一種工件的成型與強化的復(fù)合加工裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及特種加工與制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種工件的成型與強化的復(fù)合加工裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，特種加工與制造技術(shù)領(lǐng)域特指利用激光、等離子弧、電子束和電弧等高能熱源對預(yù)加工工件進行增材成型的技術(shù)，也稱3D打印技術(shù)。
[0003]增材制造技術(shù)主要是通過利用高能量熱源，照射金屬粉末或者金屬絲材使其逐層熔化，熔化材料按照相應(yīng)的工件輪廓逐漸累加，以制造實體零件的技術(shù)。增材制造技術(shù)的優(yōu)點是可以不需要模具，制造形狀復(fù)雜的零件。增材制造技術(shù)可有效減少原材料的使用，對于提尚制造效率、降低制造成本具有積極的作用。
[0004]激光沖擊強化技術(shù)是利用激光輻照工件表面，使工件金屬材料表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量，并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，并產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體的一種技術(shù)。產(chǎn)生的等離子體受到約束層的約束，將形成高壓沖擊波并向材料內(nèi)部傳播。激光沖擊強化技術(shù)可以使材料表層發(fā)生塑性變形，材料微觀組織發(fā)生變化，并在較深的厚度上留下殘余應(yīng)力，從而提高金屬材料的抗疲勞和耐磨損等性能。
[0005]然而，現(xiàn)有技術(shù)中的增材制造技術(shù)還需要進一步地提高效率，且沒有將其與激光沖擊強化技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)記載。因此，需要一種包括增減材制造和激光沖擊強化的復(fù)合加工裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述部分或全部技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種工件的成型與強化的復(fù)合加工裝置，其工作過程由計算機控制系統(tǒng)控制。
[0007]加工裝置包括依次設(shè)置于其內(nèi)部的成型模塊、精加工模塊和服役壽命強化模塊。在成型模塊與精加工模塊之間，以及精加工模塊和服役壽命強化模塊之間均設(shè)有機械臂。
[0008]進一步地，成型模塊為采用高能熱源按照計算機模擬的工件輪廓進行增材成型的模塊。優(yōu)選地，高能熱源包括激光、等離子弧、電子束或電弧。
[0009]進一步地，精加工模塊為減材制造模塊，包括用于車削、銑削、刨、磨加工的刀具庫。
[0010]進一步地，服役壽命強化模塊為激光沖擊強化模塊。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種工件的成型與強化的復(fù)合加工方法，包括如下步驟:
[0012]首先，采用高能熱源增材成型工藝在成型模塊中對金屬材料加工，得到增材成型后的工件；其次，通過機械臂將增材成型后的工件送入精加工模塊進行減材加工，得到預(yù)定尺寸的目標工件；最后，通過機械臂將目標工件送入服役壽命強化模塊進行處理，提高目標工件的服役壽命。
[0013]進一步地，高能熱源增材成型工藝包括:激光增材制造工藝、等離子弧增材制造工藝、電子束增材制造工藝和電弧增材制造工藝。
[0014]進一步地，減材加工包括車削、銑削、刨、磨、銑車、車銑及車鏜鉆加工過程。
[0015]進一步地，服役壽命強化模塊的處理過程為采用激光照射目標工件表面以提高目標工件的服役壽命的過程。優(yōu)選地，激光為短脈沖、高峰值功率密度的激光。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:⑴將增減材制造與強化增壽技術(shù)結(jié)合在一起，提高了生產(chǎn)加工的效率，可由原材料直接制造出可用的零件或構(gòu)件。(2)可選擇使用的增材制造方法比較多，涵蓋范圍廣，可以制造小零件或者大型結(jié)構(gòu)件，有利于裝置和方法的推廣使用。(3)實現(xiàn)了加工一體化，避免了加工過程中的重復(fù)裝夾，并且，使零件或構(gòu)件的加工精度得以提高。
【附圖說明】
[0017]在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中:
[0018]圖1為本發(fā)明實施例的工件的成型與強化的復(fù)合加工裝置的示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實施例的等離子弧增材制造原理圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例的電子束增材制造原理圖；
[0021]圖4為本發(fā)明實施例的電弧增材制造原理圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實施例的激光沖擊強化原理圖；
[0023]圖6為本發(fā)明實施例的工件的成型與強化的復(fù)合加工方法的流程圖。
[0024]在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標記。附圖并未按照實際的比例。
【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]如圖1所示，一種工件的成型與強化的復(fù)合加工裝置1，在復(fù)合加工中心內(nèi)依次設(shè)有成型模塊、精加工模塊和工件服役壽命強化模塊。在成型模塊與精加工模塊之間，以及精加工模塊和服役壽命強化模塊之間均設(shè)有機械臂7。
[0027]在本發(fā)明的一個具體的實施例中，成型模塊為采用高能熱源按照計算機模擬的工件輪廓表面進行增材成型的模塊。如圖1所示，以激光增材制造模塊為例，成型模塊包括增材制造腔體2、以及位于增材制造腔體2上方的光纖激光器10。在增材制造腔體2的內(nèi)部放置有基板3，在基板3的上面可以放置預(yù)成型零件4。優(yōu)選地，激光增材制造模塊采用大功率激光器對金屬粉末進行照射，激光束的功率在3?1KW之間。金屬粉末的流量控制在10?30g/min范圍內(nèi)，在激光束的照射下金屬粉末熔化，并一層一層的堆積(單層厚度不超過0.8_)凝固成型形成所需要的零件。采用激光照射的成型方法是最常用的增材成型手段之一，通過采用合理的激光器，合適的激光掃描路徑、掃描速度和激光強度，對計算機模擬的切片輪廓進行激光掃描。激光熔化沉積腔體必須抽真空，可以選擇99.99%高純氬氣或氦氣等惰性氣體作為保護性氣氛。在計算機控制系統(tǒng)的控制下向工作臺的基板上送粉，激光器按照預(yù)先模擬的掃描程序?qū)饘俜圻M行掃描，將其熔化，形成與預(yù)定切片層厚度的熔覆層。完成一個熔覆層后將進行下一個切片層的熔覆堆積，以此往復(fù)，直到形成所設(shè)計的金屬零件形狀為止。
[0028]在成型模塊的下游設(shè)有精加工模塊，包括刀具庫5以及減材制造中心6。在精加工模塊的下游設(shè)有工件服役壽命強化模塊，包括強化處理中心8以及Nd:YAG激光器9。
[0029]在本發(fā)明的一個具體的實施例中，成型模塊(增材制造模塊)包括激光增材制造模塊、等離子弧增材制造模塊、電子束增材制造模塊、電弧增材制造模塊以及傳統(tǒng)的鑄造成型模塊中的一種或幾種。
[0030]在本發(fā)明的一個具體的實施例中，等離子弧增材制造模塊，如圖2所示，主要包括等離子弧發(fā)射器15，在等離子弧發(fā)射器15的正下方成型腔內(nèi)設(shè)有基板18及位于基板上的成型零件19。在成型腔的外圍設(shè)有送粉器16、惰性氣體瓶17以及水冷系統(tǒng)20。與等離子弧發(fā)射器15相并聯(lián)的有轉(zhuǎn)移弧電源11、非轉(zhuǎn)移弧電源12以及高頻引弧器14，在非轉(zhuǎn)移弧電源12以及高頻引弧器14之間串聯(lián)有扼流圈13。等離子弧增材制造模塊工作時，利用等離子弧發(fā)射器15發(fā)射出的高溫且電流密度大的等離子體，可以將送粉器16送至成型腔內(nèi)的金屬粉末熔化在成型