一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置制造方法
【專利摘要】一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置,包括能夠帶動(dòng)渦輪組件轉(zhuǎn)動(dòng)的蝸桿立柱，蝸桿立柱內(nèi)部安裝有伸出蝸桿立柱下端的導(dǎo)柱，且導(dǎo)柱伸出蝸桿立柱下端的一端上還設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)成型的噴頭；所述的渦輪組件上安裝有能夠沿導(dǎo)柱軸向方向移動(dòng)的橫梁，橫梁上安裝有能夠沿導(dǎo)柱徑向方向運(yùn)動(dòng)的豎梁，豎梁的下端設(shè)有能自由轉(zhuǎn)動(dòng)并能將成型零件表面輪廓覆平的覆平滾輪。本發(fā)明在金屬熔液或熔滴沒(méi)有完全凝固的狀態(tài)下采用覆平滾輪結(jié)構(gòu)，將零件表面覆平避免金屬流淌造成表面不光滑和和成型質(zhì)量差等問(wèn)題，提高零件成型精度以及二次加工。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬三維增材制造領(lǐng)域，具體涉及一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的 裝直。 一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置 技術(shù)背景
[0002] 增材制造技術(shù)（又稱為"3D打印"）正在快速改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式，其核 心思想是將三維零件進(jìn)行二維離散，形成片層數(shù)據(jù)，按照零件的三維CAD模型的分層數(shù)據(jù)， 將離散態(tài)的成型材料被逐步結(jié)合在一起，形成一個(gè)個(gè)分層截面，繼而逐層堆積形成實(shí)體零 件，無(wú)需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，縮短研制周期。目前，相對(duì)成熟的金屬件 增材制造技術(shù)主要有激光快速成型，如選區(qū)激光烙融（Selective Laser Malting, SLM)、直 接金屬燒結(jié)（Direct Metal LasterSintering，DMLS)和激光凈近成型（Laser Engineering NetShaping，LENS);電子束快速成型，如電子束烙融（Electron Beam Melting, EBM)，和電子 束實(shí)體自由成型（Electron Beam Freeform Fabrication，EBF);等離子快速成型，如等離子 溶劑直接制造 （Plasma Powder Deposition Manufacturing, PPDM);電弧烙積快速成型，如 電弧直接制造技術(shù)（Arc Direct Rapid Prototyping Manufacturing，ADRPM)等。
[0003] 在增材制造技術(shù)中，零件的制造過(guò)程通過(guò)"層層疊加"的方式實(shí)現(xiàn)加工，先對(duì)STL 文件格式的三維模型進(jìn)行二維離散，然后再用二維離散數(shù)據(jù)堆積成三維實(shí)物。因此，在零件 的輪廓表面上會(huì)留下大量的呈樓梯狀臺(tái)階，導(dǎo)致實(shí)際的零件表面與期望的零件表面有較大 的區(qū)別，進(jìn)而影響零件的表面質(zhì)量。這種現(xiàn)象被稱之為臺(tái)階效應(yīng)，臺(tái)階效應(yīng)是由于增材制造 技術(shù)的固有成型原理帶來(lái)的，造成成型零件加工尺寸不準(zhǔn)確、成形零件表面粗糙無(wú)法滿足 使用要求、成型零件表面質(zhì)量差等問(wèn)題。目前，只能通過(guò)優(yōu)化零件的制作方向減少臺(tái)階效應(yīng) 來(lái)提高制件的表面質(zhì)量，或者通過(guò)后處理二次加工修形使零件表面光滑。工藝優(yōu)化只能部 分提高成型質(zhì)量，無(wú)法徹底解決問(wèn)題；后處理往往工藝復(fù)雜，二次加工后造成零件表面應(yīng)力 釋放，引起零件變形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，該裝置能夠提高 零件成型精度且在使用時(shí)工件定位方便。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：包括能夠帶動(dòng)渦輪組件轉(zhuǎn)動(dòng) 的蝸桿立柱，蝸桿立柱內(nèi)部安裝有伸出蝸桿立柱下端的導(dǎo)柱，且導(dǎo)柱伸出蝸桿立柱下端的 一端上還設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)成型的噴頭；所述的渦輪組件上安裝有能夠沿導(dǎo)柱軸向方向移動(dòng)的 橫梁，橫梁上安裝有能夠沿導(dǎo)柱徑向方向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)梁，堅(jiān)梁的下端設(shè)有能自由轉(zhuǎn)動(dòng)并能將 成型零件表面輪廓覆平的覆平滾輪。
[0006] 所述的噴頭為激光同軸送粉噴頭或能夠提供金屬熔熵的熔熵噴頭。
[0007] 所述的橫梁上設(shè)有能夠帶動(dòng)橫梁沿導(dǎo)柱徑向方向移動(dòng)的橫梁電機(jī)，堅(jiān)梁上設(shè)有能 夠帶動(dòng)堅(jiān)梁沿導(dǎo)柱軸向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)梁電機(jī)。
[0008] 所述的蝸桿立柱頂端安裝有能夠帶動(dòng)蝸桿立柱轉(zhuǎn)動(dòng)的立柱電機(jī)。
[0009] 所述的覆平滾輪采用陶瓷和石墨制成。
[0010] 所述的覆平滾輪采用極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式。
[0011] 所述的渦輪組件通過(guò)軸承安裝在渦桿立柱上。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0013] 本發(fā)明與增材成形設(shè)備配套使用，使用時(shí)不改變?cè)霾某尚卧O(shè)備原有成形方法原 理，而是在成形過(guò)程中對(duì)零件表面進(jìn)行處理，提高成形質(zhì)量，是對(duì)增材成形設(shè)備的一種補(bǔ) 充。而且，本發(fā)明裝置適用金屬增材成形所使用的的增材成形設(shè)備，因此，本發(fā)明具有通用 性。另外，本發(fā)明利用覆平滾輪在金屬熔液或熔滴沒(méi)有完全凝固的狀態(tài)下將零件表面覆平， 避免金屬流淌造成表面不光滑和和成型質(zhì)量差等問(wèn)題，簡(jiǎn)化了加工工藝，避免了二次加工 造成零件表面應(yīng)力釋放，引起零件變形，提高了零件成型精度。
[0014] 進(jìn)一步，本發(fā)明覆平滾輪采用極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式，因此，特別適合加工某些適合采用 極坐標(biāo)參數(shù)描述的曲線，阿基米德螺線、漸開(kāi)線，螺旋線等，其控制采用電機(jī)控制，因此，本 發(fā)明控制方法簡(jiǎn)單，加工精度相對(duì)高，避免了輪廓表面成型的臺(tái)階效應(yīng)，加工二次曲線，如 橢圓、拋物線、雙曲線等形式的零件時(shí)，具有工件定位方便，加工精度高等特點(diǎn)，可以有效的 提高零件的表面成型質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明采用熔熵噴頭的裝置結(jié)構(gòu)原理圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明采用激光同軸送粉噴頭的裝置結(jié)構(gòu)原理圖；
[0017] 其中：1、成型件，2-1、金屬熔滴，2-2、金屬粉末，3-1、熔滴噴頭，3-2、激光同軸送粉 噴頭，4、軸承，5、渦輪組件，6、蝸桿立柱，7、導(dǎo)柱，8、立柱電機(jī)，9、堅(jiān)梁電機(jī)，10、堅(jiān)梁，11、橫 梁，12、橫梁電機(jī)，13、覆平滾輪。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0019] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括蝸桿立柱6以及渦輪組件5,渦輪組件5通過(guò)軸承 4安裝在渦桿立柱6上，蝸桿立柱6內(nèi)部安裝有伸出蝸桿立柱6下端的導(dǎo)柱7,且導(dǎo)柱7伸 出蝸桿立柱6下端的一端上還設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)成型的噴頭；噴頭可以為提供金屬熔熵3-2的 熔熵噴頭3-1 (見(jiàn)圖1)，也可以為激光同軸送粉噴頭3-2 (見(jiàn)圖2)，蝸桿立柱6的頂端設(shè)有 能夠帶動(dòng)蝸桿立柱6轉(zhuǎn)動(dòng)的立柱電機(jī)8 ;蝸桿立柱6帶動(dòng)潤(rùn)輪組件5沿潤(rùn)輪立柱6轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn) 動(dòng)方向如Θ);
[0020] 渦輪組件6上安裝有能夠沿導(dǎo)柱軸向方向移動(dòng)的橫梁11，橫梁11的末端設(shè)有橫梁 電機(jī)12,橫梁電機(jī)12能夠帶動(dòng)橫梁11沿導(dǎo)柱軸向方向移動(dòng)（導(dǎo)柱軸向方向如Z)，橫梁11 的始端安裝在渦輪組件5上；橫梁11上安裝有能夠沿導(dǎo)柱徑向方向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)梁10,堅(jiān)梁10 上設(shè)有能夠帶動(dòng)堅(jiān)梁10沿導(dǎo)柱軸向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)梁電機(jī)9(導(dǎo)柱徑向方向如P )，堅(jiān)梁10的下 端設(shè)有能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)并能夠?qū)⒊尚土慵砻孑喞财降母财綕L輪13 ;且堅(jiān)梁10向橫梁的 末端移動(dòng)的同時(shí)，橫梁向蝸桿立柱5的頂部移動(dòng)，覆平滾輪13以極坐標(biāo)方式運(yùn)動(dòng)。覆平滾 輪13為高硬度，與金融熔液不浸潤(rùn)的材料，優(yōu)選陶瓷和石墨。
[0021] 參見(jiàn)圖1，采用金屬熔滴成型方式制造零件，傳統(tǒng)的制造方式由于臺(tái)階效應(yīng)和金屬 流淌，造成表面成型質(zhì)量差，成型后表面如圖1中的II所示。當(dāng)本發(fā)明的噴頭為熔熵噴頭 3-1時(shí)，本發(fā)明采用覆平滾輪13成型金屬零件，成型后表面如圖1中的I所示，制造成型零 件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，堅(jiān)梁10被堅(jiān)梁電機(jī)9帶到橫梁右端，即橫梁11的末端，橫梁11被橫梁電 機(jī)12帶到蝸桿立柱6的頂端，這樣覆平滾輪13遠(yuǎn)離成型零件和熔熵噴頭3-1 ;保證成型過(guò) 程中覆平滾輪13不會(huì)影響成型件1的制造。
[0022] 當(dāng)制造成型零件的表面輪廓時(shí)，覆平滾輪13處于a狀態(tài)，立柱電機(jī)8帶動(dòng)蝸輪組 件5轉(zhuǎn)動(dòng)（沿Θ方向），堅(jiān)梁1〇被堅(jiān)梁電機(jī)9帶到橫梁左端（沿著P方向），即橫梁11 的始端，橫梁11被橫梁電機(jī)12帶到蝸桿立柱6底端（沿Z方向），這樣能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的覆 平滾輪13與成型零件的表面接觸實(shí)現(xiàn)對(duì)成型件1表面的覆平，由于本發(fā)明的蝸輪組件5、橫 梁11以及堅(jiān)梁10的運(yùn)動(dòng)受到三個(gè)電機(jī)的控制，使覆平滾輪13對(duì)成型件1表面覆平時(shí)實(shí)現(xiàn) 了三維運(yùn)動(dòng)。覆平滾輪13靠近熔滴噴頭3-1和成型表面，通過(guò)覆平滾輪13轉(zhuǎn)動(dòng)，在熔滴還 沒(méi)有凝固前按照成型件1的理論輪廓控制成型質(zhì)量。整個(gè)過(guò)程中，熔滴噴頭3-1用于產(chǎn)生 金屬熔滴2-1，金屬熔滴2-1逐層堆積完成成型件1的制造。另外，覆平滾輪13的運(yùn)動(dòng)為 極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式，特別適合加工某些適合采用極坐標(biāo)參數(shù)描述的曲線，阿基米德螺線、漸開(kāi) 線，螺旋線等，其控制方法簡(jiǎn)單，加工精度相對(duì)高，避免了輪廓表面成型的臺(tái)階效應(yīng)。加工二 次曲線，如橢圓、拋物線、雙曲線等形式的零件時(shí)，具有工件定位方便，加工精度高等特點(diǎn)， 可以有效的提高零件的表面成型質(zhì)量。
[0023] 如圖2所示，采用激光粉末成型方式制造零件，其原理與采用金屬熔滴成型方式 相同。所不同的是采用激光同軸送粉噴頭3-2提供成型件1制造需要的金屬粉末2-2。采 用激光粉末成型方式與采用金屬熔滴成型方式制造零件的原理相同，工作過(guò)程也相同。
[0024] 成形過(guò)程中工藝參數(shù)，如掃描速度、溫度、層厚、激光功率、激光作用方式等，工藝 參數(shù)的控制是增材制造工藝本身的問(wèn)題，本發(fā)明的作用的在金屬熔液或熔滴沒(méi)有完全凝固 的狀態(tài)下，將零件表面覆平，提高零件成型精度；同時(shí)由于采用極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)具有回 轉(zhuǎn)輪廓等曲面的零件尤其適合，能有效減小臺(tái)階效應(yīng)，提高制件質(zhì)量。
[0025] 本發(fā)明必須與傳統(tǒng)的金屬增材成形方法配套使用，實(shí)現(xiàn)該金屬增材成形方法的裝 置結(jié)構(gòu)可以多樣，方法的核心是在成形過(guò)程中利用覆平滾輪13對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行處理，避免 了二次加工。
[0026] 本發(fā)明裝置能夠用于熔滴成型、激光粉末成型和電子束粉末金屬增材制造，在利 用金屬增材成型零件表面輪廓時(shí)，在金屬熔液或熔滴沒(méi)有完全凝固的狀態(tài)下，采用覆平滾 輪結(jié)構(gòu)，將零件表面覆平，避免金屬流淌造成表面不光滑和和成型質(zhì)量差等問(wèn)題，提高零件 成型精度。
【權(quán)利要求】
1. 一種控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：包括能夠帶動(dòng)渦輪組件轉(zhuǎn)動(dòng) 的蝸桿立柱￠)，蝸桿立柱（6)內(nèi)部安裝有伸出蝸桿立柱（6)下端的導(dǎo)柱（7)，且導(dǎo)柱（7)伸 出蝸桿立柱（6)下端的一端上還設(shè)有用于實(shí)現(xiàn)成型的噴頭；所述的渦輪組件（5)上安裝有 能夠沿導(dǎo)柱軸向方向移動(dòng)的橫梁（11)，橫梁（11)上安裝有能夠沿導(dǎo)柱徑向方向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān) 梁（10)，堅(jiān)梁（10)的下端設(shè)有能自由轉(zhuǎn)動(dòng)并能將成型零件表面輪廓覆平的覆平滾輪（13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述的噴 頭為激光同軸送粉噴頭（3-2)或能夠提供金屬熔熵（2-1)的熔熵噴頭（3-1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述 的橫梁（11)上設(shè)有能夠帶動(dòng)橫梁（11)沿導(dǎo)柱徑向方向移動(dòng)的橫梁電機(jī)（12)，堅(jiān)梁（10)上 設(shè)有能夠帶動(dòng)堅(jiān)梁（10)沿導(dǎo)柱軸向運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)梁電機(jī)（9)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述的蝸 桿立柱（6)頂端安裝有能夠帶動(dòng)蝸桿立柱（6)轉(zhuǎn)動(dòng)的立柱電機(jī)（8)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述的覆 平滾輪（13)米用陶瓷和石墨制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述的覆 平滾輪（13)采用極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制金屬增材成型表面質(zhì)量的裝置，其特征在于：所述的渦 輪組件（5)通過(guò)軸承（4)安裝在渦桿立柱（6)上。
【文檔編號(hào)】B22F3/115GK104043832SQ201410273921
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】杜軍, 魏正英, 陳禎, 趙光喜, 李素麗, 魏培 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)