一种金属零件的增减材复合制造装备及方法技术

本发明专利技术公开了一种金属零件的增减材复合制造装备及方法。该装备包含增材制造组件、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；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；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；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。应用本发明专利技术所提供的增减材复合式金属零件制造装备及方法，可高效、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。

【技术实现步骤摘要】
一种金属零件的增减材复合制造装备及方法
本专利技术属于先进制造
，具体涉及一种金属零件的增减材复合制造装备及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下技术效果：(1)本专利技术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，本专利技术可以高效、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)本专利技术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)专利技术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专利技术，但下列实施例及附图仅是说明性的，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述增减材复合制造装备，其特征在于，所述减材制造组件由一台铣削刀具传动系统和安装在铣削刀具传动系统上的铣削刀具(4)构成；所述增材制造组件为激光选区熔化装置。3.根据权利要求2所述增减材复合制造装备，其特征在于，所述铣削刀具传动系统为五轴联动龙门机床，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。4.根据权利要求2所述增减材复合制造装备，其特征在于，所述铣削刀具传动系统包括第一铣削导轨(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)；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)安装于所述激光选区熔化装置的基座(5)上表面的前后两端，第一铣削导轨(23)与第二铣削导轨(24)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。5.根据权利要求3所述增减材复合制造装备，其特征在于，所述激光选区熔化装置包括基座(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，N≥1；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个扫描振镜系统(22)，M≥1。6.根据权利要求4所述增减材复合制造装备，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，魏恺文，王泽敏，李祥友，朱海红，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42