CN106862568A - 基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法，用于解决现有增减材复合加工系统及方法实用性差的技术问题。技术方案是包括电子束增材成形部分、减材加工部分和上位机控制系统。电子束增材成形部分包括发射电子束的电子枪、电子枪偏转控制系统、盛放待加工金属丝的容器、喷头和金属丝送丝机构。减材加工部分包括机械臂，其末端执行器配备有快换装置、内冷式刀具和安装于机械臂的末端执行器，实施减材加工；与内冷式刀具相连的冷却单元，用于内冷式刀具的降温和温度控制。所述增材成形部分和减材加工部分等均放置于真空室内。本发明增减材复合加工，实用性好。

Description

基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，还涉及一种利用该装置进行增减材复合制造的方法。

背景技术

金属零件的电子束快速成形是近些年来发展起来的新型金属实体增材加工技术。其原理是通过对零件三维数字模型分层切片处理,获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径,以高能量密度的电子束作为热源,按照预定的加工路径,在真空室内熔化填充材料(金属丝材或预铺的粉末),逐层堆积,最终实现致密金属零件的近净制造。

电子束熔丝成形的原材料是金属丝材时,一般采用直接将金属丝材送入熔池或熔滴过渡,其中金属丝材直接送进制造过程由于存在干涉、粘丝、偏离熔池中心等问题，因此对金属丝材的角度、位置有很严格要求；熔滴过渡虽然成形速度快，但由于液态金属的飞溅造成成型精度和零件表面质量较差，难以制造精度较高的零件,目前仅用于零件毛坯的制造。

文献1“申请公布号是CN105574254A的中国发明专利”提供了一种增减材复合加工系统以及方法，该系统包括机器人、控制部、电弧增材设备、减材设备等。电弧增材制造过程中熔池体积较大，存在冷态原材料、电弧吹力、电源特性等扰动因素。

电子束熔丝增材制造设备工作时需要真空环境，考虑到设备自身的工作特点,其工作环境内不可避免地存在高温、强光、X射线、金属粉末污染、电磁场等干扰因素，因此对减材加工的装置有很高的要求。由于不能引入外来物质(冷却液)对电子束的工作环境产生影响，刀具要具有很好的耐高温性能，目前工业多采用具有无污染和冷却效果好等优势的内冷式刀具。

内冷式刀具，即在刀具内布置具有进出口的微小冷却液通道，切削时冷却液从入口进入刀具体内冷却刀具，然后通过出口回到冷却系统中，冷却液不直接排出，从而组成无污染的循环式冷却系统。还可通过测量冷却液在进、出口处的温度来预测接触面的平均温度，实现切削温度的在线监测，根据测量的切削温度可以反映刀具的切削状态，进而对切削过程进行控制。

发明内容

为了克服现有增减材复合加工系统及方法实用性差的不足，本发明提供一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法。装置包括电子束增材成形部分、减材加工部分和上位机控制系统。电子束增材成形部分包括发射电子束的电子枪、电子枪偏转控制系统、盛放待加工金属丝的容器、喷头和金属丝送丝机构。减材加工部分包括机械臂，其末端执行器配备有快换装置、内冷式刀具和安装于机械臂的末端执行器，实施减材加工；与内冷式刀具相连的冷却单元，用于内冷式刀具的降温和温度控制。所述增材成形部分和减材加工部分等均放置于真空室内。本发明增减材复合加工，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，其特点是：包括上位机控制系统1、机械臂2、内冷式刀具3、丝盘4、送丝机构5、容器6、喷头7、电子枪9、高压电源10、偏转控制系统11和运动平台12。所述的丝盘4、送丝机构5、容器6、喷头7、电子枪9、高压电源10、偏转控制系统11和运动平台12组成装置的增材加工部分，所述的机械臂2和内冷式刀具3组成装置的减材加工部分，减材加工部分和增材加工部分的容器6、喷头7和运动平台12位于真空工作室内。所述的运动平台12设置在装置的底座上，且能够在X、Y方向上运动并绕Z轴转动。真空工作室为电子束8提供压力是1×10^-3Pa的真空工作环境。偏转控制系统11根据上位机控制系统1的信号控制电子枪9发射电子束8进行偏转加热，使待加工金属丝熔化成液态，或通过加热喷射区域，使喷射区域达到微熔状态，使喷头7喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属实现冶金结合；容器6用于盛放待加工金属，喷头7与容器6连通，用于将熔化的金属喷射到运动平台12上的喷射区域。高压电源10为电子枪9提供工作所需的电压；送丝机构5将丝盘4上的金属丝输送到容器6内，液态金属从喷头7喷出。上位机控制系统1与装置的减材加工部分和增材加工部分电连接，用于对电子枪9、高压电源10和偏转控制系统11的控制；上位机控制系统1还根据待加工零件的分层切片厚度对送丝机构5的送丝速度和运动平台12的路径速度进行控制。上位机控制系统1还用于控制机械臂2的运动和内冷式刀具3的刀具切换。

所述容器6由耐高温的陶瓷材料制成。

一种利用上述装置进行增减材复合制造的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、建立零件实体几何模型，将零件实体几何模型导入计算机上的上位机中进行分层切片处理，规划工作台的运动路径和机械臂的运动路径，上位机控制系统对增材加工部分和减材加工部分进行控制，对需要控制的参数进行设置；

步骤二、在加工准备阶段，对真空工作室进行抽真空处理；送丝机构将丝材送入容器中，电子枪对容器进行预处理；

步骤三、利用偏转控制系统控制电子枪发射电子束偏转加热真空室内的容器，使容器内的金属丝熔化成液态且充满，并加热喷射区域，使所述区域达到微熔状态；

步骤四、控制系统控制工作台按照待加工零件切片规划的路径进行运动并控制喷头将液态的金属喷射至所述的喷射区域；喷头固定，静止不动，方向垂直向下；

步骤五、利用减材加工的机械臂按零件的形状切片规划的加工路径对零件进行加工处理，去除零件熔滴沉积多余的部分；运动平台绕Z轴转动，方便机械臂对零件进行加工；

步骤六、工作台在Z方向降低一层的厚度，再重复步骤三、步骤四、和步骤五的操作直至获得最终的三维实体零件。

本发明的有益效果是：本发明装置包括电子束增材成形部分、减材加工部分和上位机控制系统。电子束增材成形部分包括发射电子束的电子枪、电子枪偏转控制系统、盛放待加工金属丝的容器、喷头和金属丝送丝机构。减材加工部分包括机械臂，其末端执行器配备有快换装置、内冷式刀具和安装于机械臂的末端执行器，实施减材加工；与内冷式刀具相连的冷却单元，用于内冷式刀具的降温和温度控制。所述增材成形部分和减材加工部分等均放置于真空室内。本发明增减材复合加工，实用性好。

(1)在同一台机床上完成所有加工工序，避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，提高制造精度与生产效率，同时也节省了车间空间，降低制造成本。

(2)电子束熔丝增材制造装置降低了金属增材制造对材料的要求,精度不再和材料的物理尺度直接相关,主要取决于喷嘴的尺寸和形状,材料利用率可达到100％；真空环境中成型,无需任何保护气体,成型质量可靠。

(3)该加工设备可以进行增减材协同作业，在加工曲面、沟槽、孔道等结构上优势巨大，可以实现航空航天精密件的大规模加工，满足待加工件的尺寸精度和表面精度要求。

(4)减材加工采用内冷式刀具，无切削液切削，可以带走加工热量同时有效避免了切削液对加工环境的污染。

以下结合附图和实施例详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明基于电子束熔丝的增减材复合制造装置的示意图。

图中，1-上位机控制系统；2-机械臂；3-内冷式刀具；4-丝盘；5-送丝机构；6-容器；7-喷头；8-电子束；9-电子枪；10-高压电源；11-偏转控制系统；12-运动平台。

具体实施方式

装置实施例。

参照图1。本发明基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，包括工作在同一运动平台上的电子束增材成形部分、减材加工部分和上位机控制系统1。其中运动平台12设置在底座上，且可以在X、Y、Z方向上运动和绕Z轴转动。真空装置在准备阶段为电子束提供真空的工作环境(1×10^-3Pa)。电子束增材成形部分包括发射电子束8的电子枪9(60kV/8kW)；电子枪偏转控制系统11根据上位机控制系统1的信号控制电子枪发射电子束8进行偏转加热，使待加工金属丝熔化成液态，或通过加热喷射区域，使喷射区域达到微熔状态，使喷头7喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属实现冶金结合；金属丝的容器6，用来盛放待加工金属，其由耐高温的陶瓷材料制成；喷头7通过中间件(如导管)用于连接上述的容器6，将熔化的金属喷射到工作台上的喷射区域，喷头7的尺寸可以根据实际的需求进行设计；电子束增材部分还包括高压电源，送丝机构5(压丝滚轮和送丝滚轮及其的驱动电机)等。高压电源10为电子枪提供工作所需的稳定高电压；送丝机构5将丝盘4上的金属丝按照控制系统的要求输送到容器6内熔化，金属丝(D2.0mm)经过矫直轮后，穿设于压丝滚轮和送丝滚轮之间，并随着两个轮子的转动向容器6移动，从而实现传输。当容器中的金属丝材熔化成液体充满容器6时，容器6上部送入的金属丝材可起到挤压作用，使液态的金属受压从喷头7喷出。

电子束增材成型部分连接到上位机控制系统1，用于对电子枪9、高压电源、偏转控制系统11的控制，从而保障能量的输入功率和控制电子束8的输入形态；上位机控制系统1还根据待加工零件的分层切片厚度对送丝机构5送丝的速度和运动平台12的路径速度进行协调控制，确保获得的零件形状符合要求。例如加工薄壁结构，切片分层的厚度为15mm，运动平台12的移动速度为300mm/min，送丝机构5的送丝速度为900mm/min。

减材加工部分的机械臂2为目前主流的高精度机械臂，配备有隔离罩，能够快速灵活的实现空间运动，在机械臂2的末端带有最高转速为6000r/min的执行器，其上带有快换装置，能够实现对其他工作原件的切换与安装；减材设备中的内冷式刀具3，在刀具内布置具有进出口的微小冷却液通道，切削时冷却液从入口进入刀具体内冷却刀具，然后通过出口回到冷却系统中，冷却液不直接排出，从而组成无污染的循环式冷却系统，在冷却液的进出口配备有测温度的传感器原件，用于测量进出口冷却液的温度，上位机控制系统1对数据进行处理后进而预测切削出刀-屑接触面的平均温度，实现对温度的实时监控；冷却系统采用液氮为冷却介质；上位机控制系统1用来控制机械臂2的运动和末端快换装置的刀具切换；刀库中配备有常用内冷式刀具3；操作人员通过计算机界面对整个装置的增减材过程进行控制。

方法实施例。

一种利用装置实施例所述装置进行增减材复合制造的方法，具体包括如下步骤：

1)建立零件的实体几何模型，将零件模型导入计算机上的上位机中进行分层切片处理，规划工作台的运动路径和机械臂的运动路径，上位机控制系统将根据处理后的结果对增材成型部分和减材加工部分进行控制，对需要控制的参数进行设置；

2)在加工开始的准备阶段，对工作空间进行抽真空处理；送丝机构将丝材送入容器中，电子枪对容器进行预处理；

3)利用偏转控制系统控制电子枪发射电子束偏转加热真空室内的容器，使容器内的金属丝熔化成液态且充满，并加热喷射区域，使所述区域达到微熔状态；

4)控制系统控制工作台按照待加工零件切片规划的路径进行运动并控制喷头将液态的金属喷射至所述的喷射区域；喷头固定，静止不动，方向垂直向下；

5)利用减材加工的机械臂按零件的形状切片规划的加工路径对零件进行加工处理，去除零件熔滴沉积多余的部分，提高加工的精度；运动平台可以绕Z轴转动，方便机械臂对零件进行加工；

6)工作台在Z方向降低一层的厚度，再重复3)、4)和5)的操作直至获得最终的三维实体零件；

当待加工零件的结构简单，直接进行减材加工不会产生干涉现象时，也可在增材加工完成后，在对零件进行减材部分的加工，以提高零件的加工精度和效率和简化工艺工序。

Claims (3)

1.一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，其特征在于：包括上位机控制系统(1)、机械臂(2)、内冷式刀具(3)、丝盘(4)、送丝机构(5)、容器(6)、喷头(7)、电子枪(9)、高压电源(10)、偏转控制系统(11)和运动平台(12)；所述的丝盘(4)、送丝机构(5)、容器(6)、喷头(7)、电子枪(9)、高压电源(10)、偏转控制系统(11)和运动平台(12)组成装置的增材加工部分，所述的机械臂(2)和内冷式刀具(3)组成装置的减材加工部分，减材加工部分和增材加工部分的容器(6)、喷头(7)和运动平台(12)位于真空工作室内；所述的运动平台(12)设置在装置的底座上，且能够在X、Y方向上运动并绕Z轴转动；真空工作室为电子束(8)提供压力是1×10^-3Pa的真空工作环境；偏转控制系统(11)根据上位机控制系统(1)的信号控制电子枪(9)发射电子束(8)进行偏转加热，使待加工金属丝熔化成液态，或通过加热喷射区域，使喷射区域达到微熔状态，使喷头(7)喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属实现冶金结合；容器(6)用于盛放待加工金属，喷头(7)与容器(6)连通，用于将熔化的金属喷射到运动平台(12)上的喷射区域；高压电源(10)为电子枪(9)提供工作所需的电压；送丝机构(5)将丝盘(4)上的金属丝输送到容器(6)内，液态金属从喷头(7)喷出；上位机控制系统(1)与装置的减材加工部分和增材加工部分电连接，用于对电子枪(9)、高压电源(10)和偏转控制系统(11)的控制；上位机控制系统(1)还根据待加工零件的分层切片厚度对送丝机构(5)的送丝速度和运动平台(12)的路径速度进行控制；上位机控制系统(1)还用于控制机械臂(2)的运动和内冷式刀具(3)的刀具切换。

2.根据权利要求1所述的基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，其特征在于：所述容器(6)由耐高温的陶瓷材料制成。

3.一种利用权利要求1所述装置进行增减材复合制造的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立零件实体几何模型，将零件实体几何模型导入计算机上的上位机中进行分层切片处理，规划工作台的运动路径和机械臂的运动路径，上位机控制系统对增材加工部分和减材加工部分进行控制，对需要控制的参数进行设置；

步骤二、在加工准备阶段，对真空工作室进行抽真空处理；送丝机构将丝材送入容器中，电子枪对容器进行预处理；

步骤三、利用偏转控制系统控制电子枪发射电子束偏转加热真空室内的容器，使容器内的金属丝熔化成液态且充满，并加热喷射区域，使所述区域达到微熔状态；

步骤四、控制系统控制工作台按照待加工零件切片规划的路径进行运动并控制喷头将液态的金属喷射至所述的喷射区域；喷头固定，静止不动，方向垂直向下；

步骤五、利用减材加工的机械臂按零件的形状切片规划的加工路径对零件进行加工处理，去除零件熔滴沉积多余的部分；运动平台绕Z轴转动，方便机械臂对零件进行加工；

步骤六、工作台在Z方向降低一层的厚度，再重复步骤三、步骤四、和步骤五的操作直至获得最终的三维实体零件。