用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备及工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备及工艺方法，包括控制系统

【技术实现步骤摘要】
用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备及工艺方法


[0001]本专利技术属于增材制造领域，具体涉及一种用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备及工艺方法
。

技术介绍

[0002]由于独特的成形工艺原理，增材制造已成为工业发达国家重点发展的制造技术
。
所谓增材制造，是指利用
CAD
设计数据驱动制造设备，采用材料自下而上
、
逐层累加的方法制造实体零件的工艺方法
。
近年来，随着相关支撑技术的成熟，增材制造凭借其生产周期短
、
工艺过程简单
、
工艺能力强等诸多优点，取得了飞速发展，并在航空航天
、
汽车交通
、
航空发动机等领域得到初步应用
。
[0003]金属是机械装备的最重要构成材料，金属增材制造是整个增材制造领域中最前沿
、
且最具应用价值的研发方向
。
目前用于金属增材制造的工艺方法有很多，从工艺特征划分，包括粉末床熔融成形
、
熔丝沉积成形
、
粉末熔融沉积成形等；从制造热源划分，主要有激光成形
、
电弧成形
、
电子束成形等
。
上述工艺中，激光熔丝沉积成形具有熔覆效率
、
成形质量和制造成本方面的综合优势，已成为金属增材制造最主要的工艺方法
。
[0004]回转型金属零件是机械产品中最常见的结构件之一，在所有金属零件中占有很大的比重，例如各种回转轴
、
轴套和缸套等
。
目前，回转型金属零件的激光熔丝沉积成形一般在通用设备上进行，其工艺特征是：选用金属板材作为基板，成形路径为圆形螺旋上升轨迹，沉积期间不进行断丝操作，沉积结束一层迅速过渡到下一层进行沉积，直至零件最终完成，其成形原理和成形样件如图1所示
。
此种方法可以实现简单回转型零件的成形，但对于复杂回转型零件，尤其是像图2这种变直径或具有大角度悬垂结构的回转型零件，成形难度就大大增加，甚至根本无法成形
。
另一方面，在回转型零件传统成形工艺中，随着成形高度的不断增加，熔池距离基板越来越远，激光产生的高热量不能在短时间内传递出去，从而极易导致晶粒粗大现象，最终影响成型件的组织力学性能
。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种回转型金属零件激光熔丝增材制造设备及工艺方法，不仅能够简化工序，实现复杂回转型零件的轻松打印，获得更高的成形效率；而且能够实现成形路径的变换，通过编织打印提高回转成形件的组织力学性能
。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备，包括控制系统
、
激光发射单元
、
送丝位姿调节单元
、
送丝单元
、
动力轴单元
、
运动平台
、
水冷单元和气体保护单元，其特征是：所述激光发射单元和送丝单元之间设置有送丝位姿调节单元，并且，所述运动平台上设置有一个与所述激光发射单元产生的激光束相垂直的动力轴单元；所述送丝位姿调节单元包括机架
、
旋转调节机构
、
水平调节机构
、
竖直调节机构
、
角度调整块，其中，所述机架与所述激光发射单元的激光头固定连接在一起，所述机架上设置有旋转调节机构，所述旋转调节机构上设置有所述水平调节机构，所述水平调节机构与所述竖直调节机构连接，所述竖直调节机构上设置有所述角度调整块，角度调整块通过其上的夹头与所述送丝单元中的送丝导嘴连接；所述动力轴单元包括驱动电机
、
机座
、
主轴
、
卡盘
、
基轴
、
芯轴
、
待成形件
、
尾座和后顶尖，其中，所述机座通过螺栓固定于所述运动平台上，所述驱动电机安装在机座上，驱动电机的运动输出端与所述主轴连接，所述主轴的前端设置有卡盘，所述尾座与所述机座对应，固定于所述运动平台的另一端，其上设置有所述后顶尖，两者配合用于较长成形件的定位装夹
。
[0007]进一步地：所述送丝位姿调节单元中的旋转调节机构由步进电机
、
主动轮
、
空心从动轮和滚动轴承组成，以步进电机为动力源，传动方式为齿轮传动，主动轮固定在步进电机输出轴上，带动与之相啮合的空心从动轮绕激光头旋转，空心从动轮通过内置滚动轴承的内圈与激光头紧密配合连接
。
[0008]进一步地：所述水平调节机构和竖直调节机构均采用丝杠和调节块的结构形式，所述水平调节机构固定在空心从动轮的下端面上，并通过其上的水平调节块与竖直调节机构连接，从而使竖直调节机构能随水平调节块一起做水平方向上的运动，所述竖直调节机构上设置的竖直调节块与所述角度调整块活动式连接，从而使角度调整块在调整送丝导嘴偏转角度的同时，还能够随竖直调节块做竖直方向上的运动
。
[0009]进一步地：所述动力轴单元中的卡盘用于增材制造基轴的装夹，并带动其一起旋转，短的基轴通过所述卡盘直接装夹，长的基轴用“一夹一顶”方式配合所述尾座和后顶尖支撑装夹；当基轴为空心结构时，可通过其内孔表面配合芯轴进行装夹
。
[0010]一种用于回转型金属零件的激光熔丝增材的工艺方法，包括以下步骤：
a、
选择激光功率
、
送丝速度
、
送丝角度和扫描速度等激光熔丝增材工艺参数；
b、
将基轴固定并夹紧在动力轴单元上；
c、
手动调整送丝位姿调节单元中的水平调节机构
、
竖直调节机构和角度调整块，保证金属丝材与激光熔池对中；
d、
启动激光发射单元
、
送丝单元
、
送丝位姿调节单元和动力轴单元，进行熔丝增材，在熔丝过程中，通过控制系统操控送丝位姿调节单元中的旋转调节机构，使送丝导嘴始终处于前送丝状态；
e、
打印过程中，动力轴单元在运动平台的带动下能够进行整体水平往复运动，以实现待成形件的轴向熔丝增材，并且，通过动力轴单元带动基轴旋转，可实现待成形件的周向熔丝增材
。
[0011]进一步地：在步骤
d
中，熔丝增材包括单层沉积，首先进行单道熔覆层沉积，然后再进行单层多道沉积，通过调整道间搭接率以保证沉积层平整，且实现道间无缝结合
。
[0012]进一步地：单层多道沉积时，可选用不同的沉积路径进行，它包括以下四种形式：（
a
）轴向直线沉积，通过运动平台沿
X
轴的直线移动和基轴的间歇旋转实现回转体的轴向直线单层沉积；（
b
）轴向往复沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备，包括控制系统
、
激光发射单元
、
送丝位姿调节单元
、
送丝单元
、
动力轴单元
、
运动平台
、
水冷单元和气体保护单元，其特征是：所述激光发射单元和送丝单元之间设置有送丝位姿调节单元，并且，所述运动平台上设置有一个与所述激光发射单元产生的激光束相垂直的动力轴单元；所述送丝位姿调节单元包括机架
、
旋转调节机构
、
水平调节机构
、
竖直调节机构
、
角度调整块，其中，所述机架与所述激光发射单元的激光头固定连接在一起，所述机架上设置有旋转调节机构，所述旋转调节机构上设置有所述水平调节机构，所述水平调节机构与所述竖直调节机构连接，所述竖直调节机构上设置有所述角度调整块，角度调整块通过其上的夹头与所述送丝单元中的送丝导嘴连接；所述动力轴单元包括驱动电机
、
机座
、
主轴
、
卡盘
、
基轴
、
芯轴
、
待成形件
、
尾座和后顶尖，其中，所述机座通过螺栓固定于所述运动平台上，所述驱动电机安装在机座上，驱动电机的运动输出端与所述主轴连接，所述主轴的前端设置有卡盘，所述尾座与所述机座对应，固定于所述运动平台的另一端，其上设置有所述后顶尖，两者配合用于较长成形件的定位装夹
。2.
根据权利要求1所述的用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备，其特征是：所述送丝位姿调节单元中的旋转调节机构由步进电机
、
主动轮
、
空心从动轮和滚动轴承组成，以步进电机为动力源，传动方式为齿轮传动，主动轮固定在步进电机输出轴上，带动与之相啮合的空心从动轮绕激光头旋转，空心从动轮通过内置滚动轴承的内圈与激光头紧密配合连接
。3.
根据权利要求1所述的用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备，其特征是：所述水平调节机构和竖直调节机构均采用丝杠和调节块的结构形式，所述水平调节机构固定在空心从动轮的下端面上，并通过其上的水平调节块与竖直调节机构连接，从而使竖直调节机构能随水平调节块一起做水平方向上的运动，所述竖直调节机构上设置的竖直调节块与所述角度调整块活动式连接，从而使角度调整块在调整送丝导嘴偏转角度的同时，还能够随竖直调节块做竖直方向上的运动
。4.
根据权利要求1所述的用于回转型金属零件的激光熔丝增材制造设备，其特征是：所述动力轴单元中的卡盘用于增材制造基轴的装夹，并带动其一起旋转，短的基轴通过所述卡盘直接装夹，长的基轴用“一夹一顶”方式配合所述尾座和后...

【专利技术属性】
技术研发人员：马利杰，刘增荣，冯翠娅，张斌，李晨睿，张宇，逄明华，聂福全，冯启高，
申请(专利权)人：河南科技学院，
类型：发明
国别省市：