一種單缸式激光選區(qū)熔化與銑削復(fù)合加工的設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及本發(fā)明涉及金屬零件3D打印技術(shù)，尤其涉及一種單缸式激光選區(qū)熔化與銑削復(fù)合加工的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]激光選區(qū)恪化(Selective Laser Melting, SLM)技術(shù)亦稱“金屬3D打印技術(shù)”是增材制造的前沿技術(shù)，利用直徑30?50微米的聚焦激光束，把金屬或合金粉末選區(qū)逐層熔化，堆積成一個(gè)冶金結(jié)合、組織致密的實(shí)體，從而獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合的金屬功能零件。
[0003]SLM設(shè)備主要由激光器、光路系統(tǒng)、密封成形室、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。其工藝流程如下:首先將三維CAD模型進(jìn)行切片離散及掃描路徑規(guī)劃，得到可控制激光束掃描的切片輪廓信息；其次，計(jì)算機(jī)逐層調(diào)入切片輪廓信息，通過(guò)掃描振鏡，控制激光束選擇性地逐線搭接掃描粉層上選定區(qū)域，形成面輪廓，未被激光照射區(qū)域的粉末仍呈松散狀。一層加工完成后，粉料缸上升微米，成形缸降低切片層厚的高度，鋪粉刷將粉末從粉料缸刮到成形平臺(tái)上，激光將新鋪的粉末熔化，與上一層融為一體。重復(fù)上述過(guò)程，直至成形過(guò)程完成，得到與三維實(shí)體模型相同的三維金屬零件。
[0004]SLM技術(shù)是通過(guò)熔化金屬粉末后搭接而成實(shí)體，金屬材料熔化后的金屬由于毛細(xì)管力的作用，形成近似曲面的熔道。在一定的搭接率下，成型件的最終表面會(huì)有很多凹凸不平的條紋狀，導(dǎo)致激光選區(qū)熔化成型的金屬零件表面粗糙度一般為Ral5-50ym，光斑越大，成型精度越差，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求。小光斑雖然可以稍微提高成型精度，但是采用小光斑會(huì)嚴(yán)重降低成型效率。現(xiàn)有的SLM設(shè)備很難制作出滿足要求的高精度金屬零件，這嚴(yán)重制約了 SLM技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。因此，人們一直在尋找一種解決復(fù)雜金屬零部件的高精度、高效率增材制造方法和裝備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種單缸式激光選區(qū)熔化與銑削復(fù)合加工的設(shè)備，在于克服現(xiàn)有SLM技術(shù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬零件的高效率、高精度直接成型。
[0006]本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種單缸式激光選區(qū)熔化與銑削復(fù)合加工的設(shè)備，包括激光選區(qū)熔化成型裝置和立式銑床裝置，中央控制系統(tǒng)，激光選區(qū)熔化成型裝置包括光學(xué)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、成型室14和成型缸18，激光選區(qū)熔化成型裝置與立式銑床裝置共用同一個(gè)中央控制系統(tǒng)。
[0008]所述立式銑床裝置位于成型室14內(nèi)，立式銑床裝置還包括一個(gè)鏈?zhǔn)降稁?kù)20，鏈?zhǔn)降稁?kù)20位于成型室外部的右側(cè)；
[0009]所述光學(xué)系統(tǒng)包括依次光路連接的激光器5、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡4、光學(xué)透鏡3、掃描振鏡2 ；
[0010]所述激光器5位于激光選區(qū)熔化成型裝置成型室14的右側(cè)；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡4、光學(xué)透鏡3、掃描振鏡2置于成型室14的頂部；
[0011 ] 所述光學(xué)透鏡3位于成型室14上部并內(nèi)嵌于成型室14外壁，與成型室14外壁密封結(jié)合；
[0012]所述立式銑床裝置包括銑削X向?qū)к?、銑削Z向?qū)к?、銑削Y向?qū)к?0、銑削主軸11 ;所述銑削X向?qū)к?固定在成型室14的后部上方，所述銑削Y向?qū)к?0與銑削X向?qū)к?連接在一起，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制其沿X方向運(yùn)動(dòng)；所述銑削Z向?qū)к?與銑削Y向?qū)к?0連接在一起，實(shí)現(xiàn)Y方向的移動(dòng)；所述銑削主軸11位于銑削Z向?qū)к?上，實(shí)現(xiàn)其在Z方向的運(yùn)動(dòng)；
[0013]所述鋪粉系統(tǒng)還包括粉料瓶I和一個(gè)設(shè)置在鋪粉導(dǎo)軌16上的鋪粉裝置15 ;粉料瓶I置于成型室14上方左側(cè)，粉料瓶I還包括一個(gè)給鋪粉裝置15輸送粉末的自動(dòng)送粉通道7。
[0014]所述的成型缸18位于成型室14的下部，并由中央控制系統(tǒng)對(duì)其升降進(jìn)行控制。
[0015]所述立式銑床裝置具有一個(gè)鏈?zhǔn)降稁?kù)20 ;鏈?zhǔn)降稁?kù)20包括鏈?zhǔn)降都?2、刀架驅(qū)動(dòng)電機(jī)21和銑刀23，銑刀23安裝在鏈?zhǔn)降都?2上，刀架驅(qū)動(dòng)電機(jī)21驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)降都?2的運(yùn)動(dòng)。
[0016]所述鏈?zhǔn)降稁?kù)20與成型室14通過(guò)自動(dòng)換刀閥門12和換刀口 13相連。
[0017]所述換刀口 13為圓柱形通道，其打開(kāi)與關(guān)閉通過(guò)自動(dòng)換刀閥門12的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)換刀時(shí)，自動(dòng)換刀閥門12打開(kāi)，此時(shí)換刀口 13處于開(kāi)通狀態(tài)；當(dāng)換刀結(jié)束后，自動(dòng)換刀閥門12閉合，此時(shí)換刀口 13處于關(guān)閉狀態(tài)。
[0018]所述設(shè)備還包括氧含量檢測(cè)裝置、壓力檢測(cè)裝置、抽真空裝置、氮?dú)獍l(fā)生裝置。
[0019]所述銑削主軸11沿著其中心做180°旋轉(zhuǎn)。
[0020]自動(dòng)送粉通道7與粉料瓶I之間設(shè)置有一個(gè)手動(dòng)鎖扣6。
[0021]采用上述設(shè)備加工金屬零件的方法如下:
[0022](一 )、對(duì)待加工的零件三維CAD模型進(jìn)行處理，首先，根據(jù)加工要求選擇合適的的層厚應(yīng)用Magics軟件進(jìn)行分層切片；然后以每二十層數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行片層數(shù)據(jù)打包，對(duì)每一包數(shù)據(jù)添加刀具信息和銑削輪廓信息；最后對(duì)每一包的片層輪廓進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃，完成后導(dǎo)入3D打印機(jī)，準(zhǔn)備進(jìn)行加工；
[0023](二)、啟動(dòng)3D打印機(jī)，首先，工控機(jī)控制自動(dòng)送粉通道7對(duì)鋪粉裝置15添加粉末，完成后關(guān)閉自動(dòng)送粉通道7;打開(kāi)氧含量檢測(cè)裝置、壓力檢測(cè)裝置和抽真空裝置，當(dāng)成型室14內(nèi)氣體壓力降低到_15KPa時(shí)關(guān)閉抽真空裝置并打開(kāi)氮?dú)獍l(fā)生裝置充入保護(hù)氣體，當(dāng)氣壓升至20KPa時(shí)停止充入保護(hù)氣體，然后繼續(xù)打開(kāi)抽真空裝置，如此循環(huán)往復(fù)；
[0024]當(dāng)成型室14內(nèi)氧氣含量降低到0.1 %以下時(shí)開(kāi)始加工，首先，鋪粉裝置15在成型面上鋪一次粉，金屬粉末19從而熔化形成一層實(shí)體，每成型一層后鋪粉裝置15即鋪一次粉，如此循環(huán)完成二十層粉末加工后，中央控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，掃描陣鏡2及激光器5停止工作，鋪粉裝置15退回到左側(cè)初始位置；
[0025](三)、立式銑床裝置開(kāi)始工作，首先，中央控制系統(tǒng)根據(jù)加工數(shù)據(jù)信息控制銑削主軸11沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到換刀口 13位置；銑削主軸11先沿著銑削X向?qū)к?移動(dòng)，再沿著銑削Y向?qū)к?0移動(dòng)，最后沿著銑削Z向?qū)к?移動(dòng)，然后鏈?zhǔn)降稁?kù)20內(nèi)的刀架驅(qū)動(dòng)電機(jī)21驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)降都?2運(yùn)動(dòng)，將對(duì)應(yīng)的銑刀23對(duì)準(zhǔn)換刀口 13，自動(dòng)換刀閥門12打開(kāi)，銑削主軸11進(jìn)行換刀操作；
[0026]換刀完成后，銑削主軸11夾帶銑刀23退出換刀口 13，自動(dòng)換刀閥門12閉合，對(duì)換刀口 13關(guān)閉；然后銑削主軸11在中央控制系統(tǒng)的控制下開(kāi)始對(duì)已加工的金屬零件17進(jìn)行銑削加工，對(duì)金屬零件17內(nèi)部的隨形通道進(jìn)行銑削并銑去成型面凹凸不平的部分；
[0027]銑削完成后銑削主軸11帶著銑刀23返回初始位置；
[0028](四)、如此循環(huán)重復(fù)上述步驟(二)、(三)進(jìn)行激光加工和銑削加工過(guò)程，直至整個(gè)加工過(guò)程完成。
[0029]本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0030]1、本實(shí)用新型的鋪粉裝置15為漏斗式滾輪鋪粉機(jī)構(gòu)，并采用自動(dòng)裝填粉末的裝置，具有無(wú)須停機(jī)，工作全程可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)加粉的優(yōu)點(diǎn)；
[0031]2、本實(shí)用新型激光選區(qū)熔化成型裝置，采用單缸式，成型室內(nèi)只有一個(gè)成型缸，不僅大大節(jié)約了空間，減輕了設(shè)備的重量，而且可以大幅度縮短鋪粉行程，這比雙缸結(jié)構(gòu)提高了大約30%的效率。
[0032]3、本實(shí)用新型激光選區(qū)熔化成型裝置，采用單缸式與立式銑床裝置復(fù)合加工，一方面可以應(yīng)用激光選區(qū)熔化裝置進(jìn)行自由制造，另一方面又可以用立式銑床裝置實(shí)現(xiàn)精密銑削加工；對(duì)自由制造的零件進(jìn)行銑削加工，這不僅大大提高了金屬零件的精度和表面質(zhì)量，而且可以省去成型件的后續(xù)表面處理，顯著提高了工作效率。另外還可以采用較大的光斑進(jìn)行造型，然后再采用精密切削進(jìn)行精加工，提高了成型零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，而且可以制造內(nèi)部復(fù)雜通道的零件，這又會(huì)顯著節(jié)約時(shí)間成本而又不會(huì)降低成型質(zhì)量。
[0033]4、本實(shí)用新型將銑削主軸及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于成型室內(nèi)，鏈?zhǔn)降稁?kù)置于成型室外并通過(guò)換刀口和自動(dòng)換刀閥門與成型室連接。在進(jìn)行3D打印過(guò)程時(shí)，自動(dòng)換刀閥門關(guān)閉換刀口，當(dāng)銑削主軸通過(guò)換刀口進(jìn)行換刀操作時(shí)，自動(dòng)換刀閥門打開(kāi)。這樣可以避免3D打印過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和余熱進(jìn)入刀庫(kù)，對(duì)刀具造成污染，而降低刀具的質(zhì)量和使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本實(shí)用新型正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2為本實(shí)用新型的立式銑床裝置換刀過(guò)程示意圖。
[0036]圖3為本實(shí)用新型銑削過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0038]實(shí)施例
[0039]如圖1-3所示。本實(shí)用新型單缸式激光選區(qū)熔化與銑削復(fù)合加工的設(shè)備，包括激光選區(qū)熔化成型裝置和立式銑床裝置，中央控制系統(tǒng)，激光選區(qū)熔化成型裝置包括光學(xué)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)、成型室14和成型缸18，激光選區(qū)熔化成型裝置與立式銑床裝置共用同一個(gè)中央控制系統(tǒng)。
[0040]所述立式銑床裝置位于成型室14內(nèi)，立式銑床裝置還包括一個(gè)鏈?zhǔn)降稁?kù)20，鏈?zhǔn)降稁?kù)20位于成型室外部的右側(cè)；
[0041]所述光學(xué)系統(tǒng)包括依次光路連接的激光器5、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡4、光學(xué)透鏡3、掃描振鏡2 ；
[0042]所述激光器5位于激光選區(qū)熔化成型裝置成型室14的右側(cè)；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡4、光學(xué)透鏡3、掃描振鏡2置于成型室14的頂部；
[0043]所述光學(xué)透鏡3位于成型室14上部并內(nèi)嵌于成型室14外壁，與成型室14外壁密封結(jié)合；
[0044]所述立式銑床裝置包括銑削X向?qū)к?、銑削Z向?qū)к?、銑削Y向?qū)к?0、銑削主軸11 ;所述銑削X向?qū)к?固定在成型室14的后部上方，所述銑削Y向?qū)к?0與銑削X向?qū)к?連接在一起，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制其沿X方向運(yùn)動(dòng)；所述銑削Z向?qū)к?與銑削Y向?qū)к?0連接在一起，實(shí)現(xiàn)Y方向的移動(dòng)；所述銑削主軸11位于銑削Z向?qū)к?上，實(shí)現(xiàn)其在Z方向的運(yùn)動(dòng)；
[0045]所述鋪粉系統(tǒng)還包括粉料瓶I和一個(gè)設(shè)置在鋪粉導(dǎo)軌16上的鋪粉裝置15 ;粉料瓶I置于成型室14上方左側(cè)，粉料瓶I還包括一個(gè)給鋪粉裝置15輸送粉末的自動(dòng)送粉通道7。粉料瓶I用于儲(chǔ)存金屬粉末19。
[0046]所述鋪粉裝置15采用漏斗式滾輪機(jī)構(gòu)，漏斗位于滾輪上部用于儲(chǔ)存一定的金屬粉末，滾輪用于粉末的鋪粉；鋪粉導(dǎo)軌16用于驅(qū)動(dòng)鋪粉裝