CN111168068A - 增减等材加工装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了增减等材加工装置和控制方法，装置包括：激光熔覆模块；激光锻造模块；减材加工模块；激光清洗模块；工作台运动模块；激光熔覆模块，用于对待加工工件进行激光熔覆；激光锻造模块，联动激光熔覆模块，根据温度传感器确定符合温度的熔覆材料的位置，激光振镜对熔覆材料进行激光锻造；减材加工模块，用于对待加工工件进行减材加工；激光清洗模块，用于对待加工工件进行激光清洗；多轴工作台用于移动主轴箱。方法适用于装置。本发明实施例通过将激光熔覆和激光锻造联动，能够在实现熔覆的情况下，通过锻造强化熔覆层；通过减材加工，解决变形、尺寸精度低的问题，提高表面加工的品质；通过激光清洗能降低污染对加工工件的影响。

Description

增减等材加工装置和控制方法

技术领域

本发明涉及先进制造领域，尤其是涉及增减等材加工装置和控制方法。

背景技术

增材制造是通过逐层叠加材料的方式实现三维零件成形的技术。相较于传统的车削、铣削等减材制造方式，增材制造具有节省原材料，减少加工工序，缩短加工周期以及极高的设计自由度等优势，但同时也面临着由于温度分布不均导致零件产生变形翘曲，尺寸精度低，表面光洁度差等弊端。

发明内容

本发明旨在至少缓解现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出增减等材加工装置，能够有效减少工件的内部缺陷，提高材料强度和工件表面质量。本发明还提出工艺规格管理系统。

第一方面，本发明的一个实施例提供了增减等材加工装置，包括：激光熔覆模块，包括激光熔覆喷头和送粉器；激光锻造模块，包括激光振镜和温度传感器；减材加工模块，包括加工刀具和切削液喷头；激光清洗模块，包括激光清洗头；工作台运动模块，包括主轴箱和多轴工作台；激光熔覆模块，用于对待加工工件进行激光熔覆；激光锻造模块，联动激光熔覆模块，根据温度传感器确定符合温度的熔覆材料的位置，激光振镜对熔覆材料进行激光锻造；减材加工模块，用于对完成最少一次熔覆的待加工工件进行减材加工；激光清洗模块，用于对完成了最少一次减材加工的待加工工件进行激光清洗；多轴工作台用于移动主轴箱。

本发明实施例的增减等材加工装置至少具有如下有益效果：通过将激光熔覆和激光锻造联动，能够在实现熔覆的情况下，通过锻造对熔覆层进行强化，以解决内部缺陷、变形、尺寸精度低的问题；通过减材加工，能够提高表面加工的品质；通过激光清洗能降低污染对加工工件的影响。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，激光熔覆模块，包括连续激光器。通过连续激光器，能够快速实现温度的升高，提高熔覆效率。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，激光锻造模块，包括短脉冲激光器，对应的激光参数包括：脉宽为10-20ns，能量密度大于5GW/cm2。通过短脉冲激光，可以有效的控制激光的输出，有利于实现锻造的精确控制。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，工作台运动模块，包括安置台，用于存放激光熔覆喷头、加工刀具和激光清洗头；还包括控制箱，用于控制多轴工作台和主轴箱；主轴箱通过更换激光熔覆喷头、加工刀具和激光清洗头以实现功能切换。通过安置台和主轴箱，能够实现功能的切换，降低装置的硬件成本。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，温度传感器为红外温度传感器。通过红外温度传感器，能够精确测量温度，有利于提高装置运行的精度。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，减材加工模块，还包括切削液循环过滤单元。通过切削液循环过滤单元，能降低装置运行的成本。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，多轴工作台设置有X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，安置台为旋转刀库。通过旋转刀库，可以实现不同功能的切换，提高作业效率。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，激光清洗模块，通过脉冲线激光进行激光清洗。

第二方面，本发明的一个实施例提供了增减等材加工装置控制方法，包括：根据预设的工艺参数对待加工工件进行熔覆成形；在熔覆成形的同时，确定符合温度的熔覆材料的位置，对熔覆材料进行激光锻造；在完成预设层数的激光熔覆之后，执行减材；执行激光清洗。

附图说明

图1是本发明实施例中增减等材加工装置的一具体实施例的连接框图；

图2是本发明实施例中增减等材加工装置控制方法的一具体实施例流程图；

图3是本发明实施例中增减等材加工复合设备的一具体实施例结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，示出了本发明实施例中增减等材加工装置，包括：

激光熔覆模块，包括激光熔覆喷头和送粉器；激光锻造模块，包括激光振镜和温度传感器；减材加工模块，包括加工刀具和切削液喷头；激光清洗模块，包括激光清洗头；工作台运动模块，包括主轴箱和多轴工作台；激光熔覆模块，用于对待加工工件进行激光熔覆；激光锻造模块，联动激光熔覆模块，根据温度传感器确定符合温度的熔覆材料的位置，激光振镜对熔覆材料进行激光锻造；减材加工模块，用于对完成最少一次熔覆的待加工工件进行减材加工；激光清洗模块，用于对完成了最少一次减材加工的待加工工件进行激光清洗；多轴工作台用于移动主轴箱。

本发明实施例的增减等材加工装置至少具有如下有益效果：将激光熔覆和激光锻造联动，能够在实现熔覆的情况下，通过锻造强化熔覆层；通过减材加工，解决变形、尺寸精度低的问题，提高表面加工的品质；通过激光清洗能降低污染对加工工件的影响。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，激光熔覆模块，包括连续激光器。激光熔覆喷头具有多个送粉口，可实现多种粉末的梯度成形。通过连续激光器，能够快速实现温度的升高，提高熔覆效率。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，激光锻造模块，包括短脉冲激光器，对应的激光参数包括：脉宽为10-20ns，能量密度大于5GW/cm2。通过短脉冲激光，可以有效的控制激光的输出，有利于实现锻造的精确控制；激光清洗对减材后的零件进行清洗，去除表面残留物，防止残留物在零件内部形成缺陷，影响零件的性能。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，工作台运动模块，包括安置台，用于存放激光熔覆喷头、加工刀具和激光清洗头；还包括控制箱，用于控制多轴工作台和主轴箱；主轴箱通过更换激光熔覆喷头、加工刀具和激光清洗头以实现功能切换。通过安置台和主轴箱，能够实现功能的切换，降低装置的硬件成本。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，温度传感器为红外温度传感器。通过红外温度传感器，能够精确测量温度，有利于提高装置运行的精度；红外温度传感器采集的数据经处理分析后，反馈至数控中心，可以据此对激光锻造的参数进行调整。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，减材加工模块，还包括切削液循环过滤单元。引入切削液，大大降低加工过程中的切削温度，提高刀具寿命与工件表面质量，通过切削液循环过滤单元，能降低装置运行的成本。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，多轴工作台设置有X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴。

根据本发明的另一些实施例的增减等材加工装置，安置台为旋转刀库。通过旋转刀库，可以实现不同功能的切换，提高作业效率。

参照图2，示出了本发明实施例中增减等材加工装置控制方法，包括：

S1、模型切片与路径规划；

S2、根据预设的工艺参数对待加工工件进行熔覆成形；

S3、在熔覆成形的同时，确定符合温度的熔覆材料的位置，对熔覆材料进行激光锻造；

S4、在完成预设层数的激光熔覆之后，执行减材；

S5、执行激光清洗；

S6、循环进行步骤S2-S5，直至完成加工。

其中，S1、具体包括：对零件(即待加工工件)三维模型进行切片处理，规划激光熔覆路径、激光锻造路径、减材加工路径以及激光清洗路径；初步设置加工参数，加工参数包括同轴送粉熔覆激光头的激光功率、光斑直径、送粉速率，锻造激光的激光功率、脉宽、光斑直径、脉冲频率，激光清洗的功率，以及其他机构的运动参数；路径规划为可视化，包括激光熔覆、激光锻造、减材加工以及激光清洗路径，可根据实时显示加工状态。

S2、具体包括：启动连续激光发生器，同时启动送粉器，按照预设路径和工艺参数对金属成形材料进行熔覆成形。

S3、具体包括：开始激光熔覆的同时，启动短脉冲激光发生器，根据红外温度传感器测量熔覆材料的温度，对温度区间内的熔覆材料进行激光锻造，熔覆与激光锻造同步进行；激光锻造采用的是短脉冲激光，脉宽为10-20ns，能量密度大于5GW/cm2，采用振镜进行扫描。

S4、具体包括：在获得预设层数的激光熔覆材料之后，启动减材加工系统，加工过程可以使用切削液进行冷却和润滑，切削液包括水基切削液、乳化液等，减材加工包括铣削、钻削、磨削等加工方式的一种或多种，可以在超声辅助条件(即使用声波来逐层熔融金属薄片)下的减材加工。

S5、具体包括：对加工零件(同工件和待加工工件)表面进行激光清洗，去除表面残留物；激光清洗采用线激光，可快速完成对工件的清洗。

S6、循环进行步骤S2-S5，直至完成加工。

参照图3，示出了本发明实施例中增减等材加工复合设备，包括激光熔覆装置、激光锻造装置、减材加工装置、激光清洗装置以及工作台运动机构。

工作台运动机构包括X轴2、Y轴21、Z轴3、A轴14、C轴15，工件11在C轴15之上；连续激光发生器12和短脉冲激光发生器13分别与熔覆喷头8和锻造激光振镜组4连接，锻造激光振镜组4位于主轴箱7右侧，锻造激光通过振镜跟随熔覆激光；送粉器8通过送粉管9将粉末送至熔覆喷头8，熔覆喷头8左侧为红外温度传感器10；熔覆喷头8、减材加工刀具16、激光清洗头18分别置于旋转刀库17；所有检测装置与旋转刀库下方的数据采集装置19连接，可与主轴5连接进行功能转换；检测信号通过数据采集装置19传输至数控加工中心1，经数据处理后反馈运动机构；清洗激光器20位于数据采集装置19下方；冷却液喷嘴6置于主轴箱左侧底部。

在激光熔覆过程中，通过红外温度传感器10测量熔覆层温度，对在温度窗口的材料进行激光锻造，并跟随熔覆激光，减少熔覆材料内部的缺陷，提高材料强度。

本复合设备中，复合设备内部为惰性气体环境；切削液可通过循环装置过滤后重复使用，每更换一道工序，主轴5会在旋转刀库17中与相应的功能器件连接。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.增减等材加工装置，其特征在于，包括：

激光熔覆模块，包括激光熔覆喷头和送粉器；

激光锻造模块，包括激光振镜和温度传感器；

减材加工模块，包括加工刀具和切削液喷头；

激光清洗模块，包括激光清洗头；

工作台运动模块，包括主轴箱和多轴工作台；

所述激光熔覆模块，用于对待加工工件进行激光熔覆；

所述激光锻造模块，联动所述激光熔覆模块，根据温度传感器确定符合温度的熔覆材料的位置，激光振镜对熔覆材料进行激光锻造；

所述减材加工模块，用于对完成最少一次熔覆的待加工工件进行减材加工；

所述激光清洗模块，用于对完成了最少一次减材加工的待加工工件进行激光清洗；

所述多轴工作台用于移动所述主轴箱。

2.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述激光熔覆模块，包括连续激光器。

3.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述激光锻造模块，包括短脉冲激光器，对应的激光参数包括：脉宽为10-20ns，能量密度大于5GW/cm2。

4.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述工作台运动模块，包括安置台，用于存放所述激光熔覆喷头、所述加工刀具和所述激光清洗头；

还包括控制箱，用于控制所述多轴工作台和所述主轴箱；

所述主轴箱通过更换所述激光熔覆喷头、所述加工刀具和所述激光清洗头以实现功能切换。

5.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述温度传感器为红外温度传感器。

6.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述减材加工模块，还包括切削液循环过滤单元。

7.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述多轴工作台设置有X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴。

8.根据权利要求1所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述激光清洗模块，通过脉冲线激光进行激光清洗。

9.根据权利要求4所述的增减等材加工装置，其特征在于，所述安置台为旋转刀库。

10.增减等材加工装置控制方法，其特征在于，包括：

根据预设的工艺参数对待加工工件进行熔覆成形；

在熔覆成形的同时，确定符合温度的熔覆材料的位置，对熔覆材料进行激光锻造；

在完成预设层数的激光熔覆之后，执行减材；

执行激光清洗。

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