一种工件的成型与强化的复合加工装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及特种加工与制造技术领域，尤其涉及一种工件的成型与强化的复合加工装置及方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，特种加工与制造技术领域特指利用激光、等离子弧、电子束和电弧等高能热源对预加工工件进行增材成型的技术，也称3D打印技术。
[0003]增材制造技术主要是通过利用高能量热源，照射金属粉末或者金属丝材使其逐层熔化，熔化材料按照相应的工件轮廓逐渐累加，以制造实体零件的技术。增材制造技术的优点是可以不需要模具，制造形状复杂的零件。增材制造技术可有效减少原材料的使用，对于提尚制造效率、降低制造成本具有积极的作用。
[0004]激光冲击强化技术是利用激光辐照工件表面，使工件金属材料表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量，并发生爆炸性气化蒸发，并产生高温、高压的等离子体的一种技术。产生的等离子体受到约束层的约束，将形成高压冲击波并向材料内部传播。激光冲击强化技术可以使材料表层发生塑性变形，材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上留下残余应力，从而提高金属材料的抗疲劳和耐磨损等性能。
[0005]然而，现有技术中的增材制造技术还需要进一步地提高效率，且没有将其与激光冲击强化技术相结合的相关记载。因此，需要一种包括增减材制造和激光冲击强化的复合加工装置及方法。
【发明内容】
[0006]为了解决上述部分或全部技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种工件的成型与强化的复合加工装置，其工作过程由计算机控制系统控制。
[0007]加工装置包括依次设置于其内部的成型模块、精加工模块和服役寿命强化模块。在成型模块与精加工模块之间，以及精加工模块和服役寿命强化模块之间均设有机械臂。
[0008]进一步地，成型模块为采用高能热源按照计算机模拟的工件轮廓进行增材成型的模块。优选地，高能热源包括激光、等离子弧、电子束或电弧。
[0009]进一步地，精加工模块为减材制造模块，包括用于车削、铣削、刨、磨加工的刀具库。
[0010]进一步地，服役寿命强化模块为激光冲击强化模块。
[0011]根据本发明的另一个方面，还提供了一种工件的成型与强化的复合加工方法，包括如下步骤:
[0012]首先，采用高能热源增材成型工艺在成型模块中对金属材料加工，得到增材成型后的工件；其次，通过机械臂将增材成型后的工件送入精加工模块进行减材加工，得到预定尺寸的目标工件；最后，通过机械臂将目标工件送入服役寿命强化模块进行处理，提高目标工件的服役寿命。
[0013]进一步地，高能热源增材成型工艺包括:激光增材制造工艺、等离子弧增材制造工艺、电子束增材制造工艺和电弧增材制造工艺。
[0014]进一步地，减材加工包括车削、铣削、刨、磨、铣车、车铣及车镗钻加工过程。
[0015]进一步地，服役寿命强化模块的处理过程为采用激光照射目标工件表面以提高目标工件的服役寿命的过程。优选地，激光为短脉冲、高峰值功率密度的激光。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点在于:⑴将增减材制造与强化增寿技术结合在一起，提高了生产加工的效率，可由原材料直接制造出可用的零件或构件。(2)可选择使用的增材制造方法比较多，涵盖范围广，可以制造小零件或者大型结构件，有利于装置和方法的推广使用。(3)实现了加工一体化，避免了加工过程中的重复装夹，并且，使零件或构件的加工精度得以提高。
【附图说明】
[0017]在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0018]图1为本发明实施例的工件的成型与强化的复合加工装置的示意图；
[0019]图2为本发明实施例的等离子弧增材制造原理图；
[0020]图3为本发明实施例的电子束增材制造原理图；
[0021]图4为本发明实施例的电弧增材制造原理图；
[0022]图5为本发明实施例的激光冲击强化原理图；
[0023]图6为本发明实施例的工件的成型与强化的复合加工方法的流程图。
[0024]在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0026]如图1所示，一种工件的成型与强化的复合加工装置1，在复合加工中心内依次设有成型模块、精加工模块和工件服役寿命强化模块。在成型模块与精加工模块之间，以及精加工模块和服役寿命强化模块之间均设有机械臂7。
[0027]在本发明的一个具体的实施例中，成型模块为采用高能热源按照计算机模拟的工件轮廓表面进行增材成型的模块。如图1所示，以激光增材制造模块为例，成型模块包括增材制造腔体2、以及位于增材制造腔体2上方的光纤激光器10。在增材制造腔体2的内部放置有基板3，在基板3的上面可以放置预成型零件4。优选地，激光增材制造模块采用大功率激光器对金属粉末进行照射，激光束的功率在3?1KW之间。金属粉末的流量控制在10?30g/min范围内，在激光束的照射下金属粉末熔化，并一层一层的堆积(单层厚度不超过0.8_)凝固成型形成所需要的零件。采用激光照射的成型方法是最常用的增材成型手段之一，通过采用合理的激光器，合适的激光扫描路径、扫描速度和激光强度，对计算机模拟的切片轮廓进行激光扫描。激光熔化沉积腔体必须抽真空，可以选择99.99%高纯氩气或氦气等惰性气体作为保护性气氛。在计算机控制系统的控制下向工作台的基板上送粉，激光器按照预先模拟的扫描程序对金属粉进行扫描，将其熔化，形成与预定切片层厚度的熔覆层。完成一个熔覆层后将进行下一个切片层的熔覆堆积，以此往复，直到形成所设计的金属零件形状为止。
[0028]在成型模块的下游设有精加工模块，包括刀具库5以及减材制造中心6。在精加工模块的下游设有工件服役寿命强化模块，包括强化处理中心8以及Nd:YAG激光器9。
[0029]在本发明的一个具体的实施例中，成型模块(增材制造模块)包括激光增材制造模块、等离子弧增材制造模块、电子束增材制造模块、电弧增材制造模块以及传统的铸造成型模块中的一种或几种。
[0030]在本发明的一个具体的实施例中，等离子弧增材制造模块，如图2所示，主要包括等离子弧发射器15，在等离子弧发射器15的正下方成型腔内设有基板18及位于基板上的成型零件19。在成型腔的外围设有送粉器16、惰性气体瓶17以及水冷系统20。与等离子弧发射器15相并联的有转移弧电源11、非转移弧电源12以及高频引弧器14，在非转移弧电源12以及高频引弧器14之间串联有扼流圈13。等离子弧增材制造模块工作时，利用等离子弧发射器15发射出的高温且电流密度大的等离子体，可以将送粉器16送至成型腔内的金属粉末熔化在成型