CN108340161A - 一种面向金属丝熔融沉积成型与钻铣复合机床的3d打印喷头支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向金属丝熔融沉积成型与钻铣复合机床的3D打印喷头支撑装置，其主要结构为：(1)喷头架，其分为固定架和活动托架。固定架上部设有架头，主轴卸下钻/铣刀后，即运动到喷头装夹位装夹喷头固定架架头，架头的装夹方式与铣刀的装夹方式一致；(2)起弧头固定装置。整个固定架为带有架头的方框结构，方框内有两个反Γ形支撑分别用于固定起弧头的电缆和起弧头；(3)活动托架驱动装置，其采用气缸装置和液压装置驱动，液压装置的伸缩杆同时为活动托架提供机械定位功能；(4)固定架与托架之间采用五点固定，四个位于托架侧壁向上的金属支脚与磁铁固定点。磁铁装在固定架底部；(5)在机床中喷头支撑装置与传统钻铣刀架分别安装于YOZ面的两侧。

Description

一种面向金属丝熔融沉积成型与钻铣复合机床的3D打印喷头 支撑装置

技术领域

本发明属于金属3D打印的技术领域，特别是涉及3D打印与传统数控加工集成的金属件复合加工机床。

技术背景

目前的国内外的金属3D打印技术分为金属粉末烧结或者金属丝材熔融堆积两大类。金属粉末烧结技术通常可以分为激光直接熔化制造方法(LaserMeltingDeposition，LMD)和选择性激光熔化方法(SelectLaserMelting，SLM)。无论哪种方法，金属粉末烧结方法都存在金属粉末制备难度大，粉末利用率低的问题。金属丝熔融堆积可以分为电子束熔丝3D打印(Electron Beam Melting，EBM)和基于熔焊方法的 3D打印。金属丝熔融堆积技术克服了金属粉末烧结技术的缺陷，属于新兴的打印技术。由于特定工艺过程和喷头运动路径的影响，无论哪种金属丝熔融堆积技术通常很难产生完全符合图纸外形要求的工件，通过后续的铣削精加工过程通常难以避免。目前采用先打印后铣削的装置是在Z轴升降台上安装，第一旋臂梁悬挂铣刀盘，第二旋臂梁悬挂焊枪，这种装置策略目前常用的立式铣床结构差异较大，很多铣床难以改装成打印与铣削集成的复合机床。而且，两个X轴悬臂通常需要两套数控程序，使得数控程序变得复杂。另外有些单位和企业也试制过一些实验样机，但是由于组合方式欠佳，复合机床的成本较高，零件的制造加工效率偏低。

发明内容

针对金属3D打印技术的发展现状，和复合加工设备存在的问题，本发明面向集金属丝熔融沉积3D 打印与铣削钻孔功能于一体的复合机床提出了金属融焊喷头的支撑装置。本发明使得现有立式铣床易于改装成复合加工机床，降低装备成本。同时使得3D打印和钻削铣削在同一个装置内进行，减少时间和加工成本。虽然本发明装置基于金属丝熔融沉积成型而提出，但也适合其它熔融3D打印的喷头。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：(1)主轴安装孔以同样的安装钻铣刀和打印喷头；(2) 设置喷头架，喷头架可以将喷头送至换刀位置；(3)类似于传统钻铣床刀架，本喷头架在闲置位不占用主轴或工件运动空间。

基于上述技术方案，在复合机床中，钻铣刀架的形状、安装位置于运动方式与传统机床相同，喷头支撑装置与传统钻铣刀架分别安装于YOZ面的两侧。整个支撑装置分为固定架、活动托架、定位杆(2个)和驱动装置四个部分。活动托架有两个停靠位置：闲置位和换刀位。当活动托架处于换刀位，主轴将固定架从托架上取走或者放置。固定架的取放方式于钻/铣刀相同。

固定架的作用是固定弧焊头，即打印喷头，以便主轴可以象装夹铣刀一样装夹喷头装置。为此，固定架分为架头、架身和架脚。架头的大小、形状与铣刀柄完全一致，与架身固连，以便主轴安装孔以同样的安装钻铣刀和打印喷头。架身为方框金属结构，如图1所示。方框上部水平边和下部的水平边在远离托架固定端的位置分别钻有架头孔和弧头孔，供安装架头和融焊装置的起弧头使用。方框离托架较近的竖直侧上端钻有线缆孔，固定弧焊装置的线缆。

方框内安装有反Γ形大支撑，与金属方框固定连接，并与金属框左下角形成一个接近于矩形的框。该支撑的两个边呈120度角，上部边接近水平位置安装。在接近于竖直的边上有线缆孔，供焊接装置的线缆通过。架头底部在上部边的位置固定。

大支撑内部反Γ形小支撑，安装方位与大支撑平行。在接近于竖直的边上有线缆孔，供焊接装置的线缆通过。顶部供固定金属起弧头用。

大小支撑的上部边用金属柱连接，金属柱的轴与弧头孔和架头孔的轴重合。金属柱上固定有特设卡箍，用以固定弧焊装置送丝头的大端。金属方框下部边的侧面安装有金属卡箍，用以固定送丝头的小端。

由此可见，在架身中，架头由架头孔与反Γ形大支撑固定；起弧头由弧头孔和反Γ形大支撑固定，焊接装置的线缆由金属框、大小反Γ形支撑的线缆孔固定。弧焊装置送丝头由大小卡箍固定。

金属框下部安装有靠近托架固定端的位置钻有盲孔，孔内装有磁铁。磁铁表面和下框表面磨平。当固定架放置在托架上时，磁铁和托架相互吸引，起到稳定固定架的作用。架脚为安装在金属方框下部边侧面的四个金属块，金属块置于托架的卡槽内，确保固定块在托架上的稳定放置。

托架上安装有稳定固定架用的四个L形柱，L形柱形成托架的卡槽，是固定架架角的放置位置。与L 形支柱较远的一端设有两个垂直轴，远离L支柱的轴是旋转轴，离L支柱较近的轴是驱动轴。驱动轴由液压、气压双驱动装置驱动其绕旋转轴旋转。液压装置的轴垂直于水平面，与托架驱动轴固连，液压器轴的转动驱动托架的转动。气压装置的活塞杆与托架驱动轴固连，活塞运动推拉活塞杆运动，从而驱动托架转动。

托架的旋转采用定位杆进行定位。定位杆由套筒、拉杆和弹簧组成。当托架转动时，逐渐接近并挤压一个定位杆的伸缩杆，同时逐渐松弛、远离另一个定位杆。当伸缩杆不能再挤压，托架转动到指定位置。定位杆安装在两个水平臂上，两个水平臂呈120度角。水平臂与机床支架固连。定位杆与水平臂垂直安装。

与现有技术相比，本发明巧妙地将FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印技术与立铣加工技术组合在一起，可以方便地现有立铣铣床改装成3D打印-钻铣削复合机床，从而有效降低了设备的开发成本和零件生产成本。根据零件加工过程的不同，方便地通过控制面板执行“钻铣”/“打印”的动作，使得加工过程在“打印”与“钻/铣削”之间灵活进行切换，从而有效提高了加工效率和加工精度。

附图说明

为方便进行说明，本发明将使用以下附图作简要介绍。

图1为喷头支撑装置位于闲置位时复合机床侧视图一；

图2为喷头支撑装置位于闲置位时复合机床侧视图二；

图3为支撑装置侧视图一；

图4为支撑装置侧视图二；

图5为气动装置与托板连接装置的示意图。

其中，1为换刀库，2为活动托架，3为固定架，4为右定位装置，5为L形支柱，6为活动架架头，7 为上Γ形大支撑，8为左定位装置，9为金属送丝头，10为弧焊头，11为Z向进给系统，12为X向进给系统，13为Y向进给系统，14为液压装置，15为架角，16为Γ形小支撑，17为气压装置与活动托架联接装置，18为气压装置。

具体实施方式

接下来，将结合本发明实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显而易见，以下所描述的案例部分仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。

如图1～5所示，本发明公开了一种面向金属丝熔融沉积成型与钻铣复合机床的3D喷头支撑装置。如图1，图2所示，本发明的3D打印喷头支撑装置主要由活动托架2，固定架3，活动拖架驱动装置14和 17，定位装置5，8，支撑装置7、16，弧焊头10，金属送丝头9，组成。

该套装置固定在铣床复合机床的右侧，如图1所示，固定架3可以分为：架头6、架身3和架脚 15，架身3为方框金属结构，方框上部远离托架固定端的位置钻有架头孔，供安装架头6使用，方框下部与架头孔对称的位置钻有弧头孔，安装融焊装置的弧焊喷头10。方框离托架较近的竖直侧上端钻有线缆孔，固定弧焊装置的线缆，方框内安装有反Γ形大支撑7和反Γ小支撑16，与金属方框固定连接。两个边呈120 度角，上部边接近水平位置安装。在接近于竖直的边上有线缆孔，供焊接装置的线缆通过。架头6底部在上部边固定，液压装置14的轴垂直于水平面，与托架2驱动轴固连，液压器14轴的转动驱动固定托架2 的转动，气压装置18的活塞杆与托架驱动轴通过气压装置与活动托架联接装置17固连，活塞运动推拉活塞杆运动，从而驱动活动托架2转动，定位杆4与8安装在两个水平臂上，两个水平臂呈120度角。水平臂与机床支架固连。定位杆4与8由套筒、拉杆和弹簧组成。当托架2转动时，逐渐接近并挤压一个定位杆的伸缩杆，同时逐渐松弛、远离另一个定位杆。当伸缩杆不能再挤压，托架转动到指定位置。

活动托架2由L形定位装置5，驱动轴组成。活动托架2有两个位置：闲置位和换刀位。气压装置18 的活塞杆伸长，通过与气压装置与活动托架联接装置17推动活动托架2往换刀位运动，换刀位置的确定由液压装置14与两个定位杆4和8确定，当到达换刀位时，即到达右定位杆位置极限处，此时，可以用气压装置将固定架联接到进给系统Z轴上，进行加工。当活动托架处于换刀位，主轴将固定架3从托架上取走或者放置。固定架的取放方式与钻/铣刀相同。从换刀位到闲置位即为相反的过程。

打印喷头在不使用时，主轴不装夹固定架架头，固定架3置于活动拖架2上，活动拖架2置于闲置位，即紧靠机床右侧与Y轴平行的位置。需要使用打印喷头时，操作员按下控制面板上的相应按钮，气压装置 18和液压装置14同时打开，推动活动拖架2向换刀位运动。活动拖架2同时挤压其中的一个定位杆4，定位杆4收缩。当定位杆4被挤压到极限位置，活动拖架2不能被继续推动，即表示活动拖架2已经到达换刀位。于是主轴运动到该换刀位，装夹固定架架头6。然后主轴上升，取走打印喷头。操作员再通过控制面板打开液压装置14和气压装置18阀门，空活动拖架2向闲置位方向运动，同时挤压机床壁位置的定位杆8，活动拖架2返回闲置位。当喷头使用完毕，主轴运动到该换刀位上方，活动拖架2运动至换刀位，然后主轴将固定架3放置在活动拖架2上，活动拖架2带着固定架3回到闲置位。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.一种面向金属丝熔融沉积成型与钻铣复合机床的3D打印喷头支撑装置，包括：固定架、活动托架、定位杆(两个)、液压装置、气动装置。喷头支撑装置形成一个喷头架。在复合机床中，钻铣刀架的形状、安装位置于运动方式与传统机床相同，喷头支撑装置与传统钻铣刀架分别安装于YOZ面的两侧。

2.权利1要求的固定架特征包括：架头、架身和架脚。

(1)架身为方框金属结构；

(2)方框上部远离托架固定端的位置钻有架头孔，供安装架头使用，方框下部与架头孔对称的位置钻有弧头孔，安装融焊装置的起弧头。方框离托架较近的竖直侧上端钻有线缆孔，固定弧焊装置的线缆；

(3)方框内安装有反Γ形大支撑，与金属方框固定连接。两个边呈120度角，上部边接近水平位置安装。在接近于竖直的边上有线缆孔，供焊接装置的线缆通过。架头底部固定在金属方框的上部边；

(4)大支撑内部反Γ形小支撑，安装方位与大支撑平行。在接近于竖直的边上有线缆孔，供焊接装置的线缆通过。顶部供固定金属起弧头用；

(5)大小支撑的上部边用金属柱连接，金属柱的轴与弧头孔和架头孔的轴重合。金属柱上固定有特设卡箍，用以固定弧焊装置送丝头的大端。金属方框下部边的侧面安装有金属卡箍，用以固定送丝头的小端；

(6)架头的大小、形状与铣刀刀柄完全相同；

(7)架脚为安装在金属方框下部边侧面的四个金属块，金属块置于托架的卡槽内。

3.权利1要求的金属框下部安装有靠近托架固定端的位置钻有盲孔，孔内装有磁铁。磁铁表面和下框表面磨平。

4.权利1要求的托架，其特征在于：(1)安装有稳定固定架用的四个L形柱；(2)与L形支柱较远的一端设有两个垂直轴，远离L支柱的轴是旋转轴，离L支柱较近的轴是驱动轴。驱动轴由液压、气压双驱动装置驱动；(3)托架可以绕旋转轴旋转；(4)采用定位杆进行定位。

5.权利4所述液压装置的轴垂直于水平面，与托架驱动轴固连，液压器轴的转动驱动托架的转动。

6.权利4所述气压装置的活塞杆与托架驱动轴固连，活塞运动推拉活塞杆运动，从而驱动托架转动。

7.权利4所述定位杆安装在两个水平臂上，两个水平臂呈120度角。水平臂与机床支架固连。定位杆与水平臂垂直。

8.权利4所述定位杆的特征是套筒、拉杆和弹簧装置。当托架转动时，逐渐接近、并挤压一个定位杆的伸缩杆，同时逐渐松弛远离另一个定位杆。当伸缩杆不能再挤压，托架转动到指定位置。

9.权利1所述活动托架有两个位置：闲置位和换刀位。当活动托架处于换刀位，主轴将固定架从托架上取走或者放置。固定架的取放方式于钻/铣刀相同。