多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置的制作方法

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是涉及一种多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置。

背景技术：

3D打印技术是一种新兴的成型方法，其核心是将所需成形工件的复杂3D形体通过切片化处理转化为简单的2D截面的组合，因此不必采用传统的加工机床和加工模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，在计算机控制的快速成形机上，沿着高度方向逐层沉积材料，形成工件的一系列2D截面薄片层，并使片层与片层之间相互粘接，最终堆积成三维工件。

3D打印技术虽然可以成型出达到铸造强度级别的零件，但是成型出的零件的形状误差大、表面光洁度不高，这样，成型后的零件还需要采用传统的机械加工方式对此进行二次加工，才能得到精密机械制造工业所要求的形状及表面精度。航空航天行业大部分零件，如发动机喷嘴、叶片、蜂窝结构的燃烧室等，一般是复杂薄壁或点阵夹芯结构，或是尺寸较大的形状，或是自由曲面等形状，当采用3D打印技术加工出来的零件，再放入机床进行二次加工时，则存在以下问题：

1)、装夹困难，或装夹后，由于坐标变换无法精确定位零件加工参考点，导致加工误差大；

2)、对于薄壁结构的零件，加工时，由于无支撑零件的面，导致零件应力变形；

3)、部分零件由于内部结构复杂，刀具无法伸入其内部，导致难以加工。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术的不足，提供一种多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置，能够利用等离子熔融复合技术对单层或多层近似形体进行铣削加工，循环重复至零件加工完毕，这样，不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形及难以加工的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置，其包括机座，所述机座一侧设置有工作台，所述工作台一侧设置有多轴铣削机构，所述多轴铣削机构包括铣削座及刀具座，所述铣削座间隔设置在刀具座的一侧，所述铣削座下方设置有第一导轨及第二导轨，所述第一导轨及第二导轨垂直设置，所述第一导轨设置在第二导轨上方；所述工作台一侧间隔设置有喷枪座，所述喷枪座上卡持设置有堆焊喷枪。

在其中一个实施例中，所述工作台上设置有转台座及加工台，所述加工台卡置在转台座内，所述转台座包括两平行设置的支撑板，所述支撑板垂直设置在工作台上，所述加工台卡置在支撑板之间。

在其中一个实施例中，所述加工台设置有支撑台，所述支撑台两侧设置有连接臂，所述连接臂一端卡设在支撑板上，所述连接臂另一端分别连接在支撑台两侧。

在其中一个实施例中，所述支撑台上设置有加工转板。

在其中一个实施例中，所述第一导轨下方设置有第一滑块，所述第一滑块卡置在第二导轨上，所述第一导轨沿第二导轨方向来回运作；所述铣削座下方设置有第二滑块，所述第二滑块卡置在第一导轨上，所述铣削座沿第一导轨方向来回运作。

在其中一个实施例中，所述铣削座设置有第一基架及铣削夹座，所述铣削夹座卡持在第一基架一侧，所述第一基架一侧设置有第三导轨，所述铣削夹座匹配第三导轨一侧固定设置有第三滑块，所述第三滑块卡置在第三导轨上，所述铣削夹座沿第三导轨来回往复运作。

在其中一个实施例中，所述铣削夹座包括铣削基座及高速铣削头，所述第三滑块卡置在铣削基座一侧，所述高速铣削头设置在铣削基座下端部。

在其中一个实施例中，所述喷枪座上卡持设置有堆焊喷枪，所述堆焊喷枪包括堆焊夹具及堆焊喷头，所述堆焊夹具一侧设置有夹柱，所述堆焊喷头卡持设置在堆焊夹具另一侧；所述喷枪座上设置有传感器，所述传感器设置在堆焊夹具下方。

在其中一个实施例中，所述刀具座包括第二基架及刀库腔，所述刀库腔固定设置在第二基架上，所述刀库腔下方设置有刀臂架，所述刀库腔内存储有铣削头。

在其中一个实施例中，所述机座上方设置有机罩，所述机罩上设置有观察窗，所述观察窗采用深色电焊护目玻璃材质构造。

综上所述，本发明多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置通过第一导轨及第二导轨的导向作用调整铣削座与工作台或喷枪座之间的水平距离，使得铣削座移位至工作台或喷枪座上方；铣削夹具通过夹持刀具或堆焊喷枪在工作台上形成的单层或多层的近似形体构件并进行铣削，以达到构件所需的尺寸及表面精度这样，不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形及难以加工的问题。

附图说明

图1为本发明多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置的结构示意图；

图2为本发明多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置另一视角的结构示意图；

图3为本发明喷枪座的结构示意图；

图4为本发明喷枪座的结构分解图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1至图4所示，本发明多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置包括机座100，所述机座100一侧设置有工作台200，所述工作台200一侧设置有多轴铣削机构300，所述工作台200上设置有转台座210及加工台220，所述加工台220卡置在转台座210内，所述加工台220在转台座210内来回摆动；具体地，所述转台座210包括两平行设置的支撑板211，所述支撑板211垂直设置在工作台200上，所述加工台220卡置在支撑板211之间，所述加工台220设置有支撑台221，所述支撑台221两侧设置有连接臂222，所述连接臂222一端卡设在支撑板211上，所述连接臂222另一端分别连接在支撑台221两侧，用以带动支撑台221来回摆动；所述支撑台221上设置有加工转板223，所述加工转板223用以放置逐层堆叠形成的金属胚料；其中，所述加工转板223上装设有耐高温隔热垫板，避免增材加工时的热量传导到机座100造成热膨胀而产生的几何尺寸误差。

所述工作台200一侧间隔设置有喷枪座400，所述喷枪座400上卡持设置有堆焊喷枪410，所述堆焊喷枪410采用高能粒子束做热源，以保证金属粉材熔覆效果好，且热能集中，设备成本与运行成本低廉；具体地，所述高能粒子束可为等离子束、激光束或高能电子束等，所述堆焊喷枪410包括堆焊夹具411及堆焊喷头(图未示)，所述堆焊夹具411一侧设置有夹柱4111，所述堆焊喷头卡持设置在堆焊夹具411另一侧；所述喷枪座400上设置有传感器420，所述传感器420设置在堆焊夹具411下方，在堆焊喷头放置在喷枪座400上时，堆焊夹具411对传感器420施压，传感器420感应到堆焊喷枪410处于未使用状态，则能保证增材加工和减材加工不会混淆出现人为错误。

所述多轴铣削机构300设置在机座100另一侧，所述多轴铣削机构300包括铣削座310及刀具座320，所述铣削座310及刀具座320并排设置，所述铣削座310间隔设置在刀具座320的一侧，所述铣削座310在x/y水平方向上进行移动，具体地，所述铣削座310下方设置有第一导轨330及第二导轨340，所述第一导轨330及第二导轨340垂直设置，所述第一导轨330设置在第二导轨340上方，所述第一导轨330下方设置有第一滑块350，所述第一滑块350卡置在第二导轨340上，所述第一导轨330沿第二导轨340方向来回运作；所述铣削座310下方设置有第二滑块360，所述第二滑块360卡置在第一导轨330上，所述铣削座310沿第一导轨330方向来回运作；所述铣削座310设置有第一基架311及铣削夹座312，所述铣削夹座312卡持在第一基架311一侧，所述第一基架311一侧设置有第三导轨313，所述铣削夹座312匹配第三导轨313一侧固定设置有第三滑块314，所述第三滑块314卡置在第三导轨313上，所述铣削夹座312沿第三导轨313来回往复运作，从而构成多轴高能粒子束熔覆及多轴机加工对精密金属零件一步成型装置。

所述铣削夹座312包括铣削基座3121及铣削夹具3122，所述第三滑块314卡置在铣削基座3121一侧，所述铣削夹具3122设置在铣削基座3121下端部，所述铣削夹具3122可以夹持刀具或堆焊喷枪410，具体地，所述铣削夹具3122夹持堆焊喷枪410在加工转板233上进行逐层堆叠形成金属胚料，或者所述铣削夹具3122夹持刀具对加工转板233上熔融成型的单层或多层近似形体进行铣削加工，在增材加工阶段金属胚料是熔覆在加工转板223上，堆叠形成的金属胚料的机械强度足以承受刀具机加工切削力，故此不须用特殊夹具对金属胚料进行夹持固定，同时金属胚料的机械原点亦不须重设，即堆焊喷头的轴线与机加工轴线近乎重合进行增材加工或减材加工，增材加工及减材加工的原点是近乎一致的，以保证机加工的准确性，使得3D打印的金属胚料和堆叠形成的金属胚料机加工成零件可以一步完成，熔覆成型速度比传统式金属3D打印成型快10～20倍，粉材利用率高且无须生成多余的支撑点，大大节约了产品生产工序流程，提高了产品生产效率，可以利用各种不同材质粉末进行合金熔覆生成需要性能的合金工件，表面可达到铸件表面光洁度、机械性能如密度、硬度、拉伸强度等基本上达到同种材质铸件性能。

所述铣削座310在需要进行堆焊作业时，铣削座310在第一导轨330及第二导轨340的作用下移位至喷枪座400上方，同时，铣削夹座312沿第三导轨313向下运作到喷枪座400上方，铣削夹具3122对接夹柱4111夹持住堆焊喷枪410，此时，堆焊夹具411在铣削夹具的带动下离开喷枪座400，传感器420感应到堆焊夹具411处于使用状态，则能保证增材加工不会混淆出现人为错误；同时，将堆焊喷枪410与刀具进行分离设置，能充分利用空间，对堆叠形成的金属胚料干涉少，在对金属胚料进行机加工时不会妨碍刀具的运动。

所述刀具座320包括第二基架321及刀库腔322，所述刀库腔322固定设置在第二基架321上，所述刀库腔322下方设置有刀臂架323，所述刀库腔322内存储有不同的铣削头，所述刀臂架323上可根据需要从刀库腔322内提出不同的铣削头以供铣削座310备用，当铣削座310需要更换铣削头时，第一导轨330沿第二导轨340朝刀具座320一侧移动，此时，铣削座310同时随着第一导轨330朝刀具座320进行移位，刀臂架323与铣削基座3121下端部持平，以使得更易更换掉铣削基座3121下端部的铣削夹具3122，进而完成换刀工序，提高刀库腔分离安装的动柱式多轴铣削机构300的工作效率。

在其中一个实施例中，所述机座100上方设置有机罩(图未示)，所述机罩上设置有观察窗，所述观察窗采用深色电焊护目玻璃材质构造，以避免强光炫目及污染，同时也保护了操作者的眼睛。

在其中一个实施例中，多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置还设置有2个以上摄像头及显示器，能可靠观察铣削夹座312夹持堆焊喷枪或刀具后的实时操作过程，以避免强光炫目。

在其中一个实施例中，所述堆焊喷枪一侧装设有红外非接触式测温探头，能对熔覆区温度进行实时检测反馈，方便对堆焊喷枪产生的温度进行控制，提升产品生产质量。

在其中一个实施例中，多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置采用封闭式构造，机座100结合机罩形成密闭空间，能有效防止粉尘外溢，多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置装设有过滤式抽风装置，避免烟雾尘埃对环境的污染，并可回收贵重的金属粉末。

在实际加工过程中，其具体操作过程如下，通过第一滑块350及第二滑块360的带动作用，利用第一导轨330及第二导轨340的导向作用调整铣削座310与工作台200或喷枪座400之间的水平距离，利用第三导轨313的导向作用调整铣削夹座312与工作台200或喷枪座400之间的垂直距离，使得铣削夹座312移位至工作台200或喷枪座400上方；首先，1)通过第一导轨330、第二导轨340及第三导轨313控制调节铣削夹座312与喷枪座400的距离，使得铣削夹座312对接夹柱4111夹持住堆焊喷枪410，此时，堆焊夹具411在铣削夹具的带动下离开喷枪座400，传感器420感应到堆焊夹具411处于使用状态，再将堆焊喷枪410移位至加工转板233上方，通过堆焊喷头将导入的金属粉末进行熔融加工，逐行逐层在工作台200上堆积形成单层或多层的近似形体；2)控制调节第一导轨330、第二导轨340及第三导轨313控制调节铣削夹座312与喷枪座400的距离，使得铣削夹座312将堆焊喷枪410卡持在喷枪座400上，传感器420感测到堆焊夹具411处于未使用状态，再调节铣削夹座312与刀臂架323的距离，铣削夹座312根据需求夹持刀具对加工转板233上熔融成型的单层或多层近似形体进行铣削加工，以达到构件所需的尺寸及表面精度；3)重复上述步骤1)及2)，一直到最后的零件的形状加工完毕，就能制造出一般机器不能制造的复杂腔体或如啤酒瓶状开口小而内腔大的精密件。

当需要更换铣削夹具3122时，通过第三导轨313的导向作用，使得铣削夹具3122与刀臂架323处于同一水平面上，再通过第一导轨330及第二导轨340的导向作用，使得铣削夹具3122与刀臂架323进行对接，与刀臂架323上备用的铣削头进行更换，进而完成切换铣削夹具3122的目的，方便、简单、便捷，更有利于产品生产效率的提高。

综上所述，本发明多轴高能粒子束熔覆及铣削加工复合打印装置通过第一导轨330及第二导轨340的导向作用调整铣削座310与工作台200或喷枪座400之间的水平距离，使得铣削座310移位至工作台200或喷枪座400上方；铣削夹具3122通过夹持刀具或堆焊喷枪410在工作台200上形成的单层或多层的近似形体构件并进行铣削，以达到构件所需的尺寸及表面精度这样，不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形及难以加工的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。