1.本發(fā)明涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于微振動輔助的金屬零件激光增材制造裝置與制造方法。


背景技術(shù)：

2.激光增材制造技術(shù)是以激光束作為熱源,通過熔化粉材或絲材實現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。該技術(shù)可以提高材料利用率,特別適合于精密、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金、高溫合金等貴重金屬材料零件的直接制造和修復(fù),在航空航天等領(lǐng)域近年來應(yīng)用廣泛。
3.當大面積和大體積的金屬零件經(jīng)激光增材制造后會產(chǎn)生變形開裂問題,其主要原因在于激光光束局部加熱,且金屬零件不同部位熱傳導(dǎo)和輻射條件不同,導(dǎo)致成形工件局部溫度累積與分布明顯不同,造成成形熔池與工件內(nèi)部溫度場分布不均勻,局部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力累積集中與組織偏析現(xiàn)象,直接影響工件的力學(xué)性能；甚至引起成形工件變形開裂,導(dǎo)致制件失敗。
4.為改變增材制造質(zhì)量，采用超聲振動、電磁等外場干預(yù)激光熔池凝固過程。將超聲振動引入熔池凝固過程，利用超聲振動攪拌作用可以均化熔池溫度分布、細化晶粒、減小殘余應(yīng)力來避免裂紋的生成，但因增材過程中熔池位置在動態(tài)改變，難于實現(xiàn)實時保持超聲振動耦合作用于熔池。電磁攪拌技術(shù)通過改變磁場電流強度可以促進熔池溶質(zhì)元素均勻分布，減小試件殘余應(yīng)力,但其內(nèi)部過強的磁場旋轉(zhuǎn)運動在金屬熔體中心區(qū)域會形成很深的液穴,易造成氣孔和夾雜等冶金缺陷。采用制件后續(xù)熱處理來消減殘余應(yīng)力,但無法通過熱處理手段來完全實現(xiàn)制件組織性能的均勻化。


技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的在于提供了一種基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)制作的工件沉積層組織分布不均一，工件變形開裂的技術(shù)問題。
6.為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置，包括工作臺、融化機構(gòu)和控制機構(gòu)，所述工作臺上設(shè)有懸臂夾具，所述懸臂夾具上固定有工件，所述工作臺上設(shè)有激振器，所述激振器的輸出端設(shè)有頂桿，且頂桿與工件相接觸；
7.所述融化機構(gòu)包括聚焦鏡和送粉噴嘴，所述聚焦鏡朝向送粉噴嘴，用于將激光折射至送粉噴嘴，所述送粉噴嘴朝向工件；
8.所述控制機構(gòu)包括信號控制儀和功率放大器，所述信號控制儀與功率放大器和激振器電信號連接。
9.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
10.1.激振裝置工作平穩(wěn)化
11.采用激振器裝置對基體施加振動,振源均勻穩(wěn)定,激振器工作時穩(wěn)定可靠,不會對系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生劇烈影響。
12.2.夾具柔性化
13.懸臂夾具夾持工件,所夾持工件的高度位置可以通過夾具頭高度位置的上下柔性調(diào)整直接與激振器頂桿接觸，使工件平穩(wěn)懸空固定。減少了零件、約束或支撐的碰撞以及振動過程中產(chǎn)生的噪聲。
14.3.參數(shù)控制自動化
15.外部采用信號控制儀和功率放大器進行檢測和調(diào)控,其內(nèi)部轉(zhuǎn)速控制模塊、時間控制模塊、顯示模塊和手動按鈕實時操控，方便快捷。
16.4.生產(chǎn)實用化
17.所述發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，滿足試驗安裝的空間要求，并能在工件內(nèi)部產(chǎn)生振幅可調(diào)的振動波，發(fā)揮出良好的振動效果，改善技術(shù)背景中提及的問題和缺陷。
附圖說明
18.圖1為本發(fā)明基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
19.圖2為本發(fā)明基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置的懸臂夾具示意圖。
20.圖3為本發(fā)明激振裝置的原理框圖。
21.1、聚焦鏡；2、送粉噴嘴；3、工件；4、頂桿；5、激振器；6、六角頭鉸制孔用螺栓；7、緩沖墊；8、懸臂夾具；9、工作臺；10、信號控制儀；11、功率放大器，12、固定塊；13、圓螺母；14、螺紋柱；15、第一法蘭螺母；16、第二法蘭螺母；17、夾具頭。
具體實施方式
22.下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
23.請參閱圖1-2，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置，包括工作臺9、融化機構(gòu)和控制機構(gòu)，所述工作臺9上設(shè)有懸臂夾具8，所述懸臂夾具8上固定有工件3，所述工作臺9上設(shè)有激振器5，所述激振器5的輸出端設(shè)有頂桿4，且頂桿4與工件3相接觸，用于將振動傳遞至工件3。
24.所述融化機構(gòu)包括聚焦鏡1和送粉噴嘴2，所述聚焦鏡1朝向送粉噴嘴2，用于將激光折射至送粉噴嘴2，所述送粉噴嘴2朝向工件3，這樣即可以激光束作為熱源,通過熔化粉材或絲材實現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。
25.所述控制機構(gòu)包括信號控制儀10和功率放大器11，所述信號控制儀10與功率放大器11和激振器5電信號連接。
26.所述懸臂夾具8包括固定塊12，所述固定塊12安裝在工作臺9上，所述固定塊12上通過圓螺母13安裝有螺紋柱14，所述螺紋柱14上設(shè)有第一法蘭螺母15、第二法蘭螺母16和夾具頭17，且第一法蘭螺母15和第二法蘭螺母16分設(shè)在夾具頭17的兩側(cè)，從而起到夾持固定夾具頭17的效果。再需要調(diào)整工件3高度時，只需要活動第一法蘭螺母15和第二法蘭螺母16即可。夾具頭17固定工件3，通過法蘭螺母的配合實現(xiàn)柔性調(diào)整。
27.所述工作臺9與激振器5間設(shè)有緩沖墊7，且工作臺9通過六角頭鉸制孔用螺栓6與
激振器5相固定。
28.激振器內(nèi)設(shè)有偏心距調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)激振器偏心距以調(diào)節(jié)振動振幅，激振器的轉(zhuǎn)速通過信號控制儀控制，信號控制儀包括激振器轉(zhuǎn)速控制模塊、時間控制模塊、顯示模塊和手動按鈕，如圖3所示。激振器轉(zhuǎn)速控制模塊用于控制激振器轉(zhuǎn)速升降速的加速度，從而調(diào)節(jié)振動頻率達到共振頻率的轉(zhuǎn)速。時間控制模塊用于控制激振器共振的時間。顯示模塊用于顯示激振器的振動曲線和功率放大器的參數(shù)。手動模塊用于啟停激振器和切換激振器轉(zhuǎn)速升降檔位。通過激振器對基體底部施加微振動，同時帶動工件本體進行微動，可以使頻率、振幅等參數(shù)依據(jù)具體情況進行調(diào)節(jié)，振動的同時不影響工件增材制造的定位精準度。調(diào)節(jié)激振器的偏心距以調(diào)節(jié)共振的振幅，改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，使熔池內(nèi)的金屬溶液的流動速度得到提升，直接影響熔池凝固過程。
29.本發(fā)明還提供一種基于微振動輔助金屬零件激光增材制造裝置的制造方法，具體實現(xiàn)步驟如下：
30.1)為了便于工件的固定，將工件采用懸臂夾具夾持，其夾具頭可根據(jù)加工位置需要進行上下移動，即所夾持工件的高度位置可以通過夾具頭高度位置的上下柔性調(diào)整直接與頂桿4接觸，使工件3平穩(wěn)懸空固定；可減少零件、約束或支撐之間的碰撞以及振動過程中產(chǎn)生的噪聲,使振動過程更為平穩(wěn)。
31.2)將激振器5通過緩沖墊7固定在工作臺9上，對工件3底部施加振動；基于效率最大化角度考慮，激振器5的激振點選擇在工件振幅明顯的部位(施加振動時振幅較大的部位為距離約束點最遠的位置)，即為所夾持工件的懸臂端，用于激發(fā)出結(jié)構(gòu)更大的振幅和動應(yīng)力。
32.3)為了實時檢測與調(diào)控振動系統(tǒng)，外部設(shè)有信號控制儀10，信號控制儀10根據(jù)工件質(zhì)量動態(tài)變化適時調(diào)整振動參數(shù)；采用式
①
調(diào)整激振器5的振動參數(shù),其中式
②
為亞共振頻率的范圍(亞共振頻率為共振時刻內(nèi)能開始大量釋放點的頻率,是共振區(qū)的開始點)；
[0033][0034][0035]
式中:k-工件剛度,m-工件質(zhì)量,f-振動頻率,(ω
1-ω0)＝δω1,
[0036]
δ為材料阻尼比,ω1為共振頻率
[0037]
通過轉(zhuǎn)速控制模塊控制激振器的轉(zhuǎn)速，促使激振器帶動工件達到共振頻率的轉(zhuǎn)速，并在工件中心區(qū)域產(chǎn)生近似均勻的振動波，將振動波引入到熔池內(nèi)；同時通過改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，影響熔池凝固過程，促進金屬溶液運動，可以促使金屬溶液中雜質(zhì)氣體的析出，減小金屬溶液的溫度梯度，有效的細化凝固組織，降低了工件內(nèi)部局部應(yīng)力集中，抑制工件變形開裂。
[0038]
工作原理：由于工件之間的形狀尺寸均有差異，因此先將工件3的待加工區(qū)域機械加工成規(guī)則化的矩形等形狀。將工件3采用夾具頭17夾持,懸臂夾具8可根據(jù)工件3的不同尺寸進行可靠穩(wěn)定的夾持。
[0039]
將激振器5安裝在工件3的下方,直接將激振器頂桿4向工件3的懸臂端(振幅較大處)施加振動,激振器5與工作臺9之間設(shè)有緩沖墊7,減小激振器5對工作臺9的沖擊。
[0040]
激振器5發(fā)出振源,加工裝置外部設(shè)有信號控制儀10，信號控制儀10可實時調(diào)控振動參數(shù)。通過控制模塊控制激振器5的轉(zhuǎn)速，使激振器5帶動工件3達到共振頻率的轉(zhuǎn)速，其參數(shù)顯示模塊可在功率放大器11中查看，并在工件中心區(qū)域產(chǎn)生近似均勻的振動波，將振動波引入到熔池內(nèi)。同時通過改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，影響熔池凝固過程，促進金屬溶液運動，可以促使金屬溶液中雜質(zhì)氣體的析出，減小金屬溶液的溫度梯度，有效的細化凝固組織，減小工件內(nèi)部局部應(yīng)力集中，抑制工件變形開裂。
[0041]
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。