专利名称：基于焊接堆积的多金属直接快速成型方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于制造技术领域，特别涉及一种基于焊接堆积的多金属直接快速成型方法及装置。
背景技术：
快速成形(RP)是一种全新的制造技术，它采用材料累加成型原理，无需刀具、工装以及复杂的工艺准备，可快速的由三维CAD物理模型制作出具有一定功能的三维实体，真正实现了CAD/CAPP/CAM的集成，其突出的优点是不受零件复杂程度的限制，零件越复杂，其技术优势越明显。目前常用的快速成形方法有光固化法(Stereolithography)、分层实体制造法(LOM)、熔融沉积法(FDM)、三维打印法(3D-Print)和选区激光烧结法(SLS)。前三种方法一般采用光敏树脂、纸和蜡作为成形材料，不能直接制作金属零件；而选区激光烧结法(SLS法)虽然能够制作金属零件，但是由于通过粘结剂或低熔点金属粉末将高熔点金属粉末粘结成形，再经过赔烧的工艺方法，所获得的零件组织致密性和机械性能都不理想；而采用大功率激光器直接烧结金属粉末材料成形的方法，虽然能够获得机械性能良好的零件，但是，昂贵的设备费用及运行费用使其难以在生产实际中推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、且能够直接制作高性能组织致密的多种材料金属结构零件的基于焊接堆积的多金属直接快速成型方法及装置。
为了达到上述目的，本发明利用熔焊电源熔化金属基体和填充金属丝材，通过送丝机构将金属丝材送入焊炬与基体之间产生的弧光区域内，使丝材熔化，三维工作台在数控系统控制下运动，使填充材料的熔滴逐点成线，逐线成面，一层形成后，由铣头进行本层层面及轮廓的加工，一层完成后，进行下一层的焊接堆积；送丝机构输送的金属丝材的直径小于0.8mm；铣头采用2万转/分钟以上的高速铣头进行层面及轮廓的加工。
本发明的装置包括机架以及设置在机架的上、下端的数控回转机构和三维工作台，其特点是，在三维工作台与数控回转机构之间的数控回转机构上分别设置有用于输送金属丝材的送丝机构和与熔焊电源相连接的焊枪，在机架上还设置有铣头。
本装置的另一特点是熔焊电源为弧焊电源；在三维工作台与焊枪之间还设置有包埋焊区的介质材料；介质材料为液体介质和固体介质；液体介质为普通水、去离子水、乳化液；固体介质材料为耐高温的金属粉末以及陶瓷粉末。
由于本发明将金属丝材送如焊炬与基体之间产生的弧光区域内，使丝材熔化，成型件在三维工作台的控制下运动，使填充材料的熔滴逐点成线，逐线成面，逐面成体。一层形成后，由铣头进行本层层面及轮廓的加工，以保证单层层片的精度。
四
图1是本发明装置的整体结构示意图。
五具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括机架9。三维工作台通过一块立板固定在机架9的下端，立板可以调整垂直度，整个三维工作台5配以平衡重，以减轻工作台5升降运动时受重力的影响和对立板的弯曲作用。三维工作台5在数控系统控制下可进行X-Y轴的联动和Z轴的升降运动。X-Y轴的联动主要完成堆积过程中的单条线和层片的形成以及层片加工时相对高速铣头8的进给运动。Z轴运动主要完成层层的堆积和加工时Z向的进给运动。数控回转机构2安装在机架9的上端，并能作旋转运动。送丝机构6以及焊枪7均安装在数控回转机构2上，在焊接堆积时，当堆积路径为曲线时，数控回转机构2带动送丝机构6及焊枪7进行旋转，调整送丝的角度以保证送丝方向在堆积路径的切线方向。高速铣头8安装在机架9上，当一层焊接堆积完成后，三维工作台5的XY运动带动工件接近高速铣头8进行层片和轮廓的加工，加工完毕后，三维工作台5带动工件4回复到焊接堆积位置，等待下一层的堆积。熔焊电源1放置在机架一侧，离子气、保护气通过气管与焊枪7相连接，通过电缆将电源电流传输给焊枪7。
本发明利用熔焊电源1熔化金属基体4和填充金属丝材，通过送丝机构6将不同材料的金属丝材送入焊枪7与基体之间产生的弧光区域内，使丝材熔化，三维工作台5在数控系统控制下，按照所要成形零件的几何特征运动，使填充的金属材料的熔滴逐点成线，逐线成面，一层形成后，由铣头8进行本层层面及轮廓的加工，以保证单层层面的精度。一层完成后，进行下一层的焊接堆积。为了保证焊接堆积过程中熔滴过渡的连续及稳定，将送丝机构6安装在数控回转机构2上，根据填充轨迹的方向调整送丝的角度，使送丝方向与填充轨迹的切向重合，以保证熔池的连续及稳定，保证单条线的宽度以及制件的堆积精度。在焊接堆积过程中，电弧的稳定对焊接质量具有直接的影响，在焊接过程中，采用介质材料3将已堆积部分包埋起来，一方面可以保证在焊区附近的电弧稳定，另一方面通过介质改变焊区的热场分布，从而减小焊接变形和焊后残余应力的产生。
本发明可用在机械、汽车、航天航空、仪器仪表等领域用来制造金属模具和具有功能梯度结构要求的金属零件。
权利要求
1.基于焊接堆积的多金属直接快速成型方法，其特征在于利用熔焊电源熔化金属基体和填充金属丝材，通过送丝机构将金属丝材送入焊炬与基体之间产生的弧光区域内，使丝材熔化，三维工作台在数控系统控制下运动，使填充材料的熔滴逐点成线，逐线成面，一层形成后，由铣头进行本层层面及轮廓的加工，一层完成后，进行下一层的焊接堆积。
2.根据权利要求1所述的基于焊接堆积的多金属直接快速成型方法，其特征在于所说的送丝机构输送的金属丝材的直径小于0.8mm。
3.根据权利要求1所述的基于焊接堆积的多金属直接快速成型装置，其特征在于所说的铣头采用2万转/分钟以上的高速铣头进行层面及轮廓的加工。
4.基于权利要求1所述的焊接堆积的多金属直接快速成型装置，包括机架[9]以及设置在机架[9]的上、下端的数控回转机构[2]和三维工作台[5]，其特征在于在三维工作台[5]与数控回转机构[2]之间的数控回转机构[2]上分别设置有用于输送金属丝材的送丝机构[6]和与熔焊电源[1]相连接的焊枪[7]，在机架[9]上还设置有铣头[8]。
5.根据权利要求4所述的焊接堆积的多金属直接快速成型装置，其特征在于所说的熔焊电源[1]为弧焊电源。
6.根据权利要求4所述的焊接堆积的多金属直接快速成型装置，其特征在于所说的在三维工作台[5]与焊枪[7]之间还设置有包埋焊区的介质材料[3]。
7.根据权利要求6所述的焊接堆积的多金属直接快速成型装置，其特征在于所说的介质材料[3]为液体介质和固体介质；液体介质为普通水、去离子水、乳化液；固体介质材料为耐高温的金属粉末以及陶瓷粉末。
全文摘要
基于焊接堆积的多金属直接快速成形方法及装置，该方法采用弧焊热源熔化金属丝材进行材料堆积，采用高速铣头加工层片平面及轮廓，保证制件精度，通过数控程序控制三维工作台的运动，实现所需要的零件几何特征。成形过程中为了提高成形质量，采取了送丝方向自适应调整和包埋介质改善温场的工艺措施。用该方法成形金属零件具有成本低、组织致密、效率高的特点，并且可实现功能梯度结构金属零件的快速成形。
文档编号B23C3/00GK1481972SQ0313439
公开日2004年3月17日 申请日期2003年7月11日 优先权日2003年7月11日
发明者赵万华, 卢秉恒, 胡晓冬, 许超 申请人:西安交通大学