双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备与方法与流程

本发明涉及金属零件增材制造技术领域，尤其涉及一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备与方法。

背景技术：

当前，很多大型工程汽车轮胎模具磨损和损伤后不能报废，需要修复；航空发动机机匣、整体叶盘、涡轮叶片等高价值部件存在服役损伤问题需要修复，但修复效率、成本、质量等均存在短板；核电工程类螺栓拉伸机支撑环、大型水力部件、核级过滤器本体、应急柴油发电机冷却风机叶片等典型部件利用传统方法存在着制造成本高、无法修复等问题。

金属增材制造技术领域正在快速发展，但现有的工艺手段难以实现大型构件现场修复。激光与电子束增材制造方式存在着成本高，精度低、变形大、内部缺陷不易控制等问题，限制了其在大规模工程中的推广应用。激光铺粉+铣削增减材设备能成形精度高、质量好的零件，但存在无法成形大尺寸、效率低、成本高等问题。等离子沉积是增材制造技术的一种，是一个逐层叠加的加工过程，送料装置将丝材或者粉末材料送到高温的等离子束中进行熔融沉积，通过机械运动装置带动等离子焊炬扫描成型零件的截面区域以使粉末熔融沉积于上一层截面上，随后焊炬上升一定高度并重复熔融和扫描的过程，就实现了逐层堆积成型三维金属零件的功能。等离子沉积具有高效快速的优点，但是精度方面有所欠缺。激光沉积与等离子沉积原理相似，通过激光来对材料进行熔融沉积，具有高精度、性能好的特点，但是在成型效率上面不如等离子沉积高效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服大型金属构件在线修复的困难，提供一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备。本发明将等离子沉积、激光沉积和铣削技术相结合，充分发挥等离子沉积和激光沉积增材制造的优势，填补国内大型金属构件在线修复的空白。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备，包括成型密封室、保护气气瓶、特制刀具库、集成控制系统、铣削机械臂、两轴变位机、熔池监控系统、增材机械臂、沉积增材系统以及铣削加工系统；

成型密封室设有密封接头，用于外部管线的接入；增材过程中由保护气气瓶通过密封接头向成型密封室内提供惰性气体进行保护；

特制刀具库、两轴变位机、熔池监控系统、增材机械臂以及铣削机械臂均位于成型密封室内；增材机械臂和熔池监控系统位于两轴变位机的一侧，铣削机械臂位于两轴变位机另一侧；

两轴变位机用于提供c轴和a轴方向的转动；

两轴变位机设有加热垫，用于对加工零件进行加热；所述加热垫通过电缆与成型密封室外部的预热装置连接；预热装置可以使得加热垫温度达到800℃；

沉积增材系统包括等离子束送丝式焊炬、等离子束送粉式焊炬、送丝机、送粉器、等离子束焊机、激光熔覆头、激光器以及水冷机；等离子束送丝焊炬分别与送丝机和等离子束焊机相连接；等离子束送粉式焊炬分别与送粉器和等离子束焊机相连接；水冷机分别与等离子束焊机和激光器相连接；保护气气瓶分别与送粉器、等离子束焊机和激光熔覆头相连接；激光熔覆头分别与激光器、水冷机和送粉器相连接；

增材机械臂通过定制快接法兰盘进行激光熔覆头、等离子送粉式焊炬和等离子送丝式焊炬装夹切换；

铣削加工系统包括空气压缩机、高速电主轴、刀夹和高速铣削刀具；铣削机械臂通过法兰盘与高速电主轴相连接；高速电主轴通过刀夹对高速铣削刀具进行装夹切换；空气压缩机与高速电主轴相连接；

所述等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬、激光熔覆头和高速铣削刀具均设置于特制刀具库内；

熔池监控系统搭载有高速相机、红外相机和光电二级管，用于实时采集熔池流场和温度场的数据；

所述沉积增材系统、铣削加工系统、熔池监控系统分别与集成控制系统相连接。

具体地，所述两轴变位机提供的c轴转角范围不受限制，a轴转角范围为±110°。

本发明的另一目的在于提供一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造方法，包括步骤：

(1)将待加工工件的加工路径文件导入集成控制系统中，设置加工参数；

(2)保护气气瓶向成型密封室中通入保护气体，预热装置通过加热垫对待加工工件进行预热；

(3)预热到设定温度后，增材机械臂通过快接法兰盘抓取等离子送丝式焊枪或等离子送丝式焊枪或激光熔覆头；

(4)增材机械臂按照设定路径及参数对工件进行增材制造工作；

(5)加工若干层后，增材制造工作自动暂停并通过熔池监控系统对已加工零件进行扫描，对比实际加工高度与设定高度，若存在高度差则进行补偿；

(6)循环步骤(4)和(5)，直至加工到预定尺寸；

(7)铣削机械臂抓取高速铣削刀具对零件进行铣削工作，加工完成且待工件降至室温后，取出工件。

具体地，所述步骤(1)共待加工工件的加工路径文件制备方法为：

(1-1)将待加工工件导入专用预处理软件进行加工计划分析和预留加工余量，对待加工工件进行切片得到切片文件；

(1-2)将切片文件导入专用路径规划软件中，进行加工路径规划，得到加工路径文件；

(1-3)将加工路径文件导入专用仿真软件中进行仿真模拟。

具体地，若干层根据需要调整，一般为5-8层。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明结合了等离子增材制造和激光增材制造的特点，有选择地使用等离子增材制造和激光增材制造，能够实现高效率、高质量的加工复杂零件，扩宽其工程应用前景。

2、本发明还引进高速铣削，可以将零件的成型精度进一步提高工件，并降低表面粗糙度。

3、本发明通过采用双机械臂结合两轴变位机协同工作系统，可实现空间曲面等复杂零件以及大尺寸零件的制造以及大型构件的修复。

4、本发明通过引进熔池监控系统，实现对成形过程的在线监控、对成型尺寸的反馈调节，提高了成型质量。

附图说明

图1是本发明双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造设备的结构示意图，所述设备包括成型密封室7、特制刀具库9、集成控制系统11、铣削机械臂12、两轴变位机13、熔池监控系统15、增材机械臂16、保护气气瓶18、沉积增材系统以及铣削加工系统；

成型密封室7设有密封接头，用于外部管线的接入；增材过程中由保护气气瓶通过密封接头向成型密封室内提供惰性气体进行保护；

特制刀具库、两轴变位机、熔池监控系统、增材机械臂以及铣削机械臂均位于成型密封室内；增材机械臂和熔池监控系统位于两轴变位机的一侧，铣削机械臂位于两轴变位机另一侧；

两轴变位机用于提供c轴和a轴方向的转动；

两轴变位机设有加热垫14，用于对加工零件进行加热；所述加热垫通过电缆与成型密封室外部的预热装置17连接；预热装置可以使得加热垫温度达到800℃；

沉积增材系统包括等离子束送丝式焊炬8、等离子束送粉式焊炬10、送丝机1、送粉器2、等离子束焊机3、激光熔覆头20、激光器5以及水冷机4；等离子束送丝焊炬分别与送丝机和等离子束焊机相连接；等离子束送粉式焊炬分别与送粉器和等离子束焊机相连接；水冷机分别与等离子束焊机和激光器相连接；保护气气瓶分别与送粉器、等离子束焊机和激光熔覆头相连接；激光熔覆头分别与激光器、水冷机和送粉器相连接；

增材机械臂通过定制快接法兰盘19进行激光熔覆头、等离子送粉式焊炬和等离子送丝式焊炬装夹切换；

铣削加工系统包括空气压缩机6、高速电主轴21、刀夹22和高速铣削刀具23；铣削机械臂通过法兰盘24与高速电主轴21相连接；高速电主轴通过刀夹22对高速铣削刀具23进行装夹切换；空气压缩机与高速电主轴相连接；

所述等离子束送丝焊炬、等离子送粉式焊炬、激光熔覆头和高速铣削刀具均设置于特制刀具库内；

熔池监控系统搭载有高速相机、红外相机和光电二级管，用于实时采集熔池流场和温度场的数据；

所述沉积增材系统、铣削加工系统、熔池监控系统分别与集成控制系统相连接。

具体地，所述两轴变位机提供的c轴转角范围不受限制，a轴转角范围为±110°。

一种双机械臂激光-等离子复合铣削增减材制造方法，包括步骤：

(1)将待加工工件的加工路径文件导入集成控制系统中，设置加工参数；

(2)保护气气瓶向成型密封室中通入保护气体，预热装置通过加热垫对待加工工件进行预热；

(3)预热到设定温度后，增材机械臂通过快接法兰盘抓取等离子送丝式焊枪或等离子送丝式焊枪或激光熔覆头；

(4)增材机械臂按照设定路径及参数对工件进行增材制造工作；

(5)加工若干层后，增材制造工作自动暂停并通过熔池监控系统对已加工零件进行扫描，对比实际加工高度与设定高度，若存在高度差则进行补偿；

(6)循环步骤(4)和(5)，直至加工到预定尺寸；

(7)铣削机械臂抓取高速铣削刀具对零件进行铣削工作，加工完成且待工件降至室温后，取出工件。

具体地，所述步骤(1)共待加工工件的加工路径文件制备方法为：

(1-1)将待加工工件导入专用预处理软件进行加工计划分析和预留加工余量，对待加工工件进行切片得到切片文件；

(1-2)将切片文件导入专用路径规划软件中，进行加工路径规划，得到加工路径文件；

(1-3)将加工路径文件导入专用仿真软件中进行仿真模拟。

具体地，若干层根据需要调整，一般为5-8层。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。