激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置的制作方法

本实用新型属于金属增材制造技术领域，尤其涉及一种激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置。

背景技术：

激光选区熔化技术是一种基于粉末床的金属增材制造技术。其工作原理是：计算机将零件的三维CAD模型进行分层切片处理，以形成二维加工路径；在一个充满惰性气体的密封箱体中，放置有铺粉装置；每铺放一层粉末，激光按照预先规划的路径扫描，熔化该层粉末，并与前一层金属熔合在一起；如此层层堆积，直到制造出所需要的零件。上述加工方式不受零件外形的限制，可以加工极为复杂的零件，具有巨大的潜在用途。然而，由于分层加工的特点，零件表面会出现层与层之间的纹理、粘连粉末等现象，进而导致金属表面粗糙度较高，并且难以达到机械加工的水平，因此，上述加工方式在很大程度上限制了其应用的进一步拓展。

为了解决金属表面质量和尺寸精度不高的技术问题，日本株式会社松浦机械制作所Matsuura制造推出了一款将激光选区熔化技术和铣削功能复合的设备。该设备是在普通激光选区熔化设备的基础上，增加了三坐标的铣削装置，以用于金属经激光扫描沉积完毕后，对金属表面进行加工，同时，为了更加精确地加工不同的曲率的曲面，该设备还配备了可容纳数十把铣刀的刀库，以此在加工过程中，设备需要识别零件不同位置的外形特征并选择合适的刀具。然而，上述设备由于采用三坐标铣削装置与刀库配合的加工方式，并且加工过程中需要经常换刀，从而导致占用的空间较大，并且结构及操作复杂

技术实现要素：

本实用新型针对上述现有的金属增材制造技术在对金属增材制造及加工过程中，占用空间大，并且结构及操作复杂的技术问题，提出一种占用空间小，并且结构及操作简单的激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置，包括内部设有腔室的工作舱，工作舱腔室内设置有可释放金属粉末的送粉件，对应于送粉件释放金属粉末的一端设置有可承接金属粉末的工作台，工作台包括可沿Z轴方向平移的升降平台，升降平台外沿Z轴方向密封套接有缸体，缸体的顶端为开口端，缸体的底端密封套接有可带动升降平台沿Z轴方向平移的第一驱动单元，工作台还包括与缸体顶端外壁连接的固定平台，固定平台的外周固定于工作舱腔室内壁，固定平台设置有可将金属粉末均匀分布于工作台顶部的刮刀单元，刮刀单元包括设置于固定平台顶部的直线导轨，以及可沿直线导轨做直线往复运动的刮刀，工作台的上方设置有可熔化金属粉末的激光发射单元；

工作舱腔室内设置有可对工作台上成形的金属零件表面进行铣削加工的五自由度加工单元，五自由度加工单元包括具有沿X轴方向平移自由度的第一运动件，具有沿Y轴方向平移自由度的第二运动件，具有沿Z轴方向平移自由度的第三运动件，具有绕Y轴转动自由度的第四运动件，具有绕Z轴转动自由度的第五运动件，可沿五个自由度方向运动的刀具，以及可驱动五自由度加工单元五自由度运动的第二驱动单元。

作为优选，第一运动件包括固定设置于工作舱内壁的第一导轨，以及可沿第一导轨做直线往复运动的第一滑块，第一导轨沿X轴方向设置；第二运动件包括固定设置于第一滑块的第二导轨，以及可沿第二导轨做直线往复运动的第二滑块，第二导轨沿Y轴方向设置；第三运动件包括固定设置于第二滑块的第三导轨，以及可沿第三导轨做直线往复运动的第三滑块，第三导轨沿Z轴方向设置。

作为优选，第四运动件的一端与第三滑块铰接，第四运动件的另一端与第五运动件的一端铰接，第五运动件的另一端与刀具连接。

作为优选，第五运动件的一端与第三滑块铰接，第五运动件的另一端与第四运动件的一端铰接，第四运动件的另一端与刀具连接。

作为优选，激光发射单元设置于工作舱的顶部，激光发射单元包括可发射激光的激光发射件，可将激光反射至升降平台顶部金属粉末的二自由度激光反射件，以及可驱动二自由度激光反射件转动的第三驱动单元。

作为优选，第一驱动单元包括连接于升降平台底部的第四滑块，可带动第四滑块沿Z轴方向平移的丝杠，以及可驱动丝杠转动的第六驱动件，第四滑块的顶部与升降平台固定连接，第四滑块的底部开设有与丝杠通过丝杠副连接的孔。

作为优选，还包括可收集刮刀从升降平台带出金属粉末的收集件，收集件设置于固定平台靠近工作舱腔室内壁的一端。

作为优选，工作舱连接有控制柜，控制柜内设置有控制单元，第一驱动单元、第二驱动单元及第三驱动单元均与控制单元连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置在对金属零件增材制造及加工时，通过设置激光发射单元及五自由度加工单元，实现了对金属零件激光选区熔化及五轴联动铣削的复合加工方式，其中，五自由度加工单元对金属零件表面加工的过程只需要一种刀具，而无需频繁换刀，更不需要刀库，从而能够降低操作的复杂程度，以及提高加工效率，同时，装置占用空间小且结构简单，进而能够获得表面质量及尺寸精度优良的激光选区熔化成形零件。

附图说明

图1为本实用新型激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置的整体结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大视图；

图3为刀具加工金属零件表面时在XZ平面上的姿态示意图；

图4为刀具加工金属零件表面时在XY平面上的姿态示意图。

以上各图中：1、工作舱；2、送粉件；3、刮刀单元；4、工作台；5、升降平台；6、收集件；7、缸体；8、第一驱动单元；9、控制柜；10、控制单元；11、固定平台；12、五自由度加工单元；13、激光发射单元；14、第一运动件；15、第二运动件；16、第三运动件；17、第四运动件；18、第五运动件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，空调室内机的长度方向为安装后的横向；术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1和图2所示，一种激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置，包括内部设有腔室的工作舱1，工作舱腔室内设置有可释放金属粉末的送粉件2，对应于送粉件2释放金属粉末的一端设置有可承接金属粉末的工作台4，工作台4包括可沿Z轴方向(如图1所示的竖直方向)平移的升降平台5，升降平台5外沿Z轴方向密封套接有缸体7，缸体7的顶端(如图1所示的顶端)为开口端，缸体7的底端(如图1所示的底端)密封套接有可带动升降平台5沿Z轴方向平移的第一驱动单元8，工作台4还包括与缸体7顶端外壁连接的固定平台11，固定平台11的外周固定于工作舱腔室内壁，固定平台11设置有可将金属粉末均匀分布于工作台4顶部的刮刀单元3，刮刀单元3包括设置于固定平台11顶部的直线导轨，以及可沿直线导轨做直线往复运动的刮刀，工作台4的上方设置有可熔化金属粉末的激光发射单元13；

进一步如图2所示，工作舱腔室内设置有可对工作台4上成形的金属零件(即成型的数层金属毛坯结构)表面进行铣削加工的五自由度加工单元12，五自由度加工单元12包括具有沿X轴方向(如图1所示的水平方向)平移自由度的第一运动件14，具有沿Y轴方向(如图1所示的前后方向)平移自由度的第二运动件15，具有沿Z轴方向(如图1所示的竖直方向)平移自由度的第三运动件16，具有绕Y轴转动自由度的第四运动件17，具有绕Z轴转动自由度的第五运动件18，可沿五个自由度方向运动的刀具，以及可驱动五自由度加工单元12五自由度运动的第二驱动单元，其中，五自由度加工单元12上述设置的作用在于提供刀具到达空间加工范围内任意位置的三个方向运动自由度，以及提供刀具在对金属零件表面加工时做出任意姿态的两个方向运动自由度。

需要说明的是，应用五自由度加工单元12对成型金属表面进行铣削加工时，所需刀具的姿态可以为：如图3和图4所示，刀具可选择刃面为球形或圆柱形的铣刀，通常要求刀具的轴线与加工点(例如如图3和图4所示的O点)切平面平行，同时，刀具轴线与Z轴正向(如图3所示Z轴的箭头指向)夹角最小。

基于上述可知，五自由度加工单元12可以实现在空间加工范围内，以任意角度和位置对金属零件表面的加工，因此，本实用新型激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置在对金属零件增材制造及加工时，通过设置激光发射单元13及五自由度加工单元12，实现了对金属零件激光选区熔化及五轴联动铣削的复合加工方式，其中，五自由度加工单元12对金属零件表面加工的过程只需要一种刀具，而无需频繁换刀，更不需要刀库，从而能够降低操作的复杂程度，以及提高加工效率，同时，装置占用空间小且结构简单，进而能够获得表面质量及尺寸精度优良的激光选区熔化成形零件。

针对上述第一运动件14、第二运动件15及第三运动件16的结构，可以为：如图2所示，第一运动件14包括固定设置于工作舱1内壁的第一导轨，以及可沿第一导轨做直线往复运动的第一滑块，第一导轨沿X轴方向设置；第二运动件15包括固定设置于第一滑块的第二导轨，以及可沿第二导轨做直线往复运动的第二滑块，第二导轨沿Y轴方向设置；第三运动件16包括固定设置于第二滑块的第三导轨，以及可沿第三导轨做直线往复运动的第三滑块，第三导轨沿Z轴方向设置。本实用新型通过设置第一运动件14、第二运动件15及第三运动件16，保证了刀具在加工范围内能够到达金属零件表面的任意位置。

基于上述，进一步如图2所示，第四运动件17及第五运动件18可以为：第四运动件17的一端与第三滑块铰接，第四运动件17的另一端与第五运动件18的一端铰接，第五运动件18的另一端与刀具连接。本实用新型通过设置第四运动件17及第五运动件18，保证了刀具在加工范围内能够以任意姿态对金属零件表面进行加工。

另外，第四运动件17及第五运动件18还可以为：第五运动件18的一端与第三滑块铰接，第五运动件18的另一端与第四运动件17的一端铰接，第四运动件17的另一端与刀具连接。

针对上述第二驱动单元的结构，具体为：第二驱动单元包括可驱动第一滑块沿X轴平移的第一驱动件，可驱动第二滑块沿Y轴平移的第二驱动件，可驱动第三滑块沿Z轴平移的第三驱动件，可驱动第四运动件17绕Y轴转动的第四驱动件，以及可驱动第五运动件18绕Z轴转动的第五驱动件。

针对上述激光发射单元13的结构，可以为：如图1所示，激光发射单元13设置于工作舱1的顶部，激光发射单元13包括可发射激光的激光发射件，可将激光反射至工作台4顶部金属粉末的二自由度激光反射件，以及可驱动二自由度激光反射件转动的第三驱动单元。二自由度激光反射件的作用在于，使激光发射件发出的激光可加工作台4顶部任意位置的金属粉末；第三驱动单元的作用在于，提供二自由度激光反射件沿两个自由度方向运动的动力。

针对上述第一驱动单元8的结构，具体为：如图1所示，第一驱动单元8包括连接于升降平台5底部的第四滑块，可带动第四滑块沿Z轴方向平移的丝杠，以及可驱动丝杠转动的第六驱动件，第四滑块的顶部与升降平台5固定连接，第四滑块的底部开设有与丝杠通过丝杠副连接的孔。

优选的，第六驱动件为伺服电机、步进电机或液压马达其中之一种。

进一步，本实用新型还包括可收集刮刀从工作台4带出金属粉末的收集件6，收集件6设置于固定平台11靠近工作舱腔室内壁的一端。

另外，工作舱1连接有控制柜9，控制柜9内设置有控制单元10，第一驱动单元8、第二驱动单元及第三驱动单元均与控制单元10连接。控制单元10用于控制激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置对金属零件增材制造及加工的各项运动。

为了更好地理解本实用新型的技术方案，如图1至图4所示，本实用新型激光选区熔化与五轴铣削复合加工装置的工作过程如下：

工作前，金属零件的CAD模型经数据处理后生成一系列二维的加工路径数据，这些层片数据沿Z轴方向自下而上等距排列，进而根据粉末粒度和加工精度要求，选择合适的层间距(通常在粉末越细、加工精度要求越高、激光功率较小时选择层间距小一些，反之则大一些)。

激光选区熔化过程：在路径数据驱动下，送粉件2释放满足在工作台4顶部铺放一层所需的金属粉末，刮刀单元3工作，将金属粉末均匀铺放在工作台4上；激光发射单元13发出的激光按照该层面路径数据，扫描预先规划好的区域，并将最上层金属粉末熔化，以实现与前一层金属粉末的结合；一层金属粉末熔化完成后，升降平台5下降一层高度，并准备对下一层金属粉末进行熔化。

五自由度加工单元12加工过程：在完成一层或数层金属粉末的熔化后，暂停铺粉和激光扫描熔化；五自由度加工单元12对以上成形的数层结构，沿着层面内外轮廓进行铣削加工；刀具在沿金属零件层面轮廓进行加工时，空间姿态(可以由成熟的CAD/CAM软件自动解算)随零件外形的改变而改变；以图3和图4为例，当需要加工复杂曲面零件外表面上O点时，通过该点的切平面在XZ截面上的投影为一条直线，此时，需要刀具轴线与该直线平行，同时，刀具轴线与Z轴正方的夹角θ最小。