金属表面重熔方法及装置与流程

本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种金属表面重熔方法及装置。

背景技术：

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，其相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。例如，作为增材制造技术中的一种，金属直接沉积技术利用热源熔化金属粉末或金属丝材，同时，按照一定的路径对熔化的金属层层堆积以直接制造零件。然而，上述增材制造技术只能用于毛坯制造，即加工后的零件表面十分粗糙，并且难以达到直接使用状态，

针对上述增材制造技术存在的问题，现有的金属表面加工方法为增减材复合加工技术，即在金属直接沉积设备上增加一套机械铣削加工装置，以此可以实现表面光整。然而，由于该技术是对表面材料去除的加工技术，即成形的材料又被去除，因此，会造成较大的浪费，同时，由于铣削用的加工设备及工作过程较为复杂，从而导致加工成本高且加工效率低。

技术实现要素：

本发明针对现有的金属表面加工方法加工成本高，加工效率低，并且产生较多的浪费的技术问题，提出一种加工成本低，加工效率高，并且不产生材料的浪费的金属表面重熔方法。

本发明针对金属表面重熔方法提出一种成本低且易于操控的金属表面重熔装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属表面重熔方法，其特征在于，包括以下步骤：

路径规划阶段，通过CAD/CAM软件确定热源沿金属零件待加工面的行走路径，进而沿热源的行走路径选取多个待加工点，进而根据待加工点所在金属零件局部待加工面的曲率和位置确定待加工点的法线，进而设定热源中心轴线与待加工点法线夹角θ值不大于45°；

准备阶段，将经过增材制造的金属零件固定于工作台上，同时，将热源输出件安装于与工作台对应的加工单元上；

加工阶段，加工单元根据路径规划阶段的路径信息带动热源输出件运动，同时，依据待加工点的法线即时调整热源输出件与金属零件待加工点的相对位置，以使θ值不大于45°，

与此同时，启动热源输出件，热源输出件向金属零件待加工点发出热源，并利用热源对金属零件待加工点附近的金属进行熔化，

与此同时，移动热源输出件，实现整个金属零件待加工面的重熔处理。

作为优选，在路径规划阶段，设定热源中心轴线与该点法线夹角θ值为0°；在加工阶段，加工单元即时调整热源输出件与该金属零件待加工点的相对位置，以使θ值趋近于0°。

作为优选，在路径规划阶段，加工路径的宽度与实际熔化时路径宽度一致，并使所有路径的集合能够完全覆盖待加工面。

作为优选，热源为激光、电子束、等离子束或电弧其中之一种。

作为优选，在加工阶段中，还包括以下步骤：对热源输出件进行参数调整，以形成既能够熔化金属零件局部待加工面上凹凸起伏的金属，又能够使熔化的金属迅速凝固的浅熔池。

作为优选，在加工阶段中，参数调整包括调整热源输出功率，热源聚焦形态，以及热源输出件相对于金属零件待加工面运动速度的过程。

作为优选，在调整热源输出件与金属零件待加工点的相对位置时，调整金属零件待加工点的法线与重力方向重合。

一种金属表面重熔装置，包括可放置金属零件的工作台，以及可对金属零件工作面重熔的加工单元，工作台包括底部安装于地面的U形支撑架，安装于支撑架且可摆动的摆动件，以及安装于摆动件且可沿轴向自转的转盘，摆动件沿摆动轴线方向的两端与支撑架的两侧壁连接，转盘的转动中心与摆动件靠近支撑架顶部的一端连接。

作为优选，加工单元包括固定于工作台一旁的基座，安装于基座且可转动的转动臂，以及安装于转动臂且有三个转动自由度的热源输出件。

作为优选，加工单元为六自由度机械手，热源输出件设置于六自由度机械手的末端。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明金属表面重熔方法一方面通过采用对金属零件待加工面重熔的方式，取代了传统的铣削加工方式，从而无需复杂的加工设备及工作过程，进而减少了对金属零件待加工面的加工成本及加工时间；另一方面，通过调节从热源输出件中发出热源的中心线与待加工点法线夹角θ值不大于45°，从而在保证了热源可达性(即热源输送至指定待加工点的过程中无障碍遮挡的情况)的同时，保证了整个金属零件表面的质量。

2、本发明金属表面重熔方法通过调节金属零件待加工点的法线与重力方向重合，从而避免了对金属零件待加工面重熔时发生液态金属下淌的现象，进而有效地保证了金属零件的表面质量。

3、本发明在金属表面进行重熔，以此可以制备包裹零件表面的细晶粒强化层，进而提高了零件的机械性能。

4、本发明金属表面重熔装置通过设置支撑架、摆动件及转盘，使得工作台具备多个自由度方向的运动，从而使得金属零件的姿态符合金属零件待加工点的法线与重力方向重合的需求，以此避免了液态金属出现明显的下淌，进而提高了金属零件表面的质量。

附图说明

图1为本发明金属表面重熔方法的工作原理示意图；

图2为本发明金属表面重熔方法参照重力方向时的工作原理示意图；

图3为本发明金属表面重熔装置的整体结构示意图；

图4为本发明金属表面重熔装置应用六自由度机械手时的整体结构示意图；

图5为本发明金属表面重熔装置处理复杂金属零件时的工作状态示意图。

以上各图中：1、工作台；2、加工单元；3、金属零件；11、支撑架；12、摆动件；13、转盘；21、基座；22、转动臂；23、热源输出件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图3所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，图1为本发明金属表面重熔方法的工作原理示意图。如图1所示，一种金属表面重熔方法，包括以下步骤：

路径规划阶段，通过CAD/CAM软件确定热源沿金属零件3待加工面的行走路径，进而沿热源的行走路径选取多个待加工点，进而根据待加工点所在金属零件3局部待加工面的曲率和位置确定待加工点的法线，进而设定热源中心轴线与待加工点法线夹角θ值不大于45°；

准备阶段，将经过增材制造的金属零件3固定于工作台1上，同时，将热源输出件23安装于与工作台1对应的加工单元上，如图1所示的金属零件3由金属直接沉积技术制得，具体为，利用热源熔化金属粉末或金属丝材，同时，按照一定的路径对熔化的金属层层堆积以直接制造金属零件3；

加工阶段，加工单元根据路径规划阶段的路径信息带动热源输出件23运动，同时，依据待加工点的法线即时调整热源输出件23与金属零件3待加工点的相对位置，以使θ值不大于45°，需要说明的是，对金属零件3局部待加工面法线的确定是本领域技术人员通过惯用技术手段可实现的，例如，将金属零件3的三维图形转化为STL格式，同时，将金属零件3的各局部待加工面定义为三角形面片，进而可主动识别各三角形面片的法线，此外，本发明将θ值设置为不大于45°的作用在于，为了使得经热源重熔处理后的相邻金属零件3局部面的曲率相同或相近，进而得到表面光洁的金属零件3表面，

与此同时，启动热源输出件23，热源输出件23向金属零件3待加工点发出热源，并利用热源对金属零件3待加工点附近的金属进行熔化，需要说明的是，热源可以与增材制造的热源为同一热源，即应用同一热源输出件23，但用于金属表面重熔时需要将热源输出件23的参数调整为符合重熔工艺要求的参数，此外，热源还可以为仅用于金属表面重熔的独立的热源，

与此同时，移动热源输出件23，实现整个金属零件3待加工面的重熔处理。

本发明金属表面重熔方法一方面通过采用对金属零件3待加工面重熔的方式，取代了传统的铣削加工方式，从而无需复杂的加工设备及工作过程，进而减少了对金属零件3待加工面的加工成本及加工时间；另一方面，通过调节从热源输出件23中发出热源的中心线与待加工点法线夹角θ值不大于45°，从而在保证了热源可达性(即热源输送至指定待加工点的过程中无障碍遮挡的情况)的同时，保证了整个金属零件3表面的质量。

此外，本发明在金属零件3表面进行重熔，以此可以制备包裹金属零件3表面的细晶粒强化层，进而提高了金属零件3的机械性能。

优选的，在路径规划阶段，设定热源中心轴线与该点法线夹角θ值为0°，即从热源输出件23中发出热源的中心线与该金属零件3待加工点的法线重合，以此使得经重熔处理后的金属零件3局部面质量最好；在加工阶段，加工单元即时调整热源输出件23与该金属零件3待加工点的相对位置，以使θ值趋近于0°。

另外，在路径规划阶段中，加工路径的宽度与实际熔化时路径宽度一致，并使所有路径的集合能够完全覆盖待加工面。

优选的，热源为激光、电子束、等离子束或电弧其中之一种。

进一步，本发明金属表面重熔方法还包括以下步骤：在加工阶段中，对热源输出件23进行参数调整，以形成既能够熔化金属零件3局部待加工面上凹凸起伏的金属，又能够使熔化的金属迅速凝固的浅熔池。本发明通过对热源输出件23的参数调整可以有效避免熔化的金属在重力作用下发生明显的下淌，进而改善了金属零件3表面的质量。

针对上述参数调整的方式，具体为：在加工阶段中，参数调整包括调整热源输出功率，热源聚焦形态，以及热源输出件23相对于金属零件3待加工面运动速度的过程。

参见图2，图2为本发明金属表面重熔方法参照重力方向时的工作原理示意图。如图2所示，在调整热源输出件23与金属零件3待加工点的相对位置时，调整金属零件3待加工点的法线与重力方向重合。

本发明金属表面重熔方法通过调节金属零件3待加工点的法线与重力方向重合，从而避免了对金属零件3待加工面重熔时发生液态金属下淌的现象，进而有效地保证了金属零件3的表面质量。

需要说明的是，调整金属零件3待加工点的法线与重力方向重合，是本领域技术人员通过惯用技术手段可实现的，例如，可根据零件的CAD模型可以获得金属零件3待加工点水平和竖直断面轮廓的法线(法线的确定方法参见前述)，继而确定金属零件3待加工点水平和竖直断面轮廓的切线，继而调整工作台1的姿态以使得两条切线合成的平面与水平面重合，此时，该金属零件3待加工点的法线与重力方向重合。

另外，利用本发明金属表面重熔方法对结构复杂的金属零件3(如叶轮)进行表面重熔处理过程中，由于存在某些结构妨碍热源输出件23热源输送的情况，因此，会难以避免金属零件3待加工点的法线与重力方向不相重合的现象，此时，一方面需要调节工作台1的姿态以使得金属零件3待加工点的法线尽量靠近重力方向；另一方面，需要对热源输出件23进行参数调整，从而在金属零件3待加工点的法线与重力方向不一致的情况下，避免液态金属出现明显的下淌。

参见图3和图4，图3为本发明金属表面重熔装置的整体结构示意图，图4为本发明金属表面重熔装置应用六自由度机械手时的整体结构示意图。如图3和图4所示，本发明还提供一种金属表面重熔装置，包括可放置金属零件的工作台1，以及可对金属零件工作面重熔的加工单元2，工作台1包括底部(基于如图3所示的竖直方向)安装于地面的U形支撑架11，安装于支撑架11且可摆动的摆动件12，以及安装于摆动件12且可沿轴向自转的转盘13，摆动件12沿摆动轴线方向的两端与支撑架11的两侧壁连接，转盘13的转动中心与摆动件12靠近支撑架11顶部的一端(即如图3所示工作台1所处工作状态下的上端)连接。

本发明金属表面重熔装置通过设置支撑架11、摆动件12及转盘13，使得工作台1具备多个自由度方向的运动，从而使得金属零件3的姿态符合金属零件3待加工点的法线与重力方向接近或重合的需求，以此避免了液态金属出现明显的下淌，进而提高了金属零件3表面的质量。

进一步，摆动件12连接有可驱动摆动件12摆动的第一驱动单元，转盘13连接有可驱动转盘13转动的第二驱动单元，第一驱动单元和第二驱动单元均连接有可控制第一驱动单元和第二驱动单元动力输出参数(包括转矩和转动时间)的控制器。本发明金属表面重熔装置通过设置第一驱动单元、第二驱动单元和控制器的作用在于，使得工作台1能够自动调节姿态，以进一步满足满足金属零件待加工点的法线与重力方向接近(0°＜θ≤45°)或重合(θ＝0°)的需求。

优选的，第一驱动单元和第二驱动单元可以为伺服电机、步进电机或液压马达其中之一种，控制器可以为工控机。

进一步，工作台1上设置有可检测摆动件12摆动角度的第一传感器，以及可检测转盘13转动角度的第二传感器，第一传感器和第二传感器均与控制器连接。

另外，本发明金属表面重熔装置还可设置支撑架11为可绕竖直方向转动的结构，例如，可在支撑架11与地面之间设置转动关节，具体为：支撑架11包括固定于地面的固定部，以及可绕竖直方向转动的U形转动部，转动部安装于固定部的上方。本发明对支撑架11上述设置的作用在于，使得工作台1具备三个自由度方向的转动，从而能够以任意调节工作台1的姿态，进而能够使工作台1的姿态更好地满足金属零件待加工点的法线与重力方向接近或重合的需求。

基于上述实施方式，支撑架11可连接有可驱动支撑架11转动的第三驱动单元，第三驱动单元与控制器连接。

优选的，第三驱动单元可以为伺服电机、步进电机或液压马达其中之一种。

进一步，工作台1上设置有可检支撑架11转动角度的第三传感器，第三传感器与控制器连接。

针对上述加工单元2的结构，具体为：如图3所示，加工单元2包括固定于工作台1一旁的基座21，安装于基座21且可转动的转动臂22，以及安装于转动臂22且有三个转动自由度的热源输出件23。本发明金属表面重熔装置通过设置工作台1、转动臂22及热源输出件23，实现了以六个自由度运动方向对金属零件与热源输出件23间的相对位置和姿态的调节，从而，既能满足对金属零件待加工点的法线与重力方向接近或重合的需求，又能满足对从热源输出件23中发出热源的中心线与该金属零件待加工点的法线接近(0°＜θ≤45°)或重合(θ＝0°)的需求。

进一步，转动臂22连接有可驱动转动臂22转动的第四驱动单元，第四驱动单元与控制器连接。

优选的，第四驱动单元可以为伺服电机、步进电机或液压马达其中之一种。

另外，加工单元2上设置有可检测转动臂22转动角度的第四传感器，第四传感器与控制器连接。

另外，热源输出件23连接有可驱动热源输出件23运动的第五驱动单元，第五驱动单元与控制器连接，以控制第五驱动单元的动力输出参数。

优选的，第五驱动单元可以为三自由度旋转电机，具体结构可参见中国发明专利CN105108730A公开的一种三自由度旋转电机。

另外，加工单元2上设置有可检测热源输出件23转动角度的第五传感器，第五传感器与控制器连接。

另外，参见图4所示，加工单元2还可以为六自由度机械手，热源输出件23设置于六自由度机械手的末端。本发明金属表面重熔装置通过设置六自由度机械手可以使得工作台1姿态调整好(即使得金属零件的姿态符合金属零件待加工点的法线与重力方向接近或重合的需求)后，无需再次调整工作台1，并且仅通过加工单元2提供重熔金属表面所需的运动，即可实现从热源输出件23中发出热源的中心线与该金属零件待加工点的法线接近(0°＜θ≤45°)或重合(θ＝0°)的效果。

参见图5，图5为本发明金属表面重熔装置处理复杂金属零件时的工作状态示意图。为了更好地理解本发明金属表面重熔装置的技术方案，如图5所示，本发明金属表面重熔装置使用过程如下：

将经过金属直接沉积增材制造的金属零件3防止于工作台1的转盘13上；控制器控制第一驱动单元和第二驱动单元启动，并带动摆动件12和转盘13转动；过程中，第一传感器和第二传感器分别时时向控制器输出摆动件12和转盘13的运动角度；控制器通过分析摆动件12和转盘13的转动角度，控制摆动件12和转盘13运动，直到金属零件待加工点的法线与重力方向接近或重合为止；控制器控制第四驱动单元和第五驱动单元启动，并带动转动臂22和热源输出件23转动；过程中，第四传感器和第五传感器分别时时向控制器输出转动臂22和热源输出件23的转动角度；控制器根据转动臂22和热源输出件23的转动角度，确定并不断调整转动臂22和热源输出件23的姿态，直到使热源输出件23满足对从热源输出件23中发出热源的中心线与该金属零件待加工点的法线接近(0°＜θ≤45°)或重合(θ＝0°)的需求为止。

另外，利用本发明金属表面重熔装置对结构复杂的金属零件3进行表面重熔处理过程中，由于存在某些结构妨碍热源输出件23热源输送的情况，因此，会难以避免金属零件3待加工点的法线与重力方向不相重合的现象，例如，如图5所示的叶轮，其存在叶片间距小且在转盘13上的投影有重叠的特点，从而影响了热源输出件23将热源输送至叶片的局部待加工面上。此时，一方面需要调节工作台1的姿态以使得金属零件3待加工点的法线尽量靠近重力方向；另一方面，需要对热源输出件23进行参数调整，从而在金属零件3待加工点的法线与重力方向不一致的情况下，避免液态金属出现明显的下淌。