一种激光和摩擦复合增减材加工装置的制作方法

1.本实用新型涉及金属零件增减材制造技术领域，具体而言，涉及一种激光和摩擦复合增减材加工装置。


背景技术：

2.近年来，增材制造技术由于其一系列优点，例如快速、灵活、节省成本等，很好地弥补了传统的减材制造方法的不足，适合复杂零件的快速制造。
3.与选区激光熔化金属3d打印技术相比较，激光辅助增材制造技术尤其适用于对大尺寸金属零件的制造及修复过程。但由于激光熔池的快速非平衡凝固特征导致增材金属的残余应力及变形大、柱状晶粒粗大、裂纹缺陷明显等问题，对增材金属力学性能的提高极为不利。
4.摩擦增材技术是在搅拌摩擦加工技术及设备的基础上开发而来，能够继承搅拌摩擦加工技术具有的固相加工残余应力低、细化晶粒等优势。因此，将激光辅助增材与摩擦增材过程相结合有望实现对大尺寸、复杂结构金属零件的制造，而且零件残余应力及变形小、晶粒细化、裂纹和气孔缺陷被抑制，但现有技术中，将激光辅助增材与摩擦增材过程相结合时，由于在摩擦增材过程中，金属会从摩擦面边缘挤出凝固而形成金属飞边，显著增大增材金属表面的粗糙度，不利于激光辅助增材过程中的熔池形成和送粉过程稳定连续地进行。


技术实现要素：

5.本实用新型解决的问题是现有摩擦增材过程中，金属会从摩擦面边缘挤出凝固而形成金属飞边，显著增大增材金属表面的粗糙度，不利于激光辅助增材过程中的熔池形成和送粉过程稳定连续地进行中的至少一个方面。
6.为解决上述问题，本实用新型提供一种激光和摩擦复合增减材加工装置，包括：架体、第一增减材组件和第二增减材组件，其中，
7.所述第一增减材组件包括激光头和送粉喷嘴，所述激光头的侧面设置有竖直方向的导轨，所述送粉喷嘴设置在所述激光头的末端，并适于将金属粉末送至增材激光源的激光焦点处；
8.所述架体包括支座和支架，所述支架垂直固定在所述支座上，所述支架与所述激光头平行设置，且所述支架的侧面设置有适于与所述导轨相配合的第一运动单元，所述第一运动单元与所述导轨滑动设置，以调整所述激光头相对所述支架沿竖直方向运动；
9.所述第二增减材组件包括驱动电机、铣削刀具、旋转摩擦头和旋转基座，所述旋转基座与所述支架转动连接，所述驱动电机用于与所述旋转摩擦头和所述铣削刀具相连接，所述旋转摩擦头和所述铣削刀具与所述激光头平行设置，且所述旋转摩擦头和所述铣削刀具分别设置于所述旋转基座高度方向的两端。
10.优选地，所述旋转基座包括基体和沿高度方向设置于所述基体两端的传动齿轮，所述基体与所述支架转动连接，所述传动齿轮用于与所述驱动电机驱动连接，且两个所述
传动齿轮分别用于连接所述旋转摩擦头或所述铣削刀具。
11.优选地，所述支架包括相对设置的两个连接端，且两个所述连接端之间适于所述旋转基座带动所述旋转摩擦头和所述铣削刀具旋转；所述旋转基座还包括连接轴杆，所述基体长度方向的两端设置与所述连接轴杆转动连接的轴承，所述基体的内部设置与所述连接轴杆相配合的通孔，所述连接轴杆适于贯穿所述轴承和所述通孔并连接于所述支架相对设置的两个连接端之间。
12.优选地，所述支架相对设置的两个连接端包括第一连接端和第二连接端，所述第二增减材组件还包括限位单元，所述限位单元包括与所述第一连接端转动连接的限位杆和设置于所述第二连接端上的限位凸起和限位凹孔，所述限位凹孔设置于两个所述限位凸起之间，且所述限位杆与所述基体配合后进入两个所述限位凸起之间并与所述限位凹孔相连接。
13.优选地，所述基体宽度方向的两端分别设有与所述限位杆配合的限位凹槽。
14.优选地，所述限位单元还包括第一固定件、第二固定件和分别与所述第一固定件和所述第二固定件相连接的连接转轴，所述第一固定件和所述第二固定件沿高度方向相对设置于所述第一连接端上，且所述连接转轴与所述限位杆转动连接。
15.优选地，所述限位杆远离所述连接转轴的端部向外延伸设置连接螺栓，所述连接螺栓与所述限位凹孔螺纹连接。
16.优选地，所述支架的侧面还设置有与所述第一运动单元相连接的调节钮，所述调节钮适于调整所述激光头相对所述支架沿竖直方向运动。
17.优选地，所述旋转摩擦头和所述铣削刀具的长度相等。
18.优选地，所述支架的侧面还设置有与所述第一运动单元相连接的调节钮，以适于调整所述激光头相对所述支架沿竖直方向运动。
19.与现有技术相比，本实用新型所述的激光和摩擦复合增减材加工装置，将激光辅助增材、摩擦增材、机械减材相结合，减小增材金属的残余应力及变形，细化晶粒组织，抑制裂纹缺陷，有效避免摩擦增材形成的金属飞边或变形对表面粗糙度和激光增材稳定性和成形的不利影响，极大地提高了制造效率、加工质量和精度，且该装置结构紧凑，体积小巧，节省了加工空间，降低了设备的制造成本；此外，该装置通过调节架体与激光头之间的竖直距离，从而调节激光焦点与旋转摩擦头或铣削刀具之间的竖直距离，从而满足激光焦点位置、摩擦下压深度、铣削减材深度的不同要求，易于实现对大型复杂结构零件或模具的现场加工或修复。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例中激光和摩擦复合增减材加工装置的主视示意图；
21.图2为本实用新型实施例中激光和摩擦复合增减材加工装置的仰视示意图；
22.图3为本实用新型实施例中激光和摩擦复合增减材加工装置释放限位杆并准备切换到铣削刀具进行减材的部分结构示意图；
23.图4为本实用新型实施例中激光和摩擦复合增减材加工装置切换到铣削刀具进行减材并锁紧限位杆的示意图；
24.图5为本实用新型实施例中旋转基座的结构示意图；
25.图6为本实用新型实施例中激光和摩擦辅助增材过程的局部示意图；
26.图7为本实用新型实施例中机械减材去除金属飞边的局部示意图。
27.附图标记说明：
[0028]1‑
架体；2
‑
第一增减材组件；3
‑
第二增减材组件；4
‑
机械手；
[0029]
11
‑
支座；12
‑
支架；21
‑
激光头；22
‑
送粉喷嘴；31
‑
驱动电机；32
‑
旋转摩擦头；33
‑
铣削刀具；34
‑
旋转基座；
[0030]
121
‑
调节钮；122
‑
限位杆；123
‑
连接螺栓；124
‑
限位凸起；125
‑
限位凹孔；126
‑
连接转轴；311
‑
步进电机；312
‑
传动箱；321
‑
摩擦工作端；322
‑
散热凸部；323
‑
散热凹部；341
‑
限位凹槽；342
‑
轴承；343
‑
传动齿轮；344
‑
安装面。
具体实施方式
[0031]
目前，激光增减材复合制造平台设计中，主要采用两个或多个工业机器人分别与激光增材加工装置和机械减材加工装置配合，以完成激光增材和机械减材工序，能够充分发挥机器人柔性加工的特点，凭借其在自由度和可达性上的优势更适于对大型复杂结构金属零件的制造。然而，采用多个机器人将显著增加设备的制造成本，多个机器人协调配合也使路径规划和坐标系设置更加复杂；虽然也可以采用单机器人与龙门机床相配合以避免多机器人协调配合的难题，但是硕大的龙门机床将显著增加设备的占地面积，也无法实现现场作业。此外，现有的某些激光增减材复合制造平台设计中，需要采用额外的激光模块实现对零件表面的预热，但是额外的激光预热模块将增加设备的制造成本，各激光模块与减材切削模块的相对位置也无法调节。
[0032]
下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本实用新型的描述中，需要理解的是，附图中“x”的正向代表右方，“x”的反向代表左方，“y”的正向代表后方，“y”的反向代表前方，“z”的正向代表上方，“z”的反向代表下方，且术语“x”、“y”和“z”指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，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。
[0033]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]
在本技术实施例的描述中，术语“一些优选实施例中”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个优选实施例或优选示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0035]
结合图1
‑
4所示，本实用新型的实施例提供了一种激光和摩擦复合增减材加工装置，包括：架体1、第一增减材组件2和第二增减材组件3，其中，
[0036]
第一增减材组件2包括激光头21和送粉喷嘴22，激光头21的侧面设置有竖直方向的导轨，送粉喷嘴22设置在激光头21的末端，并适于将金属粉末送至增材激光源的激光焦
点处；
[0037]
架体1包括支座11和支架12，支架12垂直固定在支座11上，支架12 与激光头21平行设置，且支架12的侧面设置有适于与导轨相配合的第一运动单元，第一运动单元与导轨滑动设置，以调整激光头21相对支架12沿竖直方向运动，其中竖直方向为图中z的方向；
[0038]
第二增减材组件3包括驱动电机31、铣削刀具33、旋转摩擦头32和旋转基座34，旋转基座34与支架12转动连接，驱动电机31用于与旋转摩擦头 32和铣削刀具33相连接，旋转摩擦头32和铣削刀具33与激光头21平行设置，且旋转摩擦头32和铣削刀具33分别设置于旋转基座34高度方向的两端。需要说明的是，本实施例中旋转基座34高度方向为图中z的方向。
[0039]
本实施例的激光和摩擦复合增减材加工装置，将激光辅助增材、摩擦增材、机械减材相结合，减小增材金属的残余应力及变形，细化晶粒组织，抑制裂纹缺陷，有效避免摩擦增材形成的金属飞边或变形对表面粗糙度和激光增材稳定性和成形的不利影响，极大地提高了制造效率、加工质量和精度，且该装置结构紧凑，体积小巧，节省了加工空间，降低了设备的制造成本；此外，该装置通过调节架体1与激光头21之间的竖直距离，从而调节激光焦点与旋转摩擦头32或铣削刀具33之间的竖直距离，从而满足激光焦点位置、摩擦下压深度、铣削减材深度的不同要求，易于实现对大型复杂结构零件或模具的现场加工或修复。
[0040]
需要说明的是，本实施例对导轨以及第一运动单元的具体种类不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能实现第一运动单元和导轨滑动连接即可，例如：导轨为滑轨，第一运动单元可以为滑块，或者，导轨可以为齿形导轨，第一运动单元可以为齿轮。
[0041]
在本实施例中，支架12远离支座11的一侧还设置有适于与机械手4连接的连接座。由此，利用机械手4响应迅速，灵活度高的优势，快速对待加工工件进行激光增材、摩擦增材和机械减材制造，且该装置仅需与单个机械手4配合使用，就可以对待加工工件进行加工，进一步降低了设备的制造成本，也避免了多个工业机器手难以协调配合的问题。
[0042]
在本实施例中，为了便于调节激光头21相对支架12沿竖直方向运动，支架12的侧面还设置有与第一运动单元相连接的调节钮121，调节钮121适于调整激光头21相对支架12沿竖直方向运动，从而调整铣削深度、激光焦点o与待加工工件表面的距离以及旋转摩擦头32与零件表面的距离。
[0043]
结合图5所示，在一些优选的实施例中，旋转基座34包括基体和沿高度方向设置于基体两端的传动齿轮343，基体与支架12转动连接，传动齿轮343 用于与驱动电机31驱动连接，且两个传动齿轮343分别用于连接旋转摩擦头 32或铣削刀具33。
[0044]
需要说明的是，本实施例中对驱动电机31不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要驱动电机31能驱动旋转摩擦头32 或铣削刀具33即可。在一些优选实施例中，驱动电机31包括步进电机311 和传动箱312，其中，步进电机311与支架12平行并垂直设置在支座11上，以进一步减小激光和摩擦复合增减材加工装置的体积，节省加工空间，传动箱312的齿轮与旋转基座34的传动齿轮343相啮合，步进电机311驱动传动箱312内的齿轮转动，从而驱动旋转摩擦头32或铣削刀具33转动。
[0045]
在一些优选的实施例中，传动齿轮343上设置有安装面344，安装面344 用于与驱动旋转摩擦头32或铣削刀具33可拆卸连接，以便于在旋转摩擦头 32或铣削刀具33损坏时
更换旋转摩擦头32或铣削刀具33。
[0046]
本实施例中旋转摩擦头32和铣削刀具33的长度相等，由此，在不调节机械手4和调节钮121的情况下，能够保证切换后的铣削刀具33工作端面中心相对于激光焦点的竖直距离与旋转摩擦头32工作端面中心保持一致，仅需要在水平面内调节激光焦点和铣削刀具33工作端面中心对准飞边即可，无需调节激光焦点和铣削刀具33工作端面在竖直方向的距离，提高加工精度及效率。需要说明的是，本实施例中旋转摩擦头32和铣削刀具33的长度方向为图中z的方向。
[0047]
本是实施例中，支架12包括相对设置的两个连接端，且两个连接端之间适于旋转基座34带动旋转摩擦头32和铣削刀具33旋转；旋转基座34还包括连接轴杆，基体长度方向的两端设置与连接轴杆转动连接的轴承342，基体的内部设置与连接轴杆相配合的通孔，连接轴杆适于贯穿轴承342和通孔并连接于支架12相对设置的两个连接端之间。需要说明的是，基体长度方向为图中x的方向，且两个连接端沿图中x方向相对设置。
[0048]
本实施例中对于连接轴杆和通孔的形状不做限制，在一些优选的实施例中，连接轴杆和通孔的截面形状为圆形，结构简单。
[0049]
结合图3所示，在一些优选的实施例中，支架12相对设置的两个连接端包括第一连接端和第二连接端，且第一连接端相对第二连接端靠近激光头21 设置，第二增减材组件3还包括限位单元，限位单元包括与第一连接端转动连接的限位杆122和设置于第二连接端上的限位凸起124和限位凹孔125，限位凹孔125设置于两个限位凸起124之间，且限位杆122与基体配合后进入两个限位凸起124之间并与限位凹孔125相连接。
[0050]
在一些优选的实施例中，限位杆122远离连接转轴126的端部向外延伸设置连接螺栓123，连接螺栓123与限位凹孔125螺纹连接。
[0051]
由此，当限位杆122与基体配合并紧贴支架12表面时，能够避免限位杆 122上的连接螺栓123一侧受到旋转摩擦头或铣刀上扭矩作用而发生竖直平面内的扭曲变形，从而保证摩擦增材和机械减材的加工精度。
[0052]
在一些具体的实施例中，限位杆122转动连接于第一连接端的底部，相应地，限位凹孔125设置于第二连接端的底部，以使限位杆122沿图中x方向与基体配合连接，结构规整，外形美观。
[0053]
结合图5所示，在一些优选的实施例中，基体宽度方向的两端分别设有与限位杆122配合的限位凹槽341。本实施例中对于限位杆122和限位凹槽 341的形状不做限制，在一些具体的实施例中，限位杆122和限位凹槽341的截面形状为长方形，结构简单，加工容易。
[0054]
本实施例中，限位凹槽341与限位杆122的表面均经过精密加工，表面粗糙度均不超过10微米，限位凹槽341宽度比限位杆122宽度大5
‑
10微米，从而能够保证限位杆122顺利进入限位凹槽341内或撤出限位凹槽341。
[0055]
本实施例中限位单元还包括第一固定件、第二固定件和分别与第一固定件和第二固定件相连接的连接转轴126，第一固定件和第二固定件沿高度方向相对设置于第一连接端上，且连接转轴126与限位杆122转动连接。需要说明的是，图中高度方向为图中z的方向。
[0056]
本实施例中对于第一固定件和第二固定件的结构不做限制，在一些优选的实施例中，第一固定节和第二固定件的截面形状为长方形，结构简单。
[0057]
结合图6所示，在一些优选的实施例中，旋转摩擦头32包括摩擦工作端 321，散热
凹部323和散热凸部322，且散热凸部322和散热凹部323的数量相等，散热凸部322的宽度l1大于或等于散热凹部323的宽度l2，由此，散热效果好。
[0058]
下面示例性地对上述激光和摩擦辅助的增材装置在激光辅助增材加工中的应用进行说明，该应用包括如下步骤：
[0059]
步骤s1、设定待加工零件的加工参数；
[0060]
步骤s2、启动激光头21使激光焦点照射零件待增材区域形成熔池，并启动送粉喷嘴22使金属粉末均匀送至待加工零件待增材区域的熔池内，形成增材金属层；
[0061]
步骤s3、启动旋转摩擦头32对待加工零件上的增材金属层的表面进行摩擦处理；
[0062]
步骤s4、实时监测待加工零件上的增材金属飞边的尺寸，当增材金属飞边的尺寸超过表面粗糙度最大限制时，关闭旋转摩擦头32，并调整旋转基座 34，并将铣削刀具33和激光焦点对准增材金属飞边所在位置，具体包括：当增材金属飞边的尺寸超过表面粗糙度最大限制时，关闭旋转摩擦头32，旋转第二增减材组件3中的限位杆122上的连接螺栓123，限位杆122与第二增减材组件3中的限位凹孔125脱离，实现限位杆122的释放；将限位杆122转至远离旋转基座34的一侧，并调整旋转基座34，将铣削刀具33和激光焦点对准增材金属飞边所在位置，此时将限位杆122转至旋转基座34的限位凹槽 341中，并旋紧连接螺栓123，使得连接螺栓123进入限位凹孔125，实现限位杆122的锁紧；
[0063]
步骤s5、启动激光头21加热增材金属飞边并使增材金属飞边软化；
[0064]
步骤s6、启动铣削刀具33对已加热的增材金属飞边等变形区域进行铣削减材处理，直至增材金属表面粗糙度重新达到要求；
[0065]
步骤s7、重复步骤s2至步骤s6，或者重复步骤s1至步骤s6，直至得到预定的工件，对预定的工件进行精加工，得到工件。
[0066]
本实施例提将激光辅助增材、摩擦增材、机械减材相结合，减小增材金属的残余应力及变形，细化晶粒组织，抑制裂纹缺陷，有效避免摩擦增材形成的金属飞边或变形对表面粗糙度和激光增材稳定性和成形的不利影响，极大地提高了制造效率、加工质量和精度。
[0067]
为了更详细的阐述激光和摩擦辅助增减材加工过程的工艺特征，结合图6 对待加工零件的激光和摩擦辅助增减材工艺参数进行说明，其中：
[0068]
旋转摩擦头32的加工参数：旋转摩擦头32的转速v1和进给速度v2，旋转摩擦头32与零件表面的相对位置即摩擦下压深度h1；
[0069]
激光参数：激光束的进给速度等于旋转摩擦头32进给速度v2，激光束焦点o与零件表面的相对位置即离焦深度h2，激光束焦点o与旋转摩擦头32 中心线的水平距离l由支架12、激光头21和送粉喷嘴22的尺寸决定；
[0070]
送粉参数包括送粉速率和粉末粒径；
[0071]
为了更详细的阐述机械减材的工艺特征，结合图7对待加工零件飞边的机械减材工艺参数进行说明，其中：
[0072]
铣削刀具33的加工参数：铣削刀具33的转速v3和进给速度v4，铣削刀具33与零件表面的相对位置即铣削深度h3；
[0073]
激光参数：激光束的进给速度等于铣削刀具33的进给速度v4，激光束焦点o与零件表面的相对位置即离焦深度h4，激光束焦点o与铣削刀具33中心线的水平距离l保持不变。
[0074]
需要说明的是，本领域的技术人员可以根据待增材金属的硬度、激光和摩擦辅助
增材后的加工表面粗糙度、激光进给速度、旋转摩擦头32和铣削刀具33刚度等因素确定旋转摩擦头32转速v1和进给速度v2、铣削刀具33的转速v3和进给速度v4、摩擦下压深度h1和激光离焦深度h2、铣削深度h3和激光离焦深度h4，例如：激光和摩擦辅助增材过程工艺参数，旋转摩擦头 32转速v1可以为50
‑
1200rpm，摩擦头和激光头21进给速度v2可以为0.05
‑
25mm/s，激光功率可以为300
‑
2000w，送粉速率可以为1.8
‑
19g/min，粉末粒径可以为30
‑
150μm；机械减材过程工艺参数，铣刀转速v3可以为 150
‑
2500rpm，铣刀和激光头21进给速度v4可以为0.2
‑
30mm/s，激光功率可以为50
‑
600w。
[0075]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。