一种等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备的制作方法

本实用新型涉及微束等离子弧(micro plasma arc)增材制造领域，尤其涉及一种等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备。

背景技术：

当等离子转移弧电流在15A以下时，通常被称为微束等离子弧。这种电弧功率很小，通常在1kW以下，是进行精密焊接的理想热源之一。其电弧直径在1.5mm左右，而长度可达5mm以上。

微束等离子弧粉末熔覆快速成型工艺是一种焊接电弧的金属直接成型工艺。它借鉴了快速成型方法中“离散、堆积”的思想,与激光快速成型方法的基本原理相似，微束等离子弧粉末熔覆快速成型是以小电流的等离子弧为热源，通过熔丝或熔粉的方式在工件表面以拟定的路径实现逐层材料的堆积。

微束等离子弧粉末熔覆快速成型设备主要由等离子枪、高空载电压的直流电源、惰性气体源(等离子气和保护气)等几个部分组成。其工艺流程如下：首先在计算机中生成待成形工件的三维CAD模型,然后将模型按照一定的厚度切片分层,即将零件的三维实体信息转化为一系列二维轮廓信息,在计算机的控制下,用微束等离子弧粉末熔覆分层堆积的方法,按照二维轮廓信息逐层堆积,最终生成三维实体零件。

目前微束等离子弧多用于焊接领域，而用于增材制造不够成熟。为实现利用微束等离子弧加工异型管道薄壁件等复杂形状工件，因此需要提出一种新的方案：将微束等离子枪、多轴数控机床及立铣铣削装置三个模块进行有机结合，以实现增减材复合3D打印。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、工作效率高的等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备。克服了传统技术加工复杂形状工件精度低、效率低等问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备，包括中央控制系统14、密封成型室25；

所述密封成型室25分为：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区；

Ⅰ区用于放置微束等离子加工装置；

Ⅱ区用于放置五轴五联动数控加工平台；

Ⅲ区用于放置立铣铣削加工装置；

所述中央控制系统14用于：控制微束等离子加工装置的按照规划路径完成工件的加工作业；控制五轴五联动数控加工平台根据规划路径实现工件在X、Y、Z轴方向的运动作业；控制立铣铣削加工装置对五轴五联动数控加工平台上的工件26进行铣削作业。

所述微束等离子加工装置包括：

微束等离子枪21；

龙门式结构的X轴导轨22；

梁式结构的Y轴导轨19；

悬臂式结构的Z轴导轨18；

所述Y轴导轨19在Z轴导轨18上上下运动；

所述X轴导轨22在Y轴导轨19上前后运动；

所述微束等离子枪21安装在X轴导轨22上，并可在X轴导轨22上左右运动；在中央控制系统14的控制下，可实现微束等离子枪21在X、Y、Z三轴移动。

所述五轴五联动数控加工平台包括：

地轨式结构的平台X轴导轨1；

梁式结构的平台Y轴导轨3；

悬臂式结构的平台Z轴导轨2；

工作平台7；

工件基板8；

加工平台9；

所述平台Z轴导轨2上设置有平台X轴方向旋转步进电机6；平台X轴方向旋转步进电机6在Z轴上上下运动；

所述平台Y轴导轨3可在平台X轴导轨1上左右运动；

所述平台Z轴导轨2可在平台Y轴导轨3上前后运动；

所述工作平台7连接在平台X轴方向旋转步进电机6上，并在中央控制系统14的控制下，可实现三轴移动以及X轴方向转动；

所述加工平台9连接平台Z轴方向旋转步进电机5并安装在工作平台7上，工件基板8与加工平台9连接上，并在中央控制系统14的控制下，可实现三轴移动以及X轴和Z轴方向转动。

所述立铣铣削加工装置包括：

龙门式结构的铣削X轴导轨16；

梁式结构的铣削Y轴导轨15；

悬臂式结构的铣削Z轴导轨13；

所述铣削X轴导轨16上设置铣削驱动主轴17，铣削驱动主轴17端部设置刀具10；

所述铣削Y轴导轨15在铣削Z轴导轨13上上下运动；

所述铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15前后运动；

在中央控制系统14的控制下，铣削驱动主轴17携带刀具10按照路径规划对加工完成或者部分完成的工件26进行铣削加工。

所述立铣铣削加工装置还包括：

用于放置刀具10的铣刀刀盘11；

驱动铣刀刀盘11转动的步进电机12；

换刀可采用手动模式或者自动模式；

若采用自动模式换刀时，由中央控制系统14控制铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15前后运动，以调整铣削驱动主轴17在铣削X轴导轨16上的卸刀工位，铣削驱动主轴17上的用于吸附刀具10的电磁装置的磁性消失，刀具在重力作用下跌落置铣刀刀盘11上的卸刀工位内，然后控制铣削驱动主轴17运行至铣刀刀盘11对应的刀具正上方并逐渐与其接近，在电磁装置的磁性吸附力作用下，将相应的刀具10吸入铣削驱动主轴17的刀架安装孔内，实现刀具更换及安装。

所述微束等离子枪21通过管路连接外部的用于给其散热的冷却机24；所述微束等离子枪21通过管路连接外部的粉末供给装置23。

所述密封成型室25通过管路连接外部的保护气供给装置4。

所述密封成型室25还包括气体循环净化系统；

所述气体循环净化系统包括：

抽真空装置；

氧含量检测及反馈系统；

气体循环净化装置；

开始成型前，抽真空装置将密封成型室25内抽至低压状态，并由保护气供给装置4充入惰性气体；氧含量检测装置实时检测密封成型室25内氧含量；工件26加工进行时，密封成型室25内的氧含量会有变化，超出预设含量范围时，反馈系统向监测系统发出反馈信号，启动抽真空装置和保护气供给装置4，以降低成型室内气压和通入保护气，达到降低密封成型室25内氧含量的目的。

所述等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备的运行方法，包括如下步骤：

步骤1：成型前，将密封成型室25处于抽成真空状态后，再通入保护气；

步骤2：五轴五联动数控加工平台开始工作；

其平台Y轴导轨3沿着平台X轴导轨1移动到平台X轴导轨1的中间位置；

其平台Z轴导轨2沿着平台Y轴导轨3移动到平台Y轴导轨3中间位置；

其平台X轴方向旋转步进电机6沿着平台Z轴导轨2移动到平台Z轴导轨2的中间位置，平台X轴方向旋转步进电机6水平方向复位，平台Z轴方向旋转步进电机5复位；

步骤3：微束等离子枪21开始移动，Y轴导轨19沿着Z轴导轨18移动到工件基板8的上方预定位置，X轴导轨22沿着Y轴导轨19移动到工件基板8的正上方，微束等离子枪21沿着离子枪X轴导轨22移动到工件基板8正中心上方；

步骤4：微束等离子枪21开始工作，中央控制系统14控制冷却机24开始工作；

中央控制系统14控制粉末供给装置23按照预定流量，向微束等离子枪21的喷嘴处送入粉末；

微束等离子枪21的微束等离子弧熔化金属粉末，并按照规划路径对工件26进行逐层打印，当工件26完成加工或中途停止需要铣削加工时，微束等离子枪21退回初始位置；

步骤5：根据路径规划，中央控制系统14控制工件基板8进行五联动变换调整位置后，立铣铣削加工装置开始工作；

铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15移动至工件基板8的正上方，铣削Y轴导轨15沿着铣削Z轴导轨13向下移动到预定位置，调整铣削驱动主轴17在铣削X轴导轨上的位置，进行对刀；

完成对刀后，铣削驱动主轴17沿任意轴方向开始进给，切去成型面表面的带切除的凸起部分；

完成切屑后，铣削X轴导轨16、铣削Y轴导轨15退回初始位置；

步骤6：重复步骤3至步骤5，直至工件26加工完成。

本实用新型与现有的微束等离子弧粉末熔覆快速成形装备相比，本设备实现了在一台装置内交替进行增减材制造，从而可以提高工件的表面质量和较高的加工精度，并且还可以实现传统工艺无法实现的随形异性管道的制造，成功的将微束等离子弧薄壁增材制造和多轴数控机构以及铣削减材融为一体，实现了高效率的增减材复合加工。

本实用新型可以先采用微束等离子弧加工出工件后，然后再采用精密铣削进行个性化精加工，提高了成型工件的尺寸精度和表面质量，并且能够制造出形状复杂的异型管道零件。

附图说明

图1为本实用新型等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备正视结构示意图。

图2为微束等离子加工装置示意图。

图3为五轴五联动数控加工平台示意图。

图4为立铣铣削加工装置换刀正视结构示意图。

图5为立铣铣削加工装置换刀俯视结构示意图。

图6为举例说明在打印异型管道零件时的示意图。

图7为举例说明在对图6中异型管道零件铣削时的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。

如图1至7所示。本实用新型公开了一种等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备，包括中央控制系统14、密封成型室25；

所述密封成型室25分为：Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区；

Ⅰ区用于放置微束等离子加工装置；

Ⅱ区用于放置五轴五联动数控加工平台；

Ⅲ区用于放置立铣铣削加工装置；

所述中央控制系统14用于：控制微束等离子加工装置的按照规划路径完成工件的加工作业；控制五轴五联动数控加工平台根据规划路径实现工件在X、Y、Z轴方向的运动作业；控制立铣铣削加工装置对五轴五联动数控加工平台上的工件26进行铣削作业。

如图2；所述微束等离子加工装置包括：

微束等离子枪21；

龙门式结构的X轴导轨22；

梁式结构的Y轴导轨19；

悬臂式结构的Z轴导轨18；

所述Y轴导轨19在Z轴导轨18上上下运动；

所述X轴导轨22在Y轴导轨19上前后运动；

所述微束等离子枪21安装在X轴导轨22上，并可在X轴导轨22上左右运动；在中央控制系统14的控制下，可实现微束等离子枪21在X、Y、Z三轴移动。

如图3；所述五轴五联动数控加工平台包括：

地轨式结构的平台X轴导轨1；

梁式结构的平台Y轴导轨3；

悬臂式结构的平台Z轴导轨2；

工作平台7；

工件基板8；

加工平台9；

所述平台Z轴导轨2上设置有平台X轴方向旋转步进电机6；平台X轴方向旋转步进电机6在Z轴上上下运动；

所述平台Y轴导轨3可在平台X轴导轨1上左右运动；

所述平台Z轴导轨2可在平台Y轴导轨3上前后运动；

所述工作平台7连接在平台X轴方向旋转步进电机6上，并在中央控制系统14的控制下，可实现三轴移动以及X轴方向转动；

所述加工平台9连接平台Z轴方向旋转步进电机5并安装在工作平台7上，工件基板8与加工平台9连接上，并在中央控制系统14的控制下，可实现三轴移动以及X轴和Z轴方向转动。

如图4、图1；所述立铣铣削加工装置包括：

龙门式结构的铣削X轴导轨16；

梁式结构的铣削Y轴导轨15；

悬臂式结构的铣削Z轴导轨13；

所述铣削X轴导轨16上设置铣削驱动主轴17，铣削驱动主轴17端部设置刀具10；

所述铣削Y轴导轨15在铣削Z轴导轨13上上下运动；

所述铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15前后运动；

在中央控制系统14的控制下，铣削驱动主轴17携带刀具10按照路径规划对加工完成或者部分完成的工件26进行铣削加工。

如图4、图5；所述立铣铣削加工装置还包括：

用于放置刀具10的铣刀刀盘11；

驱动铣刀刀盘11转动的步进电机12；

换刀可采用手动模式或者自动模式；

若采用自动模式换刀时，由中央控制系统14控制铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15前后运动，以调整铣削驱动主轴17在铣削X轴导轨16上的卸刀工位，铣削驱动主轴17上的用于吸附刀具10的电磁装置的磁性消失，刀具在重力作用下跌落置铣刀刀盘11上的卸刀工位内，然后控制铣削驱动主轴17运行至铣刀刀盘11对应的刀具正上方并逐渐与其接近，在电磁装置的磁性吸附力作用下，将相应的刀具10吸入铣削驱动主轴17的刀架安装孔内，实现刀具更换及安装。

如图1；所述微束等离子枪21通过管路连接外部的用于给其散热的冷却机24；所述微束等离子枪21通过管路连接外部的粉末供给装置23。

如图1；所述密封成型室25通过管路连接外部的保护气供给装置4。

所述密封成型室25还包括气体循环净化系统(图中未示出)；

所述气体循环净化系统包括：

抽真空装置；

氧含量检测及反馈系统；

气体循环净化装置；

开始成型前，抽真空装置将密封成型室25内抽至低压状态，并由保护气供给装置4充入惰性气体；氧含量检测装置实时检测密封成型室25内氧含量；工件26加工进行时，密封成型室25内的氧含量会有变化，超出预设含量范围时，反馈系统向监测系统发出反馈信号，启动抽真空装置和保护气供给装置4，以降低成型室内气压和通入保护气，达到降低密封成型室25内氧含量的目的。

本实用新型等离子和多轴数控机床增减材复合3D打印设备的运行方法，可通过如下步骤实现：

步骤1：成型前，将密封成型室25处于抽成真空状态后，再通入保护气；

步骤2：五轴五联动数控加工平台开始工作；

其平台Y轴导轨3沿着平台X轴导轨1移动到平台X轴导轨1的中间位置；

其平台Z轴导轨2沿着平台Y轴导轨3移动到平台Y轴导轨3中间位置；

其平台X轴方向旋转步进电机6沿着平台Z轴导轨2移动到平台Z轴导轨2的中间位置，平台X轴方向旋转步进电机6水平方向复位，平台Z轴方向旋转步进电机5复位；

步骤3：微束等离子枪21开始移动，Y轴导轨19沿着Z轴导轨18移动到工件基板8的上方预定位置，X轴导轨22沿着Y轴导轨19移动到工件基板8的正上方，微束等离子枪21沿着离子枪X轴导轨22移动到工件基板8正中心上方；

步骤4：微束等离子枪21开始工作，中央控制系统14控制冷却机24开始工作；

中央控制系统14控制粉末供给装置23按照预定流量，向微束等离子枪21的喷嘴处送入粉末；

微束等离子枪21的微束等离子弧熔化金属粉末，并按照规划路径对工件26进行逐层打印，当工件26完成加工或中途停止需要铣削加工时，微束等离子枪21退回初始位置；

步骤5：根据路径规划，中央控制系统14控制工件基板8进行五联动变换调整位置后，立铣铣削加工装置开始工作；

铣削X轴导轨16沿着铣削Y轴导轨15移动至工件基板8的正上方，铣削Y轴导轨15沿着铣削Z轴导轨13向下移动到预定位置，调整铣削驱动主轴17在铣削X轴导轨上的位置，进行对刀；

完成对刀后，铣削驱动主轴17沿任意轴方向开始进给，切去成型面表面的带切除的凸起部分；

完成切屑后，铣削X轴导轨16、铣削Y轴导轨15退回初始位置；

步骤6：重复步骤3至步骤5，直至工件26加工完成。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。