一种金属零件的增减材复合制造装备及方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种金属零件的增减材复合制造装备及方法。

背景技术：

激光选区熔化是一种新兴的増材制造技术，它基于“离散-堆积”原则，利用扫描振镜输出的高能量密度激光束对逐层铺置的金属粉末层实施选区熔化，可在不借助工装夹具和模具的情况下完成复杂金属零部件的近净成形。

然而，采用激光选区熔化制造的金属零部件普遍存在表面粗糙和尺寸偏差等问题，通常须在成形后利用传统机床对关键位置施以机械加工方可投入实际应用，导致生产周期的延长与制造成本的攀升。

综上所述，开发一种既能成形各种复杂结构，又能保证产品表面质量与尺寸精度的新型制造装备及方法，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种金属零件的增减材复合制造装备及方法，旨在高效、一次性地制造各类尺寸精度与表面质量优良的复杂结构金属零件。

本发明提供一种金属零件的增减材复合制造装备，其特征在于，该装备包括增材制造组件、减材制造组件、气氛调控组件和控制系统；

所述增材制造组件用于对待加工零件实施激光选区熔化；

所述减材制造组件用于对已熔化成形的金属零件切片层实施机械加工；

所述气氛调控组件用于在零件制造过程中为激光辐照区域提供保护气体和清除激光辐照区域产生的金属烟尘；

所述控制系统用于处理待成形金属零件CAD模型，生成增材制造组件与减材制造组件的加工轨迹，并驱动装备各部分的运行；

所述待加工零件的数量既可为一个，又可为多个；

所述激光选区熔化与机械加工过程既可交替进行，又可同步进行。

利用上述增减材复合式金属零件制造装备成形金属零件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第1步控制系统处理金属零件CAD模型，根据模型切片轮廓信息生成增材制造组件与减材制造组件的加工轨迹；

第2步利用气氛调控组件在激光辐照区域建立惰性、无粉尘气氛；

第3步铺置金属粉末层；

第4步控制增材制造组件沿装备左右方向依次对待加工零件实施激光选区熔化；与此同时，控制减材制造组件沿相同方向依次对已熔化成形的金属零件切片层实施机械加工；

第5步将零件已完成加工的切片层下降一定高度，并在其上方重新铺置金属粉末层；

第6步重复第4步与第5步，直至完成所有金属零件的的增减材复合制造。

本发明包括一种金属零件的增减材复合制造装备及方法，具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明利用增材制造组件中的M(M≥1)个扫描振镜系统依次对N(N≥1)个成形缸上表面铺置的金属粉末层实施激光选区熔化，并在第一个成形缸上表面的金属粉末层完成激光选区熔化后，利用减材制造组件中的铣削刀具依次对所有成形缸上表面已经熔化成形的金属切片层实施机械加工；基于该工作原理，本发明可以高效、一次性地制造各类尺寸精度与表面质量优良的复杂结构金属零件；

(2)本发明装备增材制造组件中成形缸的数量可以灵活调节，进而可在一个生产周期中完成多个金属零件的增减材复合制造；

(3)增材制造组件与减材制造组件即可交替工作，又可同步工作，进一步提升了加工效率与柔性；

(4)发明所提供的装备可通过对现有激光选区熔化装备予以改造而实现，运行及维护成本低。

附图说明

图1、图2为实施例1所提供的一种金属零件的增减材复合制造装备，其中，图1为装备的侧视图，图2为密闭腔体内部A-A面的剖视图；

图3、图4为实施例2所提供的一种金属零件的增减材复合制造装备，其中，图3为装备的侧视图，图4为密闭腔体内部B-B面的剖视图；

图中标号说明：1-卧式床身；2-门式框架；3-吊臂；4-铣削刀具；5-基座；6-工作平台；7-铺粉器；8-成形缸；9-第一粉末储存室；10-第二粉末储存室；11-激光扫描发生器；12-第一铺粉导轨；13-第二铺粉导轨；14-第一扫描导轨；15-第二扫描导轨；16-基板；17-活塞；18-第一储粉室支架；19-第二储粉室支架；20-工作平台支撑柱；21-扫描导轨支撑柱；22-扫描振镜系统；23-第一铣削导轨；24-第二铣削导轨；25-铣削横梁；26-铣削滑块；27-铣削导轨支撑柱；28-保护气源；29-高效除尘机；30-密闭腔体。

具体实施方式

下面通过借助实施例及附图更加详细地说明本发明，但下列实施例及附图仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。此外，下面所描述的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。

本发明提供的一种金属零件的增减材复合制造装备，其特征在于，该装备包括增材制造组件、减材制造组件、气氛调控组件和控制系统；

所述增材制造组件用于对待加工零件实施激光选区熔化；

所述减材制造组件用于对已熔化成形的金属零件切片层实施机械加工；

所述气氛调控组件用于在零件制造过程中为激光辐照区域提供保护气体和清除激光辐照区域产生的金属烟尘；

所述控制系统用于处理待成形金属零件CAD模型，生成增材制造组件与减材制造组件的加工轨迹，并驱动装备各部分的运行；

所述待加工零件的数量既可为一个，又可为多个；

所述激光选区熔化与机械加工过程既可交替进行，又可同步进行。

使用该装备制造金属零件的方法可概括为以下步骤：

(1)控制系统处理金属零件CAD模型，根据模型切片轮廓信息生成增材制造组件与减材制造组件的加工轨迹；

(2)利用气氛调控组件在激光辐照区域建立惰性、无粉尘气氛；

(3)铺置金属粉末层；

(4)控制增材制造组件沿装备左右方向依次对待加工零件实施激光选区熔化；与此同时，控制减材制造组件沿相同方向依次对已熔化成形的金属零件切片层实施机械加工；

(5)将零件已完成加工的切片层下降一定高度，并在其上方重新铺置金属粉末层；

(6)重复步骤(4)～(5)，直至完成所有金属零件的的增减材复合制造。

实例：

实施例1

如图1、图2所示，本发明实例提供的一种金属零件的增减材复合制造装备，包括减材制造组件、增材制造组件、气氛调控组件和控制系统。

所述减材制造组件包括铣削刀具4和铣削刀具传动系统；铣削刀具传动系统具体为一台五轴联动龙门机床，由卧式床身1、门式框架2和吊臂3构成；其中，门式框架2横跨可沿左右方向伸缩的卧式床身1；吊臂3安装在门式框架2的上部，可沿前后方向与竖直方向滑动；铣削刀具4安装于吊臂3下方；

所述增材制造组件包括基座5、工作平台6、铺粉器7、成形缸8、第一储粉室9、第二储粉室10、激光扫描发生器11、第一铺粉导轨12、第二铺粉导轨13、第一扫描导轨14、第二扫描导轨15、基板16、活塞17、第一储粉室支架18、第二储粉室支架19、工作平台支撑柱20和扫描导轨支撑柱21；其中，基座5安装于卧式床身1的上表面，可通过卧式床身1的伸缩及吊臂3的滑动实现与铣削刀具4沿左右、前后及竖直方向的相对移动；工作平台6通过工作平台支撑柱20安装于基座5上方；第一铺粉导轨12与第二铺粉导轨13分别安装于工作台6上表面的前后两端，两者可带动与其相连的铺粉器7在工作平台6上表面沿左右方向往复运动；第一储粉室9与第二储粉室10分别开设于铺粉器7运动轨迹左右两侧的上方，并分别通过第一储粉室支架18与第二储粉室支架19与工作台6的上表面相连；N个(N≥1)自左至右排列的成形缸8均匀开设于工作平台6上表面由第一铺粉导轨12、第二铺粉导轨13、第一储粉室9竖直投影和第二储粉室10竖直投影所围的区域；活塞17安装于每一个成形缸8的缸体底部，基板16安装于活塞17上方，可在活塞17带动下在成形缸8的缸体内部沿竖直方向升降；第一扫描导轨14与第二扫描导轨15通过扫描导轨支撑柱21安装于基座5上方，两者可带动与其相连的激光扫描发生器11在工作平台6上方沿左右方向往复运动；第一扫描导轨14、第二扫描导轨15和激光扫描发生器11的高度低于门式框架2的横梁；激光扫描发生器11内部含有M个(M≥1)扫描振镜系统22；本实例对第一储粉室9、第二储粉室10、铺粉器7与扫描振镜系统22的具体结构没有特定要求，选用现有激光选区熔化设备的对应机构即可；在金属零件制造过程中，第一储粉室9与第二储粉室10负责存放金属粉末，并在铺粉器7移动至其下方时为铺粉器7提供数量可控的金属粉末；铺粉器7负责在每块基板16上方铺置厚度可控的金属粉末层；激光扫描发生器11中的M个扫描振镜系统22负责对每块基板16上方铺置的金属粉末层实施激光选区熔化；

所述气氛调控组件包含保护气源28、高效除尘机29和密闭腔体30；其中，密闭腔体30将减材制造组件和增材制造组件封闭于其内部；保护气源28与高效除尘机29位于密闭腔体30外部，分别负责在零件制造过程中为激光辐照区域提供保护气体和清除激光辐照区域产生的金属烟尘；本实例对保护气源28与高效除尘机29的具体结构亦没有特定要求，选用现有激光选区熔化设备的对应机构即可；

所述控制系统位于密闭腔体30外部，与装备其余部分通过电信号相连，用于处理待成形金属零件CAD模型，生成M个扫描振镜系统22与铣削刀具4的加工轨迹，并驱动装备各部分的运行。

利用图图1、图2所示的增减材复合制造装备成形金属零件的方法可分为以下步骤：

(1)根据生产需求，为每个成形缸8分配待加工的金属零件；控制系统将所有金属零件的CAD模型切片以生成激光扫描发生器11中的M个扫描振镜系统22的扫描轨迹；

(2)控制系统识别每个金属零件须施加机械加工的切片层，并生成铣削刀具4的加工轨迹；金属零件须施加机械加工的切片层包含但不限于：表面粗糙度须低于Ra12.5～Ra25的切片层、需要与其他零件进行尺寸配合的切片层；

(3)利用气氛调控组件在激光辐照区域建立惰性、无粉尘气氛；上升所有成形缸8中的基板16，使基板16上表面位于扫描振镜系统22的焦平面；

(4)铺粉器7接受第一储粉室9所提供的金属粉末，并自左至右依次在所有成形缸8上表面铺置具有一定厚度的金属粉末层；

(5)激光扫描发生器11中的M个扫描振镜系统22自左至右依次对所有成形缸8上表面铺置的金属粉末层实施激光选区熔化，并在最左侧成形缸8上表面的金属粉末层完成激光选区熔化后，利用铣削刀具4自左至右依次对所有成形缸8上表面已经熔化成形的金属切片层实施机械加工；

(6)将所有基板16沿竖直方向下降与零件切片层厚度相同的距离；

(7)铺粉器7接受第二储粉室10所提供的金属粉末，并自右至左依次在所有成形缸8上表面铺置具有一定厚度的金属粉末层；

(8)激光扫描发生器11中的M个扫描振镜系统22自右至左依次对所有成形缸8上表面铺置的金属粉末层实施激光选区熔化，并在最右侧成形缸8上表面的金属粉末层完成激光选区熔化后，利用铣削刀具4自右至左依次对所有成形缸8上表面已经熔化成形的金属切片层实施机械加工；

(9)将所有基板16沿竖直方向下降与零件切片层厚度相同的距离；

(10)重复步骤(4)～(9)，直至完成所有金属零件的增减材复合制造。

实施例2

如图图3、图4所示，本发明实例提供的一种金属零件的增减材复合制造装备，包括增材制造组件、减材制造组件、气氛调控组件和控制系统。

所述增材制造组件包括基座5、工作平台6、铺粉器7、成形缸8、第一储粉室9、第二储粉室10、激光扫描发生器11、第一铺粉导轨12、第二铺粉导轨13、第一扫描导轨14、第二扫描导轨15、基板16、活塞17、第一储粉室支架18、第二储粉室支架19、工作平台支撑柱20和扫描导轨支撑柱21；其中，基座5位于装备最底部；工作平台6通过工作平台支撑柱20安装于基座5上方；第一铺粉导轨12与第二铺粉导轨13分别安装于工作台6上表面的前后两端，两者可带动与其相连的铺粉器7在工作平台6上表面沿左右方向往复运动；第一储粉室9与第二储粉室10分别开设于铺粉器7运动轨迹左右两侧的上方，并分别通过第一储粉室支架18与第二储粉室支架19与工作台6的上表面相连；N个(N≥1)自左至右排列的成形缸8均匀开设于工作平台6上表面由第一铺粉导轨12、第二铺粉导轨13、第一储粉室9竖直投影和第二储粉室10竖直投影所围的区域；活塞17安装于每一个成形缸8的缸体底部，基板16安装于活塞17上方，可在活塞17带动下在成形缸8的缸体内部沿竖直方向升降；第一扫描导轨14与第二扫描导轨15通过扫描导轨支撑柱21安装于基座5上方，两者可带动与其相连的激光扫描发生器11在工作平台6上方沿左右方向往复运动；激光扫描发生器11内部含有M个(M≥1)扫描振镜系统22；本实例对第一储粉室9、第二储粉室10、铺粉器7与扫描振镜系统22的具体结构没有特定要求，选用现有激光选区熔化设备的对应机构即可；在金属零件制造过程中，第一储粉室9与第二储粉室10负责存放金属粉末，并在铺粉器7移动至其下方时为铺粉器7提供数量可控的金属粉末；铺粉器7负责在每块基板16上方铺置厚度可控的金属粉末层；激光扫描发生器11中的M个扫描振镜系统22负责对每块基板16上方铺置的金属粉末层实施激光选区熔化；

所述减材制造组件包括铣削刀具4和铣削刀具传动系统；铣削刀具传动系统具体由第一铣削导轨23、第二铣削导轨24、铣削横梁25、铣削滑块26、铣削导轨支撑柱27和吊臂3构成；其中，第一铣削导轨23与第二铣削导轨24分别通过铣削导轨支撑柱27安装于基座5上表面的前后两端，两者可带动与其相连的铣削横梁25沿左右方向往复运动；第一铣削导轨23与第二铣削导轨24的高度高于第一扫描导轨14、第二扫描导轨15和激光扫描发生器11；铣削滑块26与铣削横梁25相连，可沿前后方向滑动；吊臂3与铣削滑块26相连，可沿竖直方向滑动；铣削刀具4安装于吊臂3下方。

所述气氛调控组件包含保护气源28、高效除尘机29和密闭腔体30；其中，密闭腔体30将减材制造组件和增材制造组件封闭于其内部；保护气源28与高效除尘机29位于密闭腔体30外部，分别负责在零件制造过程中为激光辐照区域提供保护气体和清除激光辐照区域产生的金属烟尘；本实例对保护气源28与高效除尘机29的具体结构亦没有特定要求，选用现有激光选区熔化设备的对应机构即可；

所述控制系统位于密闭腔体30外部，与装备其余部分通过电信号相连，用于处理待成形金属零件CAD模型，生成M个扫描振镜系统22与铣削刀具4的加工轨迹，并驱动装备各部分的运行。

利用图3、图4所示的增减材复合式金属零件制造装备成形金属零件的方法与实例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实例，基于本发明的思路还可设计多种增减材复合制造装备。例如，可将第一储粉室9、第二储粉室10更换为现有激光选区熔化装备中的送粉缸，即将金属粉末的供给方式由下落式改为上升式；装备亦可配备多个铣削刀具4，以便进一步提升加工效率；此外，激光扫描发生器11的移动亦可利用工业多关节智能机械手臂实现。总之，本发明不应该局限于上述实例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，仍应视为本发明保护范围之内。