模成型又能够在曲面基板进行雕刻刀模成型的设备成为本领域技术人员继续解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备，采用增材制造技术打印熔覆层的方式获得刀模，不需要对刀锋毛坯进行多余部分的清除，不仅能够避免材料的浪费，而且能够缩短制备周期；同时，对增材制造设备采用了3+1轴联合运动系统，实现了平面基板刀模成型与曲面基板刀模成型兼容的一体机，满足了工业生产中雕刻刀模对平刀、圆刀不同类型的需求。为了解决上述问题，本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型的一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备，所述增材制造设备包括激光熔覆系统、运动控制系统、计算机系统和真空室，所述激光熔覆系统和所述运动控制系统集成在所述真空室内，所述计算机系统与所述激光熔覆系统和所述运动控制系统信号控制相连。

所述激光熔覆系统包括：激光器、送粉器、熔覆头和水冷系统，所述水冷系统与所述激光器和所述熔覆头管道相连通，所述送粉器与所述熔覆头管道相连通。

所述运动控制系统包括运动系统和控制系统，其中，所述运动系统包括X轴运动模块、Y轴运动模块、Z轴运动模块、A轴旋转装置和龙门机床，所述控制系统包括运动控制卡、伺服电机驱动器和连接线。

所述X轴运动模块包括X轴伺服电机、X轴联轴器、X轴丝杆-滑轨和X轴移动平台，所述X轴伺服电机驱动所述X轴丝杆-滑轨和所述X轴移动平台沿X轴方向移动，所述X轴运动模块安装在所述龙门机床的龙门上。

所述Y轴运动模块包括Y轴伺服电机、Y轴联轴器、Y轴丝杆-滑轨和Y轴移动平台，所述Y轴伺服电机驱动所述Y轴丝杆-滑轨和所述Y轴移动平台沿Y轴方向移动，所述Y轴运动模块安装在所述龙门机床的平台上。

所述Z轴运动模块包括Z轴伺服电机、Z轴联轴器、Z轴丝杆-滑轨和Z轴移动平台，所述Z轴伺服电机驱动所述Z轴丝杆-滑轨和所述Z轴移动平台沿Z轴方向移动，所述Z轴运动模块垂直固定于所述X轴移动平台上。

所述A轴旋转装置包括A轴伺服电机、A轴主动旋紧装置和A轴从动旋转装置，所述A轴伺服电机驱动所述A轴主动旋紧装置绕轴转动，所述A轴主动旋紧装置与所述A轴从动旋转装置相适配地设置在所述Y轴移动平台上。

所述计算机系统利用切片软件对成型构件进行三维模型的构建，并输出相应的代码，经过所述控制系统的识别和优化，进而控制所述激光熔覆系统和所述运动系统运转。

进一步地，所述Z轴运动模块垂直固定于所述X轴移动平台上，所述Z轴运动模块与所述X轴运动模块一起构成X-Z联合运动模块，所述X-Z联合运动模块安装在所述龙门机床的的龙门上。

进一步地，所述熔覆头固定设置于所述Z轴移动平台中心位置，所述熔覆头可操控地随所述Z轴丝杆-滑轨移动而进行激光点上、下位置的调整。

进一步地，通过所述X-Z联合运动模块和所述Y轴运动模块共同操控可实现平面基板刀模成型，通过所述X-Z联合运动模块和所述A轴旋转装置共同操控可实现曲面基板刀模成型。

进一步地，所述真空室包括舱门、保护罩、观察窗口、过渡舱、橡胶手套衔接口和控制面板，所述控制面板可以用于监控所述真空室内部的氧含量。

进一步地，所述送粉器为单通道或者双通道送粉器，所述送粉器通过气流管与所述熔覆头连接，所述送粉器控制金属粉末经过气流管进入所述熔覆头，在所述熔覆头顶端处汇聚成一束气流柱，激光从所述熔覆头中心处射出，熔化金属粉末，进行雕刻刀模熔覆。

进一步地，所述熔覆头为四通道熔覆头，其中两通道为送粉通道，另外两通道为保护气通道，所述熔覆头固定于所述Z轴移动平台中心位置。

本实用新型提供的用于雕刻刀模制备的增材制造设备的有益效果是：

通过采用增材制造技术打印熔覆层的方式获得刀模，不需要对刀锋毛坯进行多余部分的清除，不仅能够避免材料的浪费，而且能够缩短制备周期。此外，增材制造技术的快速冷却快速凝固的特点可以很大程度上提高初始刀锋的硬度，无需进行后续的热处理工艺，极大地降低了加工成本，同时进一步缩短了加工周期。目前的增材制造设备，只能在平面基板上进行熔覆，无法在曲面基板上进行熔覆过程，为了迎合实际工业生产的需要，在本发明中，对增材制造设备采用了3+1轴联合运动系统，实现了平面基板刀模成型与曲面基板刀模成型兼容的一体机，满足了工业生产中雕刻刀模对平刀、圆刀不同类型的需求，拓宽了增材制造技术的应用领域，也提高了雕刻刀模的制造技术创新，为后续工业发展提供了技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的主系统关系示意图；

图2是本实用新型实施例的整体结构示意图；

图3是本实用新型实施例的增材制造设备内部结构正面示意图；

图4是本实用新型实施例的增材制造设备内部结构反面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例中的技术方案，并使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参考图1、图2和图3，本实施例的一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备，该增材制造设备包括激光熔覆系统1、运动控制系统2、计算机系统3和真空室4，激光熔覆系统1和运动控制系统2集成在真空室4内，计算机系统3与激光熔覆系统1和运动控制系统2信号控制相连。

其中，激光熔覆系统1包括：激光器11、送粉器12、熔覆头13和水冷系统14，水冷系统14与激光器11和熔覆头13管道相连通，送粉器12与熔覆头13管道相连通。

运动控制系统2包括运动系统和控制系统，其中，运动系统包括X轴运动模块21、Y轴运动模块22、Z轴运动模块23、A轴旋转装置24和龙门机床25，控制系统包括运动控制卡、伺服电机驱动器和连接线；

X轴运动模块21包括X轴伺服电机211、X轴联轴器212、X轴丝杆-滑轨213和X轴移动平台，X轴伺服电机211驱动X轴丝杆-滑轨213和X轴移动平台沿X轴方向移动，X轴运动模块21安装在龙门机床25的龙门上。其中，X轴移动平台在附图中看不到，具体位置是X轴与Z轴相交连的位置。

Y轴运动模块22包括Y轴伺服电机221、Y轴联轴器222、Y轴丝杆-滑轨223和Y轴移动平台224，Y轴伺服电机221驱动Y轴丝杆-滑轨223和Y轴移动平台224沿Y轴方向移动，Y轴运动模块22安装在龙门机床25的平台上。

Z轴运动模块23包括Z轴伺服电机231、Z轴联轴器232、Z轴丝杆-滑轨233和Z轴移动平台234，Z轴伺服电机231驱动Z轴丝杆-滑轨233和Z轴移动平台234沿Z轴方向移动，Z轴运动模块23垂直固定于X轴移动平台上。

A轴旋转装置24包括A轴伺服电机241、A轴主动旋紧装置242和A轴从动旋转装置243，A轴伺服电机241驱动A轴主动旋紧装置242绕轴转动，A轴主动旋紧装置242与A轴从动旋转装置243相适配地设置在Y轴移动平台224上。

计算机系统3利用切片软件对成型构件进行三维模型的构建，并输出相应的代码，经过控制系统的识别和优化，进而控制激光熔覆系统1和运动系统运转。

其中，Z轴运动模块23垂直固定于X轴移动平台上，Z轴运动模块23与X轴运动模块21一起构成X-Z联合运动模块，X-Z联合运动模块安装在龙门机床25的龙门上。熔覆头13固定设置于Z轴移动平台234中心位置，熔覆头13可操控地随Z轴丝杆-滑轨233移动而进行激光点上、下位置的调整。

本增材制造设备可以实现平面基板成型刀模与曲面基板成型刀模兼容性一体化的功能，即通过X-Z联合运动模块和Y轴运动模块22共同操控可实现平面基板刀模成型，通过X-Z联合运动模块和A轴旋转装置24共同操控可实现曲面基板刀模成型。

其中，真空室4包括舱门41、保护罩42、观察窗口43、过渡舱44、橡胶手套衔接口45和控制面板46，控制面板46可以用于监控真空室4内部的氧含量。

作为优选的实施方式，送粉器12为单通道或者双通道送粉器，送粉器12通过气流管与熔覆头13连接，送粉器12控制金属粉末经过气流管进入熔覆头13，在熔覆头13顶端处汇聚成一束气流柱，激光从熔覆头13中心处射出，熔化金属粉末，进行雕刻刀模熔覆。

进一步优选地，熔覆头13为四通道熔覆头，其中两通道为送粉通道，另外两通道为保护气通道，熔覆头13固定于Z轴移动平台234中心位置。

作为具体的实施方式，使用本增材制造设备进行曲面基板成型刀模的方式如下：

步骤一：将欲使用的金属粉末放入真空干燥箱进行真空干燥以去除金属粉末内部水分，待金属粉末干燥完成后，倒入送粉器12中。

步骤二：将曲面基板安装在A轴旋转装置24上并固定。

步骤三：关闭真空室4，接通总电源，向真空室4内部通入保护气。

步骤四：使用计算机软件根据实际需求作出三维模型，并输出相对应的模型切片代码，将其传至运动控制系统2。

步骤五：通过控制面板46选择步骤四中的模型切片代码文件，调节合适的出粉量，按动启动按钮，在X-Z联合运动模块和A轴旋转装置24共同作用下完成在曲面基板上的熔覆过程。

步骤六：待熔覆过程结束后，停止保护气输入，打开真空室4的舱门41，冷却完全后从A轴旋转装置24上取下成型完成的曲面基板。

另一种具体的实施方式，使用本增材制造设备进行平面基板成型刀模的方式如下：

步骤一：将欲使用的金属粉末放入真空干燥箱进行真空干燥以去除金属粉末内部水分，待金属粉末干燥完成后，倒入送粉器12中。

步骤二：将平面基板安放置于成型平台上，即Y轴移动平台224上。

步骤三：关闭真空室4，接通总电源，向真空室4内部通入保护气。

步骤四：使用计算机软件根据实际需求作出三维模型，并输出相对应的模型切片代码，将其传至运动控制系统2。

步骤五：通过控制面板46选择步骤四中的模型切片代码文件，调节合适的出粉量，调整合适的起始位置，按动启动按钮，在X-Z联合运动模块和Y轴运动模块22共同作用下完成在平面基板上的熔覆过程。

步骤六：待熔覆过程结束后，停止保护气输入，打开真空室4的舱门41，冷却完全后从成型平台上取下成型完成的平面基板。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于雕刻刀模制备的增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括激光熔覆系统(1)、运动控制系统(2)、计算机系统(3)和真空室(4)，所述激光熔覆系统(1)和所述运动控制系统(2)集成在所述真空室(4)内，所述计算机系统(3)与所述激光熔覆系统(1)和所述运动控制系统(2)信号控制相连；

所述激光熔覆系统(1)包括：激光器(11)、送粉器(12)、熔覆头(13)和水冷系统(14)，所述水冷系统(14)与所述激光器(11)和所述熔覆头(13)管道相连通，所述送粉器(12)与所述熔覆头(13)管道相连通；

所述运动控制系统(2)包括运动系统和控制系统，其中，所述运动系统包括X轴运动模块(21)、Y轴运动模块(22)、Z轴运动模块(23)、A轴旋转装置(24)和龙门机床(25)，所述控制系统包括运动控制卡、伺服电机驱动器和连接线；

所述X轴运动模块(21)包括X轴伺服电机(211)、X轴联轴器(212)、X轴丝杆-滑轨(213)和X轴移动平台，所述X轴伺服电机(211)驱动所述X轴丝杆-滑轨(213)和所述X轴移动平台沿X轴方向移动，所述X轴运动模块(21)安装在所述龙门机床(25)的龙门上；

所述Y轴运动模块(22)包括Y轴伺服电机(221)、Y轴联轴器(222)、Y轴丝杆-滑轨(223)和Y轴移动平台(224)，所述Y轴伺服电机(221)驱动所述Y轴丝杆-滑轨(223)和所述Y轴移动平台(224)沿Y轴方向移动，所述Y轴运动模块(22)安装在所述龙门机床(25)的平台上；

所述Z轴运动模块(23)包括Z轴伺服电机(231)、Z轴联轴器(232)、Z轴丝杆-滑轨(233)和Z轴移动平台(234)，所述Z轴伺服电机(231)驱动所述Z轴丝杆-滑轨(233)和所述Z轴移动平台(234)沿Z轴方向移动，所述Z轴运动模块(23)垂直固定于所述X轴移动平台上；

所述A轴旋转装置(24)包括A轴伺服电机(241)、A轴主动旋紧装置(242)和A轴从动旋转装置(243)，所述A轴伺服电机(241)驱动所述A轴主动旋紧装置(242)绕轴转动，所述A轴主动旋紧装置(242)与所述A轴从动旋转装置(243)相适配地设置在所述Y轴移动平台(224)上；

所述计算机系统(3)利用切片软件对成型构件进行三维模型的构建，并输出相应的代码，经过所述控制系统的识别和优化，进而控制所述激光熔覆系统(1)和所述运动系统运转。

2.根据权利要求1所述的增材制造设备，其特征在于，所述Z轴运动模块(23)垂直固定于所述X轴移动平台上，所述Z轴运动模块(23)与所述X轴运动模块(21)一起构成X-Z联合运动模块，所述X-Z联合运动模块安装在所述龙门机床(25)的龙门上。

3.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，所述熔覆头(13)固定设置于所述Z轴移动平台(234)中心位置，所述熔覆头(13)可操控地随所述Z轴丝杆-滑轨(233)移动而进行激光点上、下位置的调整。

4.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，通过所述X-Z联合运动模块和所述Y轴运动模块(22)共同操控可实现平面基板刀模成型，通过所述X-Z联合运动模块和所述A轴旋转装置(24)共同操控可实现曲面基板刀模成型。

5.根据权利要求2所述的增材制造设备，其特征在于，所述真空室(4)包括舱门(41)、保护罩(42)、观察窗口(43)、过渡舱(44)、橡胶手套衔接口(45)和控制面板(46)，所述控制面板(46)可以用于监控所述真空室(4)内部的氧含量。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的增材制造设备，其特征在于，所述送粉器(12)为单通道或者双通道送粉器，所述送粉器(12)通过气流管与所述熔覆头(13)连接，所述送粉器(12)控制金属粉末经过气流管进入所述熔覆头(13)，在所述熔覆头(13)顶端处汇聚成一束气流柱，激光从所述熔覆头(13)中心处射出，熔化金属粉末，进行雕刻刀模熔覆。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的增材制造设备，其特征在于，所述熔覆头(13)为四通道熔覆头，其中两通道为送粉通道，另外两通道为保护气通道，所述熔覆头(13)固定于所述Z轴移动平台(234)中心位置。

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