一種微束等離子3D打印與銑削復合加工設備與方法與流程

本發明涉及金屬零件增材制造技術領域，尤其涉及一種微束等離子3D打印與銑削復合加工設備與方法。

背景技術：

3D打印技術即增材制造技術，利用三維模型數據在成型設備上快速而精確地制造出任意復雜的零件，實現快速成型。其主要利用激光等能量將金屬或合金粉末逐層熔化，凝固堆積成一個冶金結合、組織致密的實體，從而獲得幾乎任意復雜形狀的金屬零件。

微束等離子3D打印設備主要由微束等離子發生器、供粉系統、機械傳動系統、控制系統等部分組成。其具體工藝流程如下：首先，對三維模型數據進行切片處理，將三維實體模型轉換成二維切片數據；其次，對二維切片數據進行掃描路徑規劃，得到二維切片數據的輪廓信息；再次，將切片數據輪廓信息導入計算機，從而驅動微束等離子槍的掃描路徑，進行掃描；最后，當一層輪廓掃描完成后，成型平臺相對下降一層切片層厚的高度，再進行下一層輪廓掃描。重復上述步驟，當所有切片數據都掃描完成后，即可成型三維模型數據相一致的金屬三維實體零件。

微束等離子3D打印具有以下特點和優勢：

1)與其他金屬3D打印方式一樣，其采用分層疊加成型的原理，成型零件幾乎不受幾何復雜度的影響，對任意復雜零件均可直接成型，且成型零件致密度高；

2)微束等離子3D打印采用機械導軌驅動進行熱源偏轉及掃描，可成型尺寸遠大于激光3D打印采用掃描振鏡驅動光路偏轉的方式，成型大型零件具有較大優勢；

3)相比以激光為能量輸出的3D打印設備，微束等離子設備成本較激光器成本低，操作維護方便。

微束等離子3D打印通過熔化金屬粉末后搭接凝固成實體，金屬材料熔化后由于毛細血管力的作用，會形成近似曲面的熔道，在一定的搭接率下，成型件表面會形成紋理，導致表面粗糙度較大。這樣成型件還需通過后續機加工才能達到使用標準，成型零件難以兼顧高精度與高效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種微束等離子3D打印與銑削復合加工設備與方法。本發明將兩者有機結合，克服了現有工藝成型零件難以兼顧高精度與高效率的缺陷。

本發明通過下述技術方案實現：

一種微束等離子3D打印與銑削復合加工設備，包括密封成型腔20，以及置于其內的等離子加工設備；所述密封成型腔20還設置有一銑削加工設備；

所述銑削加工設備包括銑削Y方向直線驅動機構17、銑削X方向直線驅動機構18、銑刀夾具14、銑削控制單元15、銑削Z方向直線驅動機構16；

所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌的一端安裝在銑削X方向直線驅動機構18上；所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌可沿著銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌軸向往復運動；所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌與銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌彼此垂直；

所述銑刀夾具14用于安裝銑刀11；所述銑刀夾具14通過銑削控制單元15安裝在銑削Z方向直線驅動機構16上。

所述銑削加工設備還設有一個用于放置銑刀的銑刀庫21，其包括銑刀架驅動電機10、用于放置銑刀11的銑刀架12、用于更換銑刀11時打開/關閉的銑刀庫換刀控制閥13；

所述銑刀架驅動電機10用于將銑刀11推送至銑刀夾具14的下方；換刀過程為手動或者自動。

所述等離子加工設備包括等離子槍X方向直線驅動機構19、等離子槍Y方向直線驅動機構7、等離子加工控制單元4、等離子槍6；所述等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌的一端安裝在等離子槍X方向直線驅動機構19上；所述等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌可沿著等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌軸向往復運動；所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌與等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌彼此垂直；

所述等離子槍6通過等離子加工控制單元4安裝在等離子槍Y方向直線驅動機構7上。

所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌以及銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌之間相互間隔、且相互平行安裝在一支撐基座22上；所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌位置在銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌位置的上方。

所述等離子槍6包括等離子發生控制器1、保護氣體及供粉裝置2、等離子槍水冷機3；

等離子發生控制器1和保護氣體及供粉裝置2將等離子體、金屬粉末及保護氣體輸送到等離子槍6中；

等離子3D打印過程中，等離子槍6在等離子加工控制單元4的控制下，實現等離子槍6的能量和粉末輸出、等離子槍X方向直線驅動機構19及等離子槍Y方向直線驅動機構7的掃描路徑。

所述銑刀夾具14的初始位置位于密封成型腔20的左側，即銑刀庫21的上方；

所述密封成型腔20的右側下方設有成型工作平臺9；所述等離子槍6的初始位置位于密封成型腔20的右側，即成型工作平臺9的上方。

所述控制單元15控制銑削Y方向直線驅動機構17和銑削X方向直線驅動機構18運動，使銑刀11在YX方向進行銑削作業。

所述微束等離子3D打印與銑削復合加工設備的運行方法，包括如下步驟：

步驟一：等離子3D打印作業完成后，等離子槍6退回右側初始位置；

步驟二：銑刀11安裝在銑刀夾具14上；銑刀夾具14攜帶銑刀11并在銑削控制單元15的控制下，在銑削Y方向直線驅動機構17和銑削X方向直線驅動機構18的驅動下，對成型工作平臺9上的零件8進行銑削，以切去零件輪廓余量和孔洞，并切去零件8的成型面凹凸不平的部分；完成銑削作業后，銑刀夾具14攜帶銑刀11在銑削控制單元15的控制下回到初始位置。

步驟三：重復步驟一和二，直至整個零件8加工完成。

步驟一所述等離子3D打印作業具體如下：等離子槍6在成型工作平臺9上進行零件的X-Y輪廓掃描，一層輪廓掃描結束后成型工作平臺9下降一個層厚的高度，等離子槍6進行零件下一層輪廓的掃描，如此循環若干層后，等離子加工控制單元4暫停工作，等離子槍6離開成型工作平臺9上方，退回右側初始位置。

若干層一般為2～5層或者2～10層。當然等離子3D打印作業的層數可以根據具體零件要求而定。

本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：

本發明采用等離子體作為熱源，比激光器作為熱源成本低得多，且采用數控導軌的驅動方式可使成型零件尺寸大大增加，可成型大型復雜零件。

本發明與現有的金屬3D打印設備相比，采用微束等離子與銑削復合加工的方式，不僅降低了成型件的表面粗糙度，提高了成型精度，而且可對零件內腔結構進行精確銑削加工，實現了增材制造與高精度加工相結合，大大提高了加工精度和效率。

本發明等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌以及銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌之間相互間隔、且相互平行安裝在一支撐基座(22)上；所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌位置在銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌位置的上方；這種結構布置簡便易行、節省空間的同時保證了銑削與等離子加工作業時的精度。

附圖說明

圖1為本發明微束等離子3D打印與銑削復合加工設備平面結構示意圖。

圖2為本發明微束等離子3D打印與銑削復合加工設備立體結構示意圖。

圖3為零件的微束等離子3D打印過程。

圖4為零件的銑削過程。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1至4所示。本發明公開了一種微束等離子3D打印與銑削復合加工設備，包括密封成型腔20，以及置于其內的等離子加工設備；所述密封成型腔20還設置有一銑削加工設備；

所述銑削加工設備包括銑削Y方向直線驅動機構17、銑削X方向直線驅動機構18、銑刀夾具14、銑削控制單元15、銑削Z方向直線驅動機構16；

所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌的一端安裝在銑削X方向直線驅動機構18上；所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌可沿著銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌軸向往復運動；所述銑削Y方向直線驅動機構17的直線導軌與銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌彼此垂直；

所述銑刀夾具14用于安裝銑刀11；所述銑刀夾具14通過銑削控制單元15安裝在銑削Z方向直線驅動機構16上。

所述銑削加工設備還設有一個用于放置銑刀的銑刀庫21，其包括銑刀架驅動電機10、用于放置銑刀11的銑刀架12、用于更換銑刀11時打開/關閉的銑刀庫換刀控制閥13；

所述銑刀架驅動電機10用于將銑刀11推送至銑刀夾具14的下方；換刀過程為手動或者自動。

所述等離子加工設備包括等離子槍X方向直線驅動機構19、等離子槍Y方向直線驅動機構7、等離子加工控制單元4、等離子槍6；所述等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌的一端安裝在等離子槍X方向直線驅動機構19上；所述等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌可沿著等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌軸向往復運動；所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌與等離子槍Y方向直線驅動機構7的直線導軌彼此垂直；

所述等離子槍6通過等離子加工控制單元4安裝在等離子槍Y方向直線驅動機構7上。

所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌以及銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌之間相互間隔、且相互平行安裝在一支撐基座22上；所述等離子槍X方向直線驅動機構19的直線導軌位置在銑削X方向直線驅動機構18的直線導軌位置的上方。

所述等離子槍6包括等離子發生控制器1、保護氣體及供粉裝置2、等離子槍水冷機3；

等離子發生控制器1和保護氣體及供粉裝置2將等離子體、金屬粉末及保護氣體輸送到等離子槍6中；

等離子3D打印過程中，等離子槍6在等離子加工控制單元4的控制下，實現等離子槍6的能量和粉末輸出、等離子槍X方向直線驅動機構19及等離子槍Y方向直線驅動機構7的掃描路徑。

所述銑刀夾具14的初始位置位于密封成型腔20的左側，即銑刀庫21的上方；

所述密封成型腔20的右側下方設有成型工作平臺9；所述等離子槍6的初始位置位于密封成型腔20的右側，即成型工作平臺9的上方。

所述控制單元15控制銑削Y方向直線驅動機構17和銑削X方向直線驅動機構18運動，使銑刀11在YX方向進行銑削作業。

所述微束等離子3D打印與銑削復合加工設備的運行方法，包括如下步驟：

步驟一：等離子3D打印作業完成后，等離子槍6退回右側初始位置；

步驟二：銑刀11安裝在銑刀夾具14上；銑刀夾具14攜帶銑刀11并在銑削控制單元15的控制下，在銑削Y方向直線驅動機構17和銑削X方向直線驅動機構18的驅動下，對成型工作平臺9上的零件8進行銑削，以切去零件輪廓余量和孔洞，并切去零件8的成型面凹凸不平的部分；完成銑削作業后，銑刀夾具14攜帶銑刀11在銑削控制單元15的控制下回到初始位置。

步驟三：重復步驟一和二，直至整個零件8加工完成。

步驟一所述等離子3D打印作業具體如下：等離子槍6在成型工作平臺9上進行零件的X-Y輪廓掃描，一層輪廓掃描結束后成型工作平臺9下降一個層厚的高度，等離子槍6進行零件下一層輪廓的掃描，如此循環若干層后，等離子加工控制單元4暫停工作，等離子槍6離開成型工作平臺9上方，退回右側初始位置。

若干層一般為2～5層或者2～10層。當然等離子3D打印作業的層數可以根據具體零件要求而定。

如上所述，便可較好地實現本發明。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。