增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统及方法与流程

本发明属于零件加工制造领域，具体涉及一种增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统及方法。

背景技术：

传统的减材制造方法渐渐无法满足近年来工业领域高端零件设计与快速制造越来越迫切的需求。近些年来兴起的增材制造技术由于其一系列优点，如快速、灵活、低浪费等，很好地弥补了传统制造方法的不足，适合复杂零件的快速制造。然而，增材制造的方法也有着许多难以克服的劣势，比如表面粗糙度高，热应力明显，易形变，精度差等，限制了其在先进零件制造领域的应用。为了提高增材制造零件的适用性，往往需要二次成型或加工过程如热处理、表面修型等，降低了加工效率并增加了操作复杂性。

为了解决这些问题，将增材制造和减材切削相结合已经成了行业研究和产品研发的热点。通过增材和减材的结合，成形零件的表面粗糙度和成形精度都能够在减材过程中得到保证，复杂零件的中空部位和内孔可以通过成形过程中的减材切削来加工，避免了纯增材制造方法中难以去除的支撑结构，极大地提高了制造效率和加工质量。然而，现有的增材减材相结合的工艺也有非常明显的劣势。因为高能束增材制造过程中熔池尺寸小、冷却速率极快，整个凝固过程中材料处于非稳态，凝固组织内部微观缺陷多，位错密度高，导致材料硬而脆，非常不利于切削操作，致使刀具磨损大，寿命短。

激光辅助切削作为一种有效的表面改性方法能够软化待切削材料，减少材料微观组织缺陷，降低位错密度，提高材料延展性；同时，随着材料软化和延展性的提高，切削力将大大降低，减少了刀具磨损并延长了刀具寿命。此外，介于零件的内部微观和高位错密度，增材或增减材处理后的零件还需要最终的整体离线退火热处理工序。至此，将激光辅助切削用于增材制造过程并消除离线退火热处理的方法尚无报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统及方法，解决现有技术中增材制造零件的适用性差、加工操作复杂、表面粗糙度高、加工精度差以及减材制造零件刀具磨损的问题。

为解决上述问题，本发明一方面提供了一种增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统，所述系统包括：增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块、模块切换单元、控制单元10和工作台；所述增材制造模块、所述激光预热模块、所述减材切削模块均安装在所述模块切换单元上；所述增材制造模块、所述减材切削模块、所述激光预热模块、所述模块切换单元、所述工作台均与所述控制单元10连接；所述工作台用于放置待成形零件12。

优选地，所述增材制造模块包括送粉器1、送粉喷嘴2、增材制造激光源9，所述送粉器1与所述送粉喷嘴2连接，所述送粉喷嘴2靠近所述增材制造激光源9设置，并能够将所述送粉器1中的原料送至所述增材制造激光源9的热源聚焦处，所述增材制造激光源9与所述控制单元10连接。

优选地，所述减材切削模块包括铣削刀具6和驱动电机7，所述铣削刀具6连接于所述驱动电机7的输出转轴，所述驱动电机7连接于所述控制单元10。

优选地，所述减材切削模块还包括放置有多种铣削刀具的刀具库5，所述铣削刀具6通过所述控制单元10进行更换。

优选地，所述模块切换单元包括模块切换主轴4和模块切换辅轴13，所述模块切换主轴4连接于所述控制单元10，并能够在所述控制单元10的控制下进行旋转；所述模块切换辅轴13连接于所述模块切换主轴4，所述增材制造模块、所述减材切削模块、所述激光预热模块分别设置在所述模块切换辅轴13上。

优选地，所述工作台包括基底14、三维平移机构15、多自由度转动机构11和加工基板3；所述三维平移机构15设置于所述基底14上，并能够相对于所述基底14沿三个维度方向进行平移；所述多自由度转动机构11设置于所述三维平移机构15上，并能够相对于所述三维平移机构15沿两个轴向方向进行旋转；所述加工基板3安装于所述多自由度转动机构11上，所述加工基板3用于放置待成形零件12。

优选地，还包括温度测量装置，用于测量所述待成形零件12的温度，所述温度测量装置与所述控制单元10连接。

优选地，还包括监控装置，用于监控待成形零件12的质量，所述监控装置与所述控制单元10连接。

优选地，还包括密封腔体，所述增材制造模块、所述减材切削模块、所述激光预热模块、所述模块切换单元、所述工作台均位于所述密封腔体内。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用本发明的第一方面所述的复合制造系统制造零件的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、生成增材路径以及减材路径；

步骤二、对密封腔体抽真空，在密封腔体内充入保护气体；

步骤三、控制单元10通过模块切换单元将增材制造模块切换至加工基板3的上方，开启送粉喷嘴2使原料粉末均匀喷涂至加工基板3，开启增材制造激光源9并按照预定的零件数字模型切片形状扫描粉床，使原料粉末凝固成型，在加工基板3上打印沉积特定层数，形成增材制造层；

步骤四、控制单元10通过模块切换单元将激光预热模块切换至加工基板3的增材制造层的上方，启动辅助预热激光源8，照射增材制造层待切削区域并使其温度快速上升；

步骤五、当检测到增材制造层待切削区域温度达到预定的加工温度，控制单元10通过模块切换单元将减材切削模块切换至加工基板3的经过预热的增材制造层的待切削区域的上方，启动驱动电机7，利用高速旋转的铣削刀具6对预热的增材制造层进行切削加工；

步骤六、控制单元10通过模块切换单元将增材制造模块切换至加工基板3的经过切削加工处理的增材制造层的上方，重复步骤三至五进行待成形零件的逐层打印、预热和切削，直至制得完整的零件。

优选地，步骤三所述的增材制造层的厚度不小于200μm。

优选地，根据所述的增材制造层需要切削区域的大小固定辅助预热激光源8和待预热的增材制造层的相对位置，或者使辅助预热激光源8在待预热的增材制造层表面来回扫描，使待预热的增材制造层表面温度快速达到材料的退火温度。

优选地，使用增材制造激光源9代替辅助预热激光源8对待切削的增材制造层进行切削前的辅助预热。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明创新性地将增材制造与激光预热辅助切削相结合，极大地降低了切削难度，提高了成形零件的表面切削质量，减少了刀具磨损并延长了刀具寿命。激光预热产生的退火效应能够消除增材制造过程中产生的残余热应力和大量微观组织缺陷，明显地提高了产品质量。切削过程能够改善零件表面粗糙度，提高零件几何精度，对复杂结构的切削加工，如中空、悬臂等结构的切削能够避免支撑结构，简化了制造过程；同时，切削过程对零件表面引入了一定的残余压应力，能够很好地提高零件机械性能。通过此工艺加工的零件，具有更少的有害残余应力，与传统减材制造相当的表面粗糙度和几何精度，微观组织缺陷更少，延展性也得到了提高。零件的一系列机械性能如强度和抗疲劳性能也得到了明显改善，可直接应用于各类高端工业部件，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统的整体结构示意图。

附图标号：

1.送粉器；2.送粉喷嘴；3.加工基板；4.模块切换主轴；5.刀具库；6.铣削刀具；7.驱动电机；8.辅助预热激光源；9.增材制造激光源；10.控制单元；11.多自由度转动机构；12.待成形零件；13.模块切换辅轴；14.基底；15.三维平移机构；16.红外相机传感器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

本发明的增材制造和激光预热辅助切削的复合制造系统如图1所示，系统包括：增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块、模块切换单元、控制单元10和工作台；增材制造模块、激光预热模块、减材切削模块均安装在模块切换单元上；增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块、模块切换单元、工作台均与控制单元10连接；工作台用于放置待成形零件12。

增材制造模块包括送粉器1、送粉喷嘴2、增材制造激光源9，送粉器1与送粉喷嘴2连接，送粉喷嘴2靠近增材制造激光源9设置，并能够将送粉器1中的原料送至增材制造激光源9的热源聚焦处，增材制造激光源9与控制单元10连接，控制单元10控制增材制造激光源9的强度、光斑尺寸等。

减材切削模块包括铣削刀具6和驱动电机7，铣削刀具6连接于驱动电机7的输出转轴，驱动电机7连接于控制单元10，并通过控制单元10控制驱动电机7的运行。减材切削模块还包括放置有多种铣削刀具的刀具库5，根据减材路径通过控制单元10随时自动更换铣削刀具6，通过不同的铣削刀具6对待成形零件12的内部和外部轮廓进行精细加工，提高加工精度。增材制造过程中，逐层或每隔特定层数对待成形零件12制造过程中的特定部位进行切削操作，能够改善零件表面粗糙度，提高零件几何精度。对复杂结构的切削加工，如中空、悬臂等结构的切削能够避免支撑结构，简化了制造过程；同时，切削过程对零件表面引入了一定的残余压应力，能够很好地提高零件机械性能。通过此工艺加工的零件，具有更少的有害残余应力，与传统减材制造相当的表面粗糙度和几何精度，微观组织缺陷更少，延展性得到了提高，零件的一系列机械性能如强度和抗疲劳性能也得到了明显改善。

激光预热模块包括辅助预热激光源8，辅助预热激光源8与控制单元10相连，通过控制单元10调整辅助预热激光源8的激光功率和光斑尺寸，对待成形零件12制造过程中待切削区域进行切削前的辅助预热，快速加热待切削区域至材料退火温度，能够使待切削区域材料软化，并在材料冷却之前进行切削，可以降低切削力，提高切削速度和切削表面质量，延长刀具寿命。如果待切削区域加热至材料退火温度，并维持一定时间，可以消除预热区域材料的内部微观缺陷，提高其塑性，达到在线退火的效果，增材制造的成形零件无需进行离线整体退火热处理工序。

模块切换单元包括模块切换主轴4和模块切换辅轴13，模块切换主轴4连接于控制单元10，并能够在控制单元10的控制下进行旋转；模块切换辅轴13有三个，均垂直连接于模块切换主轴4上，增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块分别安装在一个模块切换辅轴13上。在零件逐层加工过程中控制单元10控制模块切换主轴4转动，可任意切换增材模块、减材模块和激光预热模块至加工基板3的上方。

工作台用于放置待成形零件12，工作台包括基底14、三维平移机构15、多自由度转动机构11和加工基板3。三维平移机构15设置于基底14上，并能够相对于基底14沿三个维度方向进行平移。多自由度转动机构11设置于三维平移机构15上，并能够相对于三维平移机构15沿两个轴向方向进行旋转。加工基板3安装于多自由度转动机构11上，加工基板3用于放置待成形零件12。工作台与控制单元10相连，工作台的运动通过控制单元10进行。工作台拥有5轴自由度，工作台能够沿x、y、z三个方向平移并能够绕x、z轴为中心轴旋转，能够在制造过程中对零件形态位置做多维度调节，可以生产制造任意复杂形状的零件。

控制单元10为全自动数字控制，能够基于零件逐层切面和加工代码自动控制增材制造模块、激光辅助预热模块和减材切削模块，也可借助手动操作实现。

本发明的增材制造和激光预热辅助切削的复合制造系统还包括温度测量装置，用于测量待成形零件12制造过程中待加工区域的温度，温度测量装置与控制单元10连接，温度测量装置为红外热像仪、红外测温仪、温度传感器或其他类似的装置。

本发明的增材制造和激光预热辅助切削的复合制造系统还包括监控装置，用于监控待成形零件12的质量，监控装置与控制单元10连接，监控装置为红外相机传感器16或其他类似的装置。

本发明的增材制造和激光预热辅助切削的复合制造系统还包括密封腔体，增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块、模块切换单元、工作台均位于密封腔体内。

本发明还提供了一种利用上述的复合制造系统制造零件的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、生成增材路径以及减材路径；

步骤二、对密封腔体抽真空，在密封腔体内充入保护气体；

步骤三、控制单元10通过模块切换单元将增材制造模块切换至加工基板3的上方，开启送粉喷嘴2使原料粉末均匀喷涂至加工基板3，开启增材制造激光源9并按照预定的零件数字模型切片形状扫描粉床，使原料粉末凝固成型，在加工基板3上打印沉积特定层数，形成增材制造层，增材制造层的厚度不小于200μm；

步骤四、控制单元10通过模块切换单元将激光预热模块切换至加工基板3的增材制造层的上方，启动辅助预热激光源8，照射增材制造层待切削区域并使其温度快速上升；

步骤五、当检测到增材制造层待切削区域温度达到预定的加工温度，控制单元10通过模块切换单元将减材切削模块切换至加工基板3的经过预热的增材制造层的待切削区域的上方，启动驱动电机7，利用高速旋转的铣削刀具6对预热的增材制造层进行切削加工；

步骤六、控制单元10通过模块切换单元将增材制造模块切换至加工基板3的经过切削加工处理的增材制造层的上方，重复步骤三至五进行待成形零件的逐层打印、预热和切削，直至制得完整的零件。

对于在高温下易氧化或易发生其他反应的材料，为了防止零件在加工过程中氧化或发生其他反应，上述制造方法是在密封腔体内进行的，增材制造模块、减材切削模块、激光预热模块、模块切换单元、工作台均位于密封腔体内；在待成形零件12制造前，需要对密封腔体抽真空，在密封腔体内充入保护气体，保护气体可以是不与待成形零件12的材料发生反应的惰性气体，如氩气等。

进行激光辅助切削的操作的层数间隔取决于精度要求和零件具体成型形状。

根据增材制造层需要切削区域的大小可以固定辅助预热激光源8和待预热的增材制造层的相对位置，或者使辅助预热激光源8在待预热的增材制造层表面来回扫描，使待预热的增材制造层表面温度快速达到材料的退火温度。

也可使用增材制造模块的增材制造激光源9代替辅助预热激光源8对待切削的增材制造层进行切削前的辅助预热。

实施例一：

本实施例以316l不锈钢材料制造含中空结构的金属零件为例，使用如图1所示的增材制造和激光预热辅助减材切削的复合制造系统，具体包括以下步骤(注：所涉及到的具体参数仅为典型值，为更好地表述此发明，不限制此发明的有效使用范围)：

(1)生成增材路径以及减材路径。

(2)对密封腔体抽真空，然后向密封腔体内通入氩气，使密封腔体内氧气含量低于0.3％。

(3)控制单元10通过模块切换单元将增材制造模块切换至加工基板3的上方，开启送粉器1，球形316l不锈钢粉末在氩气的作用下由送粉喷嘴2喷出至加工基板3上，送粉速率设定为每分钟120g；开启增材制造激光源9并按照预定的零件数字模型切片形状扫描粉床，设置激光功率为500w，光斑尺寸为1mm，扫描速率为8mm/s，使金属粉末凝固成型。

(4)打印5层后，控制单元10控制模块切换主轴4旋转90°，将激光预热模块切换至加工基板3的增材制造层的上方；设置辅助预热激光源8的功率为1kw，光斑尺寸为5mm；辅助预热激光源8对增材制造层的管道结构位置加热，当红外热像仪检测到增材制造层的管道结构位置的温度达到900℃停止加热。

(5)控制单元10控制模块切换主轴4旋转90°，将减材切削模块切换至加工基板3的经过预热的增材制造层的管道结构位置的上方；启动驱动电机7，使用4mm扩孔钻对中空管道部位进行钻孔，设置驱动电机7的转速为800转/分钟,对中空管道结构扩孔成形，通过钻孔操作成形内部直径4mm的中空管道结构。

(6)控制单元10控制模块切换主轴4反向旋转180°，切换增材制造模块至加工基板3的经过减材切削处理的增材制造层的上方，启动送粉喷嘴2和增材制造激光源9，继续打印20层；控制单元10控制模块切换主轴4旋转90°，将激光预热模块切换至加工基板3的增材制造层的上方，设置辅助预热激光源8的功率为2kw，光斑尺寸为5mm，来回扫描待铣削增材制造层的表面，当红外热像仪检测到待铣削增材制造层的温度达到900℃停止加热；根据精度要求更换10mm直径铣刀，对经过预热处理的待铣削增材制造层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度降低至ra＝3μm，设置主轴转速800转/分，进给量300μm，取、换刀动作可基于控制单元10的数字控制实现无人干预。

若增材制造层待铣削区域面积很大无法一次性全部预热至理想温度，则单次只预热小范围表面，确保此次切削操作范围内材料温度足够高，重复此操作对其他未预热区域进行切削，此实施例中单次最多可预热500mm²正方形范围。

(7)控制单元10控制模块切换主轴4反向旋转180°，切换增材制造模块至加工基板3的经过减材切削处理的增材制造层的上方，重复步骤(3)～(6)，根据数控程序继续逐层熔覆金属粉末进行增材制造、激光预热和减材切削，直至完成整个零件加工制造。在零件加工制造过程中通过红外相机传感器16实时监测待成形零件12的质量。

通过采用激光辅助预热的方式，进行相同的外表面铣削操作时切削力减少了约40％，切削表面粗糙度由ra＝42μm提高至ra＝3μm，刀具磨损显著减少。

本发明创新性地将增材制造与激光预热辅助减材切削相结合，提出了一种增材制造与激光预热辅助减材切削相结合的复合制造系统及方法，特别适合具有复杂结构的零件的加工，该方法不仅具有增材制造的快速、灵活、低成本的优势，而且具有与传统减材制造相当的表面粗糙度和几何精度。由于采用激光预热辅助切削，极大地降低了切削加工的难度，减少了刀具磨损并延长了刀具寿命，同时激光预热产生的退火效应能够消除增材制造过程中产生的残余热应力和大量微观组织缺陷。使用本发明的方法制造的零件的机械性能如强度和抗疲劳性能得到了明显改善，可直接应用于各类高端工业部件，具有广阔的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。