等增减材复合成形设备及其加工方法与流程

本发明涉及自动化加工设备技术领域，特别是涉及一种结构简单的等增减材复合成形设备及其加工方法。

背景技术

随着科技发展，人们对产品的质量要求越来越高，对产品的生产效率也提出了更高的要求，自动化加工设备已广泛运用于制造生产中，通过不断改进加工设备及加工方法，提高生产效率及生产质量。

目前，在生产制造具有内部空腔的薄壁零件时，常用加工方法有：一是将零件分解成几个部分，各部分分别采用模具进行冲压成形，然后再将各部分零件进行拼接最终得到完整零件，但冲压成形需要设计开发专用模具，模具研发成本昂贵，开发周期长，同时各部分零件间的拼接技术也一直是技术难点，在装配精度、密封性上常常会出现较大问题；二是采用熔模砂芯铸造的方法，该方法也需要单独进行模具设计，成本较高，且在内部空腔中可能会残留熔模材料；三是采用3d打印金属粉末激光熔融快速成形，3d打印技术不需要进行模具设计，但零件成形时表面会出现阶梯效应，影响零件质量。

综上所述，现有的加工设备及加工方法的生产效率较低、成本较高、产品质量不佳，难以满足人们的需求。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单、自动化程度高的等增减材复合成形设备，其加工方法简单易控、操作便捷。

一种等增减材复合成形设备，包括工作台、连接工作台的固定机构、连接固定机构的成形机构、连接固定机构的打印机构、激光机构、送粉机构、及输气机构；所述成形机构包括连接固定机构的夹持件；所述打印机构包括打印头、连接打印头的安装座、连接安装座的激光管、连接打印头的送粉管、及连接打印头的输气管；所述激光管的一端连接激光机构，所述送粉管的一端连接送粉机构，所述输气管的一端连接输气机构。

本发明的等增减材复合成形设备通过成形机构实现无模挤压的等材成形，通过激光机构实现3d打印的增材成形，再通过成形机构实现切削的减材成形；该设备集等增材减材加工于一体，三种加工既可单独运行，也可交互运行，避免产品重复定位，有效提高了产品的质量和尺寸精度，也提高了生产效率。

在其中一个实施例中，所述工作台包括基板、连接基板的支撑柱、滑设于支撑柱的成形板、连接成形板的紧固件、及用于驱动成形板升降的驱动件；所述工作台低于成形机构及打印机构。

在其中一个实施例中，所述成形机构还包括连接固定机构的刀库、换刀件、用于驱动刀库转动的转动动力件、及用于驱动换刀件移动的换刀动力件；所述换刀件设置于刀库及夹持件之间。

在其中一个实施例中，所述安装座设置于固定机构，该安装座的一端内置倾斜反射镜；所述打印头包括连接安装座的支撑件、及连接支撑件的喷头；所述支撑件内侧设置环形反射镜，该支撑件的中部设置一凸镜。

在其中一个实施例中，所述打印机构包括集中管，所述集中管从凸镜的下方延伸至喷头；所述送粉管的一端连接集中管，所述输气管的一端连接集中管。

在其中一个实施例中，所述打印机构还包括连接安装座的移动件、及用于驱动移动件升降的驱动件；所述移动件滑设于固定机构。

在其中一个实施例中，包括光学传感器；所述光学传感器连接移动件。

在其中一个实施例中，包括x轴调整机构、y轴调整机构、及z轴调整机构；所述x轴调整机构包括连接所述工作台的滑块、连接滑块的支撑座、及用于驱动滑块移动的x轴动力件；所述y轴调整机构包括连接所述支撑座的导轨、及用于驱动支撑座移动的y轴动力件；所述z轴调整机构包括升降块、及用于驱动升降块移动的z轴动力件；所述夹持件连接升降块。

在其中一个实施例中，所述固定机构包括底座、连接底座的支撑架、及围设底座的护板；所述导轨设置于底座，所述升降块滑设于支撑架。

一种等增减材复合成形设备的成形方法，基于上述等增减材复合成形设备，包括如下步骤：

s1，挤压成形：装有压头的所述夹持件对装夹在所述工作台上的金属板材进行加工成形，得到成形层，加工完成后的夹持件回复至原位；

s2，激光加工：启动所述激光机构、送粉机构及输气机构，所述打印头对经步骤s1加工得到的成形层上扫描加工，得到叠加层；完成后所述打印头暂停扫描，并且复位，再关闭所述激光机构、送粉机构及输气机构；

s3，切削加工：所述夹持件上的压头换成切削刀后，装有所述切削刀的夹持件将经步骤s2得到的叠加层的侧面进行切削加工，加工完成后的夹持件返回至原位；

s4，调整高度；向上调整所述打印头及夹持件一个叠加层的高度；

s5，重复操作：对经步骤s3切削加工后的成形层上继续反复重复步骤s2、步骤s3及步骤s4，直至加工完成。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的等增减材复合成形设备的立体结构示意图；

图2为图1等增减材复合成形设备中工作台、固定机构、成形机构、打印机构、x轴调整机构、y轴调整机构、及z轴调整机构的示意图；

图3为图2等增减材复合成形设备中除护板外的示意图；

图4为图3的另一角度的示意图；

图5为图1中打印机构的剖面图；

图6为图1中打印机构的工作原理图。

附图标注说明：

等增减材复合成形设备100；

工作台10、基板11、支撑柱12、成形板13、紧固件14、驱动件15、固定机构20、底座21、支撑架22、护板23、收集件24；

成形机构30、夹持件31、刀库32、换刀件33、转动动力件34、换刀动力件35、打印机构40、打印头41、支撑件411、喷头412、安装座42、激光管43、送粉管44、输气管45、环形反射镜46、凸镜47、倾斜反射镜48、集中管49；

激光机构50、送粉机构60、输气机构70、冷却机构80；

x轴调整机构91、滑块911、支撑座912、x轴动力件913、y轴调整机构92、导轨921、y轴动力件922、z轴调整机构93、升降块931。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1至图6，为本发明一较佳实施方式的一种等增减材复合成形设备100，包括工作台10、连接工作台10的固定机构20、连接固定机构20的成形机构30、连接固定机构20的打印机构40、激光机构50、送粉机构60、及输气机构70；成形机构30包括连接固定机构20的夹持件31；打印机构40包括打印头41、连接打印头41的安装座42、连接安装座42的激光管43、连接打印头41的送粉管44、及连接打印头41的输气管45；激光管43的一端连接激光机构50，送粉管44的一端连接送粉机构60，输气管45的一端连接输气机构70。本等增减材复合成形设备100通过成形机构30实现无模挤压的等材成形，通过激光机构50实现3d打印的增材成形，再通过成形机构30实现切削的减材成形；该等增减材复合成形设备100集等增材减材加工于一体，三种加工既可单独运行，也可交互运行，避免产品重复定位，有效提高了产品的质量和尺寸精度，也提高了生产效率。

如图1至图4所示，在本实施例中，工作台10包括基板11、连接基板11的支撑柱12、滑设于支撑柱12的成形板13、连接成形板13的紧固件14、及用于驱动成形板13升降的驱动件15。可选地，支撑柱12设置于基板11的四端角，驱动件15设置于基板11的两端，该驱动件15的一端设置于基板11，另一端连接成形板13；成形板13的中部设有凹槽。进一步地，驱动件15为无杆气缸。工作时，根据产品的高度，用驱动件15调整成形板13与基板11的距离；用紧固件14将金属板材固定于成形板13的中部以防成形加工时金属板材发生移位，影响加工精度。工作台10低于成形机构20及打印机构40。固定机构20包括底座21、连接底座21的支撑架22、及围设底座21的护板23；可选地，为了便于收集废弃物，固定机构20还包括收集件24，收集件24连接底座21；底座21设有通槽用于连通收集件24。

在一具体实施例中，成形机构30还包括连接固定机构20的刀库32、换刀件33、用于驱动刀库32转动的转动动力件34、及用于驱动换刀件33移动的换刀动力件35；换刀件33设置于刀库32及夹持件31之间，该换刀件33的一端设有卡接槽。所述刀库32内置压头及切削刀。当需装配刀具时，转动动力件34驱动刀库32使目标刀具置于刀库32的出刀口；接着，换刀动力件35驱动换刀件33转动至目标刀具，完成目标刀具转移至换刀件33；换刀动力件35再驱动换刀件33刀库32转动至夹持件31，完成装配刀具；相反地，当需拆卸刀具时，换刀动力件35驱动换刀件33转动至夹持件31，刀具从夹持件31转移至换刀件33，完成卸刀；接着，换刀动力件33再驱动换刀件33从夹持件31转移到刀库32的出刀口，刀具从换刀件33转移至刀库32，完成回收刀具。可选地，转动动力件34及换刀动力件35均连接支撑架22的一侧，刀库32为盘式。进一步地，工作时，需根据不同的板材的塑性特点，刀具尖端轨迹、压力、转速、冷却液均需要配合材料的应力应变特性以及温度引起的力学特性变化，来防止板材破裂和回弹。

请一并参阅图5，打印头41包括连接安装座42的支撑件411、及连接支撑件411的喷头412；支撑件411内侧设置环形反射镜46，该支撑件411的中部设置一凸镜47；安装座42的一端内置倾斜反射镜48，安装座42设置于固定机构10。可选地，凸镜47为圆锥形、倾斜反射镜48为内凹镜。工作时，如图6所示，激光束从激光机构50经激光管43发射至安装座42内，再经倾斜反射镜48反射至打印头41的凸镜47；接着，反射至环形反射镜46，最后汇集于喷头412的一端。可选地，喷头412为漏斗形。在其他实施例中，激光可以是环形激光、多边线性激光、或可旋转的多边线性激光。为了实现光内同轴送粉，打印机构40包括集中管49，集中管49从凸镜47的下方延伸至喷头412，使集中管49居于激光内中心位置；送粉管44的一端连接集中管49，输气管45的一端连接集中管49，从而使金属粉末垂直下落，减少粉末飞溅，使激光轴与粉束中心同轴；送粉管44的另一端连接支撑件411的一侧，输气管45的另一端连接支撑件411的一侧。可选地，在输气管45的上方设置进水管，在送粉管44的上方设置出水管，以便打印头41的排热。由于打印头41的粉斑没有焦点，不管激光束和集中管49相距多远，粉末的输送总是通过激光聚焦点，在加工过程中，焦点出现小的变化，不会影响粉末与激光聚焦的变化。粉末进入激光内部的路径是竖直向下，没有出现斜抛现象，但是考虑到粉末可能在下落过程中会出现轻微发散，因此将气体及粉末一同通入集中管49，通过对粉管直径的调节，可以完全达到粉末居于激光熔池内部。工作时，请再次参阅图6，金属粉末从送粉机构60经送粉管44进入集中管49，同时，气体从输气机构70经输气管45进入集中管49，最后，金属粉末在气体及重力作用下流出集中管49，再在激光扫描作用下，迅速完成熔化和凝固，发生光粉耦合，实现3d打印；气体通过输气管45输送至激光加工区域，形成对加工区域的气体保护环境。可选地，金属粉末为铁粉，气体为氮气。为了方便调整打印头41的高度，打印机构40还包括连接安装座42的移动件、及用于驱动移动件升降的驱动件(图未示)；移动件滑设于固定机构10的支撑架22。

在一具体实施例中，激光机构50为激光器，送粉机构60为内置金属粉末的送粉器，输气机构70为装有惰性气体的气罐；激光机构50、送粉机构60、及输气机构70分别设置于底座21的两端。为了及时排热，延长设备的使用寿命，本增等材复合成形设备100包括冷却机构80；冷却机构80经激光机构50连接打印头41。工作时，冷却水从冷却机构80流经打印头41的进水管，再经打印头41的出水管流经激光机构50，最后回流至冷却机构80，从而将打印头41及激光机构50的热量带出。为了实时监控及反馈激光熔池的状况，本增等材复合成形设备100包括光学传感器(图未示)；光学传感器连接移动件的一侧以便与打印头41同步升降，实现激光工艺的在线实时优化。

为了调整工作台10的位置，便于三维挤压成形、激光加工及切削加工，本增等材复合成形设备100包括x轴调整机构91、y轴调整机构92、及z轴调整机构93；x轴调整机构91包括连接工作台10的滑块911、连接滑块911的支撑座912、及用于驱动滑块911移动的x轴动力件913；y轴调整机构92包括连接支撑座912的导轨921、及用于驱动支撑座912移动的y轴动力件922；z轴调整机构93包括升降块931、及用于驱动升降块931移动的z轴动力件。可选地，导轨921设置于底座21，升降块931滑设于支撑架22，移动件滑设于升降块931；夹持件31连接升降块931。

请参阅图1至图6，为本发明一实施例提供的一种等增减材复合成形设备100的成形方法，在上述实施例的基础上，包括如下步骤：

s1，挤压成形：将金属板材通过紧固件14固定于成形板13上；通过转动动力件34驱动刀库32使目标压头置于刀库32的出刀口，再通过换刀动力件35驱动换刀件33使换刀件33移动至出刀口，完成目标压头转移至换刀件33；换刀动力件35再驱动换刀件33从刀库32转动至夹持件31，完成装配压头；接着，装有压头的夹持件31对装夹在工作台10上的金属板材进行加工成形，通过x轴调整机构91及y轴调整机构92按照预定轨迹移动而调整工作台10的水平位置，通过z轴调整机构93按照预定轨迹移动夹持件31的位置，得到成形层，加工完成后的夹持件31回复至原位；可选地，在步骤s1前，还需进行如下操作：

s11，调整位置：通过驱动件15调整工作台10的成形板13与基板11间的距离；通过x轴调整机构91及y轴调整机构92调整工作台10的水平位置，通过z轴调整机构93及移动件将夹持件31移动到工作台10的正上方；再调整光学传感器的角度，使光学传感器对准打印头41下方5cm-10cm处的熔池区域；

s2，激光加工：启动激光机构50、送粉机构60、输气机构70及冷却机构80，打印头41对经步骤s1加工得到的成形层上扫描加工，通过x轴调整机构91及y轴调整机构92按照预定轨迹移动而调整工作台10的水平位置，得到叠加层；同时，启动光学传感器对熔池进行扫描，以作出下一层扫描参数的调整；扫描完成该层后，打印头41暂停扫描，并且复位，再关闭激光机构50、送粉机构60、输气机构70及冷却机构80；

s3，切削加工：先将夹持件31上的压头换成切削刀：换刀动力件35驱动换刀件33转动至夹持件31，压头从夹持件31转移至换刀件33，完成卸刀；接着，换刀动力件33再驱动换刀件33从夹持件31转移到刀库32的出刀口，压头从换刀件33转移至刀库32，完成回收刀具；然后，通过转动动力件34驱动刀库32使目标切削刀置于刀库32的出刀口，目标切削刀转移至换刀件33；换刀动力件35再驱动换刀件33从刀库32转动至夹持件31，完成装配切削刀；接着，装有切削刀的夹持件31将经步骤s2得到的叠加层的侧面进行切削加工，同时，通过x轴调整机构91及y轴调整机构92按照预定轨迹移动而调整工作台10的水平位置，加工完成后的夹持件31返回至原位；可选地，在步骤s3前，还需进行如下操作：

s31，叠加造型；在经步骤s2激光加工后的叠加层上继续激光加工，直至累积的叠加层的厚度达到切削刀的有效刃长；

s4，调整高度；升降块931向上调整夹持件31一个叠加层的的高度、及移动件向上调整打印头41一个叠加层的的高度；

s4，重复操作：对经步骤s3切削加工后的成形层上继续反复重复步骤s2、步骤s3及步骤s4，直至整个产品加工完成。

本发明的等增减材复合成形设备100通过成形机构30实现无模挤压的等材成形，通过激光机构50实现3d打印的增材成形，再通过成形机构30实现切削的减材成形；该等增减材复合成形设备100集等增材减材加工于一体，三种加工既可单独运行，也可交互运行，避免了转换各加工工序时产品重复定位而导致精度不准确，有效提高了产品的质量和尺寸精度，也提高了生产效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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发明专利范围的限制。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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。