一种增减材制造装置及其增减材复合制造方法

摘要

本发明涉及一种增减材制造装置及其增减材复合制造方法，包括基体、基体上设置有具有3个自由度的转动平台、可单自由度移动的SLM激光扫描装置和超快激光抛光装置、具有2个平移自由度的高速数控加工单元、高精度三维视觉测量装置和放射探伤系统。本装置实现在一台装置内交替进行激光增材制造、高速数控切削加工和超快激光抛光表面处理，从而实现与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度，并且还可以实现加工中心无法实现的高精度内腔结构和随形通道的制造，成功地将激光增材制造的自由制造、加工中心的高速高精度制造和超快激光抛光的表面处理融为一体，提高了产出零件的综合性能。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，尤其涉及一种基于SLM成型的增减材制造装置及其增减材复合制造方法。

背景技术

随着金属3D打印技术的发展，其在航空航天、汽车、医疗、模具等领域的应用越来越广泛。金属3D打印成形速度慢和加工成本高是制约其在市场中推广应用的主要制约因素。目前SLM加工，由于极大的温度梯度以及产品复杂结构的影响，SLM成型的金属产品中经常会出现孔洞、微裂纹和开裂等缺陷，这些缺陷是导致其力学性能不佳的关键因素。对于具有复杂内部流道的零件，如随形冷却水路、冲压发动机和火箭发动机再生冷却流道，难以实现对内部表面的有效再处理。另外，SLM加工还存在生产效率低，加工成本高等缺点。

发明内容

本发明针对SLM成型的金属产品中经常会出现孔洞、微裂纹和开裂等缺陷，复杂内腔结构的零件无法对内部表面的有效再处理，且SLM加工还存在生产效率低，加工成本高等缺点，提出了一种基于SLM的增减材制造装置及其增减材复合制造方法。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种增减材制造装置，包括基体，所述基体内设置有三自由度转动平台、激光扫描装置、超快激光抛光装置和高速数控加工单元，所述转动平台上安装有刮刀移动导轨、成型缸和粉缸，所述刮刀移动导轨上安装有刮刀，所述成型缸包括成型缸升降台，所述成型缸升降台表面设置有成型基板，所述成型缸升降台固定在成型缸升降滚珠丝杠上，成型缸升降螺母固定在成型缸的底部，成型缸升降步进电机驱动成型缸升降滚珠丝杠旋转，从而带动成型缸升降台上升和下降；所述粉缸包括粉缸升降台，所述粉缸升降台上设置有成型粉末，刮刀位于所述成型粉末上方，所述粉缸升降台固定在粉缸升降滚珠丝杠上，粉缸升降螺母固定在粉缸的底部，粉缸升降步进电机驱动粉缸升降滚珠丝杠旋转，从而带动粉缸升降台上升和下降；所述激光扫描装置、所述超快激光抛光装置和所述高速数控加工单元均安装在所述三自由度转动平台的上方。

上述方案中，所述转动平台固定安装在轴承固定座A和轴承固定座B上，所述轴承固定座A上同时安装有X轴移动导轨A和X轴精密滚珠丝杠A，所述轴承固定座B上同时安装有X轴移动导轨B和X轴精密滚珠丝杠B，由X轴步进电机A和X轴步进电机B分别驱动X轴精密滚珠丝杠A和X轴精密滚珠丝杠B同步带动转动平台在X轴移动导轨A和X轴精密滚珠丝杠B上移动； Y轴旋转轴安装在轴承固定座A和轴承固定座B上，Y轴旋转大齿轮安装在Y轴旋转轴上，Y轴旋转步进电机驱动Y轴旋转小齿轮转动，Y轴旋转小齿轮带动Y轴旋转大齿轮旋转，继而带动Y轴旋转轴绕Y轴旋转；Z轴旋转齿轮轴安装在Y轴旋转轴上，Z轴旋转步进电机驱动Z轴旋转小齿轮转动，继而带动Z轴旋转齿轮轴绕Z轴旋转。

上述方案中，所述高速数控加工单元上同时安装有高精度三维视觉测量装置和放射探伤系统。

上述方案中，所述成型缸升降台和所述粉缸升降台的数量有多个，每相邻两个成型缸升降台之间通过燕尾槽结构相互连接，并且能够实现上下相对运动，每相邻两个粉缸升降台之间通过燕尾槽结构相互连接，并且能够实现上下相对运动。

上述方案中，旋转平台挡板固定于所述转动平台顶端，防止所述转动平台旋转时成型粉末从所述转动平台溢出。

上述方案中，所述激光扫描装置和超快激光抛光装置均固定在Y轴精密滚珠丝杠上，由Y轴步进电机B驱动Y轴精密滚珠丝杠沿Y轴进行往复移动。

上述方案中，所述高精度三维视觉测量装置、所述高速数控加工单元和所述放射探伤系统安装于Y轴移动导轨上，由Y轴步进电机A驱动沿着Y轴移动导轨往复移动。

上述方案中，所述Y轴移动导轨安装于Z轴精密滚珠丝杠A和Z轴精密滚珠丝杠B上，分别由Z轴步进电机A和Z轴步进电机B驱动同步运动，所述基体的底部固定安装有固定底座，所述Z轴步进电机A、所述Z轴步进电机B、所述X轴步进电机A、所述X轴步进电机B、所述Y轴旋转步进电机均安装在所述固定底座上。

本发明还提供了一种利用上述增减材制造装置进行增减材复合制造方法，包含以下步骤：S1：根据所加工零件的尺寸，确定启用的成型缸升降台的数量和位置，粉缸和成型缸采用相同的设置，将成型粉末加入粉缸中；根据成型缸的使用形状，放置相应的成型基板；S2：将整个基体进行密封，抽真空并填充保护气体；加热至合适的工作温度；S3：调整所有零部件至初始位置，转动平台处于水平不旋转位置，成型缸位于SLM激光扫描装置的加工范围内，高速数控加工单元、高精度三维视觉测量装置和放射探伤系统位于Y轴移动导轨的最右端；S4：成型缸中启用的成型缸升降台下降一层厚度，粉缸中启用的粉缸升降台上升一层厚度，刮刀将成型粉末铺至成型缸内，粉末隔离装置对成型粉末进行隔离，防止粉末溢出，并保证铺粉的均匀性；S5：激光扫描装置开始工作，对当层粉末进行熔化烧结；S6：一层粉末熔化烧结后，高精度三维视觉测量装置首先进行相机标定与坐标系配准，然后对当层成型尺寸进行测量，测量结果通过信号线传输至中央智能控制系统；S7：中央智能控制系统将测量结果与分层参数尺寸进行对比：如果测量结果大于设计尺寸，并超出了允许误差，则进行步骤S8；如果测量结果小于设计尺寸，并超出了允许误差，则进行步骤S10；如果测量结果在允许误差范围内，则跳至步骤S11；S8：如果工件成型尺寸比分层设计尺寸偏大，中央控制系统根据超差尺寸自动生成数控加工代码；S9：高速数控加工单元对其进行加工；根据自动设置的加工代码，行至工件上方，对工件进行加工；转动平台根据加工代码调整至相应位置和角度，以便进行工件的五轴数控加工；加工完成后，跳至步骤S6；S10：中央智能控制系统根据超差尺寸生成补偿分层加工程序，然后跳至步骤S4；S11：放射探伤系统对完成的烧结层进行无接触探伤，并记录下缺陷的位置；S12：放射探伤系统将缺陷位置数据传输至中央控制系统，中央控制系统根据设定的误差值进行判断，如果缺陷在允许误差范围内，跳至步骤S4；如果缺陷情况超出了设定的误差，则继续步骤S13；S13：中央智能控制系统根据缺陷情况自动生成数控加工程序；S14：高速数控加工单元对缺陷部分进行切除；S15：中央智能控制系统根据切除部分自动生成补偿分层烧结程序，跳至步骤S4；S16：如果工件带有内腔结构，可以根据需求设定一定的加工层数后，采用高速数控加工单元对内腔壁进行精加工；S17：中央智能控制系统根据测量结果生成超快激光抛光程序，超快激光抛光装置对工件内腔进行超快抛光；S18：高精度三维视觉测量装置对抛光内腔进行精度检测，中央智能控制系统根据检测精度进行判断，如果精度满足要求，则进行下一步骤；若精度不满足要求，则跳至步骤S17；S19：重复步骤S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15，S16，S17，S18直至所有的增减材制造加工完成。

本发明的有益效果：1. 本装置实现在一台装置内交替进行激光增材制造、高速数控切削加工和超快激光抛光表面处理，从而实现与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度，并且还可以实现加工中心无法实现的高精度内腔结构和随形通道的制造，成功地将激光增材制造的自由制造、加工中心的高速高精度制造和超快激光抛光的表面处理融为一体，相比于传统的SLM增材制造，本装置实现在一台装置内交替进行激光增材制造和高速数控切削加工，从而实现与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度，并且还可以实现加工中心无法实现的内腔结构和随形通道的制造，成功地将激光增材制造的自由制造和加工中心的高速高精度制造融为一体。2. 本加工方法可以采用较大的光斑进行造型，然后再采用精密切削进行精加工，提高成型零件的尺寸精度和表面质量，而且可以制造内部复杂通道的零件。3.本装置采用的可变容量的成型缸和粉缸，可以根据成型零件的大小改变容量，提高了粉末的利用率，并提高了生产效率；特别是针对高成本的实验性粉末的加工，极大地降低了加工成本。4. 本装置采用的五轴联动装置，结构简单，成本较低，能够在保证加工精度的同时降低装置的成本。5. 通过高精度三维视觉测量装置，测量分层工件的加工误差，通过放射探伤系统，测量分层工件的内部缺陷，并采用数控加工单元进行切削加工，提高产出零件的综合性能。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置中的旋转平台俯视图。

图3是成型缸和粉缸升降台俯视图。

图4是单个成型缸升降台和粉缸升降台的截面图。

图5是本发明加工工件内腔示意图。

图6是本发明超快激光抛光工件内腔示意图。

图7是本发明方法控制流程图。

图中：1. 中央智能控制系统；2. 信号线；3. Y轴步进电机A；4. 基体；5. Y轴步进电机B；6. Y轴精密滚珠丝杠；7.激光扫描装置；8. 高精度三维视觉测量装置；9. 高速数控加工单元；10. 放射探伤系统；11. 超快激光抛光装置；12. Y轴移动导轨；13. Z轴精密滚珠丝杠A；14. 转动平台；15. 刮刀；16. 刮刀移动导轨；17. 成型粉末；18. 粉缸；19. 粉缸升降台；20. 粉缸升降步进电机；21. 粉缸升降滚珠丝杠；22. 粉缸升降螺母；23. Z轴旋转齿轮轴；24. Z轴旋转小齿轮；25. Z轴旋转步进电机；26.Y轴旋转轴；27. 轴承固定座A；28.Z轴步进电机A；29. X轴步进电机A；30. 固定底座；31. X轴步进电机B；32. Z轴步进电机B；33. Y轴旋转步进电机；34. Y轴旋转大齿轮；35. Z轴精密滚珠丝杠B；36. 成型缸升降螺母；37. 成型缸升降滚珠丝杠；38. 成型缸升降步进电机；39. 成型缸升降台；40. 成型缸；41. 成型基板；42. 工件；43. 旋转平台挡板；44. X轴精密滚珠丝杠B；45. X轴移动导轨B；46. X轴移动导轨A；47. X轴精密滚珠丝杠A；48. 轴承固定座B；49. Y轴旋转小齿轮；50. 粉末隔离装置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施事例对本发明进一步说明。

如图1-图6所示，本实施例提供的一种基于SLM的智能五轴增减材复合制造系统，包括基体4，基体4上设置有固定底座30。具有3个自由度的转动平台14通过轴承固定座A27和轴承固定座B48在X轴移动导轨A46和X轴移动导轨B45上移动，由X轴步进电机A29和X轴步进电机B31分别驱动X轴精密滚珠丝杠A47和X轴精密滚珠丝杠B44同步移动。X轴移动导轨A46和X轴移动导轨B45固定在固定底座30上。Y轴旋转轴26安装在轴承固定座A27和轴承固定座B48上，Y轴旋转大齿轮34安装在Y轴旋转轴26上，Y轴旋转步进电机33驱动Y轴旋转小齿轮49转动，Y轴旋转小齿轮49带动Y轴旋转大齿轮34旋转，继而带动Y轴旋转轴26绕Y轴旋转。Z轴旋转齿轮轴23安装在Y轴旋转轴26上，Z轴旋转步进电机25驱动Z轴旋转小齿轮24转动，继而带动Z轴旋转齿轮轴23绕Z轴旋转。

成型缸40和粉缸18安装于Z轴旋转齿轮轴23上，成型缸40由可单独升降的16个成型缸升降台39构成可变容量成型缸（不同升降台之间通过燕尾槽结构相互连接，并实现上下相对运动，如图3所示），成型缸升降螺母36固定在成型缸40的底部，成型缸升降步进电机38驱动成型缸升降滚珠丝杠37旋转，从而带动成型缸升降台39实现单独上升和下降；根据使用需求，驱动不同数量和位置的成型缸升降台39下降即可构成不同容量的成型缸。

粉缸18由可单独升降的16个粉缸升降台19构成可变容量粉缸，粉缸升降螺母22固定在粉缸18的底部，粉缸升降步进电机20驱动粉缸升降滚珠丝杠21旋转，从而带动粉缸升降台19实现单独上升和下降；根据使用需求，驱动不同数量和位置的成型缸升降台19下降即可构成不同容量的粉缸。

工件42在成型基板41上进行成型，成型基板41安装于成型缸升降台39上。成型粉末17位于粉缸升降台19上，通过刮刀15将其铺匀于成型缸40内，刮刀15沿着刮刀移动导轨16进行往复运动。

旋转平台挡板43固定于转动平台14顶端，防止转动平台14旋转时成型粉末17溢出转动平台14外。SLM激光扫描装置7和超快激光抛光装置11固定于一起，由Y轴步进电机B5驱动Y轴精密滚珠丝杠6沿Y轴进行往复移动。

高精度三维视觉测量装置8、高速数控加工单元9和放射探伤系统10安装于Y轴移动导轨12上，由Y轴步进电机A3驱动沿着Y轴移动导轨12往复移动。

Y轴移动导轨12安装于Z轴精密滚珠丝杠A13和Z轴精密滚珠丝杠B35上，分别由Z轴步进电机A28和Z轴步进电机B32驱动同步运动。所有的控制元件通过信号线2连接于中央智能控制系统1上。

下面以Inconel625合金为例，本发明包含以下步骤。

A. 根据所加工零件的尺寸，确定启用的成型缸升降台39的数量和位置，粉缸18和成型缸40采用相同的设置（成型缸40和粉缸18各有16个升降台，如图3所示），将成型粉末17加入粉缸18中；根据成型缸40的使用形状，放置相应的成型基板41；

B. 将整个基体4进行密封，抽真空并填充保护气体；预热至200℃；

C. 调整所有零部件至初始位置，转动平台14处于水平不旋转位置，成型缸位于SLM激光扫描装置7的加工范围内（激光扫描装置参数：激光功率200~500W；粉末层厚度0.02~0.15mm；激光扫描速度100~1500mm/s；光斑直径0.06~0.30mm），高速数控加工单元9（加工参数：主轴转速24000r/min，定位精度0.005mm，重复定位精度0.003mm）、高精度三维视觉测量装置8（测量精度：X轴、Y轴精度5μm，Z轴精度1μm）和放射探伤系统10（测量精度：系统分辨率1 μm，探测范围30 mm）位于Y轴移动导轨12的最右端；

D. 成型缸37中启用的成型缸升降台39（定位精度：0.005mm）下降一层厚度，粉缸18中启用的粉缸升降台19上升一层厚度，刮刀15将成型粉末17铺至成型缸40内；

E.激光扫描装置7开始工作，对当层粉末进行熔化烧结；

F. 一层粉末熔化烧结后，高精度三维视觉测量装置8首先进行相机标定与坐标系配准，然后对当层成型尺寸进行测量，测量结果通过信号线2传输至中央智能控制系统1；

G.中央智能控制系统1将测量结果与分层参数尺寸进行对比：如果测量结果大于设计尺寸，并超出了允许误差，则进行步骤H；如果测量结果小于设计尺寸，并超出了允许误差，则进行步骤J；如果测量结果在允许误差范围内，则跳至步骤K；

H. 如果工件成型尺寸比分层设计尺寸偏大，中央智能控制系统1根据超差尺寸自动生成数控加工代码；

I.高速数控加工单元9对其进行加工；根据自动设置的加工代码，行至工件42上方，对工件42进行加工；转动平台14（精度：X轴定位精度0.005mm，Y轴分度精度4"，Z轴分度精度4"）根据加工代码调整至相应位置和角度，以便进行工件42的五轴数控加工；加工完成后，跳至步骤F；

J. 中央控制系统1根据超差尺寸生成补偿分层加工程序，然后跳至步骤D；

K. 放射探伤系统10对完成的烧结层进行无接触探伤，并记录下缺陷的位置；

L. 放射探伤系统10将缺陷位置数据传输至中央智能控制系统1，中央控制系统1根据设定的误差值进行判断，如果缺陷在允许误差范围内，跳至步骤D；如果缺陷情况超出了设定的误差，则继续步骤M；

M. 中央智能控制系统1根据缺陷情况自动生成数控加工程序；

N. 高速数控加工单元9对缺陷部分进行切除；

O. 中央智能控制系统1根据切除部分自动生成补偿分层烧结程序，跳至步骤D；

P. 如果工件带有内腔结构，不失一般性，可以设定加工层数为20层，即每加工20层后，中央智能控制系统1根据高精度三维视觉测量装置8对内腔壁的测量结果，自动生成本20层内腔壁的数控加工程序，继而控制高速数控加工单元(9)对内腔壁进行精加工，最终完成工件高精度内腔的加工；

Q. 中央智能控制系统1根据测量结果生成超快激光抛光程序，超快激光抛光装置11（加工参数：激光波长为1064nm，输出脉宽为240fs，单脉冲能量为100μJ，重复频率为20kHz-100k Hz，扫描速度100mm/s-1000mm/s）对工件内腔进行超快抛光；

R. 高精度三维视觉测量装置8对抛光内腔进行精度检测，中央智能控制系统1根据检测精度进行判断，如果精度满足要求，则进行下一步骤；若精度不满足要求，则跳至步骤Q；

S.重复步骤D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P，Q，R直至所有的增减材制造加工完成。