一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置的制作方法

本实用新型涉及3D打印技术领域，特别涉及一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置。

背景技术：

增材制造技术发展于上世纪80年代，将增材制造技术与快速成型技术的快速成型原理结合起来的一种新型快速制造技术。首先在计算机中通过三维CAD软件形成零件的实体模型，然后再按照一定的厚度将CAD建立的模型进行分层，然后将三维实体模型转换为二维轮廓模型，随后在机床或机器人的控制下用同步送粉激光沉积等方法对金属材料在一定的路径进行逐点填充给定的形状，直到形成建模的三维实体形状。

从凝固学原理可知，增材制造过程是一个快速冷却的非平衡过程。当熔池凝固时，初始形成的沉积层为马氏体。由于增材制造为逐渐堆积的过程可以明显地观察到沿沉积高度方向的柱状晶和平行扫描方向的沉积层间带。在熔池凝固的过程中，熔池中绝大部分热量以热传导的方式通过基材沿垂直向下的方向流失，熔池上熔体将在熔池底部同质材料上逆着热流方向增长产生粗大的柱状晶组织，不利于金属的各向同性的力学性能，为了得到不同的组织，常通过物理方法去调节合金内部组织。

最近几年提出外力变形对增材制造金属进行处理，在增材零件制造的过程中对增材表面施加外力使得成型层形变，减小内应力的同时，破坏生长的柱状晶，进而细化组织达到调控组织性能的效果。但是由于钛合金的屈服强度极高，外力形变常常借助重压和高冲击以使得成型层变形，因此外力形变系统通常非常巨大，例如公开号为CN104313600A的中国发明专利公开了一种利用锻压机对成型表面施加外力产生变形的方法，锻压设备巨大，对整个加工环境的密封性要求较高，并且使用大型锻压机降低了生产效率，提高生产成本。

如何更广泛应用外力形变方案以及如何保持外力形变系统工作的稳定性是增材制造领域近期研究的热点话题。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置，能够对金属增材制造过程中的沉积层进行变形处理，适合大多数增材制造系统，能够提高形变系统的整体稳定性，提高自动化程度，减少用人成本。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置，包括超声波设备、气动装置和温度调节装置；

所述超声波设备包括工具头、变幅杆、换能器和超声波发生器，所述变幅杆的下端与工具头连接，变幅杆的上端与换能器连接，所述换能器与超声波发生器通过导线连接；

所述气动装置包括单作用气缸、控制机和压力表，所述单作用气缸的活塞杆依次与活塞杆支架和固定支架连接，所述固定支架远离活塞杆支架一侧通过安装法兰与变幅杆连接；

所述温度调节装置包括冷却塔、散热管和温度传感器，所述冷却塔与散热管连接，散热管缠绕在变幅杆和换能器上，温度传感器安装在变幅杆的表面，冷却塔和温度传感器均与CPU连接。

所述随动式超声波辅助增材制造自动调节装置还包括气缸壁支架，所述气缸壁支架的一侧与单作用气缸的气缸壁连接，气缸壁支架的另一侧与增材制造设备连接。

所述增材制造设备为机器人或者三坐标机床。

所述单作用气缸的进气管与控制机连接，单作用气缸的进气管上设置有压力表，所述控制机和压力表均与CPU连接。

所述散热管与换能器和变幅杆之间均留有0.25mm-0.5mm的缝隙，所述缝隙中垫有散热硅胶套。

所述变幅杆上设置有安装法兰位，所述安装法兰位位于超声波的振动节点处。

所述散热管的材料为铜。

本实用新型的有益效果：

(1)对金属增材制造过程中的沉积层进行变形处理，使得金属内部组织细化，优化增材制造金属零件的力学性能，采用超声波设备对沉积层表面进行形变处理，精准改变沉积层的变形量的同时不至于整个形变系统的变形量过大，适合大多数增材制造系统；

(2)设置温度调节装置控制超声波设备在使用时的温度，增加随动式超声波辅助增材制造自动调节装置的稳定性，设置气动装置以防止超声波设备压力过大，起到过载保护作用，提高了形变系统的整体稳定性；

(3)设置温度传感器方便了人工管理，提高自动化程度，大大减少了用人成本。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的气动装置的结构示意图。

其中，

1、工具头；2、变幅杆；3、换能器；5、固定支架；6、活塞杆支架；7、单作用气缸；8、气缸壁支架；9、增材制造设备；10、超声波发生器；11、温度调节装置；12、温度传感器；13、散热管；14、冷却塔；15、压力表；16、控制机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本实用新型提供了一种随动式超声波辅助增材制造自动调节装置，包括超声波设备、气动装置和温度调节装置11；

超声波设备包括工具头1、变幅杆2、换能器3和超声波发生器10，变幅杆2的下端与工具头1连接，变幅杆2的上端与换能器3连接，换能器3与超声波发生器10通过导线连接；

气动装置包括单作用气缸7、控制机16和压力表15，单作用气缸7的活塞杆依次与活塞杆支架6和固定支架5连接，固定支架5远离活塞杆支架6一侧通过安装法兰与变幅杆2连接；

温度调节装置11包括冷却塔14、散热管13和温度传感器12，冷却塔14与散热管13连接，散热管13缠绕在变幅杆2和换能器3上，温度传感器12安装在变幅杆2的表面，冷却塔14和温度传感器12均与CPU连接。

本实施例中，如图1所示，变幅杆2的下端与工具头1螺纹连接，变幅杆2的上端与换能器3螺纹连接，换能器3为压电式换能器，变幅杆2的下部为上大下小的圆锥台结构，变幅杆2的上部为圆柱结构，变幅杆2上设置有安装法兰位，安装法兰位位于超声波的振动节点处，安装法兰位设置在变幅杆2的圆锥台结构上，在振动节点处无机械振动，因此在该振动节点处对超声波设备进行安装和固定，安装法兰与变幅杆2的安装法兰位连接。温度传感器12安装在变幅杆2的圆锥台结构上，温度传感器12为磁吸式超高温型温度传感器pt100，温度范围为-60-360℃，温度传感器12的作用是实时监测超声波设备工作时的温度，温度传感器12将电信号传输给CPU，CPU根据接收到的电信号进行数据分析，并发送命令给温度调节装置11，从而控制温度调节装置11的工作状态，进而对超声波设备进行不同程度的散热，使超声波设备保持在良好的工作状态，散热管13缠绕在变幅杆2和换能器3上的散热方式方便换能器3和变幅杆2的更换。单作用气缸7的活塞杆靠近变幅杆2的一侧依次与活塞杆支架6和固定支架5连接。冷却塔14和温度传感器12分别与CPU通过WIFI、通讯线缆、2.4G或者GPRS连接以进行信号传输。

随动式超声波辅助增材制造自动调节装置还包括气缸壁支架8，气缸壁支架8的一侧与单作用气缸7的气缸壁连接，气缸壁支架8的另一侧与增材制造设备9连接。增材制造设备9为机器人或者三坐标机床。

单作用气缸7的进气管与控制机16连接，单作用气缸7的进气管上设置有压力表15，控制机16和压力表15均与CPU连接。本实施例中，如图2所示，CPU能通过控制控制机16影响气缸的运动，控制机16用来控制气体进入气缸，进而控制气缸内部气压，当进气管内的压力过大时，压力表15检测到压力变化，压力表15将压力信息传输给CPU，CPU通过对压力信号的处理向控制机16下达指令，进而控制机16控制进气管内气压，间接控制气缸运动，控制机16和压力表15分别与CPU通过WIFI、通讯线缆、2.4G或者GPRS连接以进行信号传输。

散热管13与换能器3和变幅杆2之间均留有0.25mm-0.5mm的缝隙，缝隙中垫有散热硅胶套。本实施例中，散热管13非紧密缠绕在换能器3及变幅杆2上，散热硅胶套作为导热介质将变幅杆2和换能器3上的热量传递到散热管13，由于散热硅胶套自身具有粘性且该超声波设备振动方向为上下振动横向不传递能量，因此散热硅胶套能够附着在变幅杆2、换能器3和散热管13上而不至于脱落。

散热管13的材料为铜。本实施例中，选用铜作为散热管13的材料是由于铜的导热效率高。

上述随动式超声波辅助增材制造自动调节装置的具体工作方式如下：

当机器人或三轴机床增材制造若干层后，机器人或三轴机床带动随动式超声波辅助增材制造自动调节装置运动到沉积层上方，随动式超声波辅助增材制造自动调节装置工作时，通过外力变形的方式对增材制造的沉积层进行组织细化处理，单作用气缸7向沉积层运动，使得工具头1接触沉积层表面，单作用气缸7用来控制工具头1与沉积层表面的压力，压力显示在压力表15上，压力表15将压力信号传输给CPU，CPU对压力信号进行监控，当压力增大到一定值时，CPU给控制机16发送信号控制气缸的下压压力，以保护超声波设备，温度传感器12监测超声波设备的温度并将温度信息传输给CPU，CPU根据温度高低控制冷却塔14的工作，进而控制散热管13的制冷速度，使超声波设备温度恒定，保持超声设备稳定运行。

本实施例中，CPU选用ARM处理器。压力为300-1000N，优选为400N。超声波设备的温度控制在150℃以下。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。