本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光復(fù)合制造設(shè)備及復(fù)雜零件的加工方法。

背景技術(shù)：

在航天科技、軌道交通、汽車(chē)工業(yè)、精密模具等領(lǐng)域，對(duì)具有復(fù)雜曲面和腔體的高精度零部件的需求越來(lái)越高，單純的機(jī)械加工以及精密鑄造等傳統(tǒng)工藝已經(jīng)無(wú)法滿足這些零部件的結(jié)構(gòu)及精度要求，雖然3D打印技術(shù)能夠?qū)哂袕?fù)雜結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行打印成型，但是零件的尺寸精度和表面粗糙度也均滿足不了要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種激光復(fù)合制造設(shè)備及復(fù)雜零件的加工方法，不僅可以進(jìn)行激光3D打印，同時(shí)還可以進(jìn)行金屬切削加工。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種激光復(fù)合制造設(shè)備，包括機(jī)床以及安裝在所述機(jī)床上的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)、加工主軸、用于放置激光工具的擺臂機(jī)構(gòu)、裝有切削刀具的刀庫(kù)部件以及用于固定零件的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，所述加工主軸安裝在三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，所述數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)位于加工主軸的下方，所述擺臂機(jī)構(gòu)將激光工具送至指定位置，所述三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)加工主軸移動(dòng)到指定位置，抓取激光工具或刀具進(jìn)行零件打印或零件加工；其中，激光工具包括激光3D打印頭、激光切割頭以及激光焊接頭中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述刀庫(kù)和擺臂機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在所述加工主軸兩側(cè)，所述擺臂結(jié)構(gòu)安裝在所述機(jī)床上，所述激光工具卡設(shè)在擺臂結(jié)構(gòu)上；所述擺臂結(jié)構(gòu)包括固定座、轉(zhuǎn)軸、帶伸縮桿的氣缸以及擺臂，所述固定座安裝在所述機(jī)床上，所述擺臂的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝在固定座上，所述激光工具卡設(shè)在擺臂的另一端，所述氣缸安裝在固定座上，其伸縮桿與擺臂活動(dòng)連接，所述氣缸通過(guò)伸縮桿的伸縮推動(dòng)擺臂繞轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述擺臂結(jié)構(gòu)還包括定位組件，所述定位組件包括相互配合的凸塊和凹?jí)K，所述凸塊安裝在所述激光工具上，所述凹?jí)K安裝在所述擺臂上；或所述凸塊安裝在所述擺臂上，所述凹?jí)K安裝在所述激光工具上。

進(jìn)一步地，所述加工主軸包括用于安裝激光工具或刀具的旋轉(zhuǎn)主軸、主軸座和主軸電機(jī)，所述主軸座安裝在所述三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，所述旋轉(zhuǎn)主軸安裝在主軸座上，所述主軸電機(jī)安裝在主軸座上，并與旋轉(zhuǎn)主軸傳動(dòng)連接，所述主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述主軸座和所述機(jī)床采用高強(qiáng)度鑄鐵制成。

進(jìn)一步地，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)包括固定架、C軸電機(jī)、A軸轉(zhuǎn)軸、A軸電機(jī)以及工作臺(tái)，固定架安裝在機(jī)床上，A軸轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝在固定架上，所述C軸電機(jī)安裝在A軸轉(zhuǎn)軸上，所述C軸電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與A軸轉(zhuǎn)軸相互垂直，所述工作臺(tái)安裝在C軸電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，所述A軸電機(jī)與A軸轉(zhuǎn)軸連接，并驅(qū)動(dòng)A軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)、Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)以及Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在所述機(jī)床上，所述Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)上，所述Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)上，所述加工主軸安裝在Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)上，其中Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)的方向?yàn)榧庸ぶ鬏S的軸線方向；所述X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)包括底座、滑軌、滑動(dòng)板、伺服電機(jī)以及絲桿，所述底座安裝在所述機(jī)床上，所述滑軌安裝在底座上，所述滑動(dòng)板可滑動(dòng)的安裝在滑軌上，所述伺服電機(jī)和絲桿均安裝在底座上，所述滑動(dòng)板與絲桿螺紋連接，所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑動(dòng)板往返移動(dòng)，所述Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝在滑動(dòng)板上。

本發(fā)明還提供一種復(fù)雜零件的加工方法，用上述激光復(fù)合制造設(shè)備對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行加工，激光工具選用激光3D打印頭，包括以下步驟：

S1、對(duì)于高精度、復(fù)雜零件，根據(jù)零件大小選擇相對(duì)應(yīng)的打印基板，將打印基板安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上；

S2、首先將零件按序分成若干個(gè)部分，采取分段式加工；

S3、加工主軸抓取激光3D打印頭對(duì)于第一個(gè)部分進(jìn)行3D打??；

S4、打印完第一部分后，加工主軸卸下激光3D打印頭，去抓取刀具，再對(duì)第一部分進(jìn)行機(jī)械加工；

S5、達(dá)到要求后，再重復(fù)步驟S2和S3進(jìn)行零件下一部分的打印和機(jī)械加工，直到整個(gè)零件加工完成。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中還包括以下步驟：擺臂機(jī)構(gòu)先將激光3D打印頭運(yùn)送到指定位置，加工主軸運(yùn)動(dòng)到該位置抓取激光3D打印頭，加工主軸拖動(dòng)激光3D打印頭移動(dòng)到打印基板上。

進(jìn)一步地，所述步驟S3還具體包括以下步驟：激光3D打印頭上的熔覆模塊將粉末均勻連續(xù)分為四路射到打印基板上，在打印基板上匯聚到一點(diǎn)，該點(diǎn)為送粉焦點(diǎn)；

激光3D打印頭上的激光頭在打印基板上形成一個(gè)光斑，該光斑與送粉焦點(diǎn)完全重合，開(kāi)始燒結(jié)粉末；

然后加工主軸按照設(shè)定程序開(kāi)始移動(dòng)，同時(shí)拖動(dòng)激光3D打印頭移動(dòng)，在打印基板上逐漸形成所設(shè)計(jì)的零件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種激光復(fù)合制造設(shè)備，通過(guò)加工主軸抓取激光工具或刀具進(jìn)行零件打印或零件加工，同時(shí)通過(guò)三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)配合加工主軸加工出所需的曲面或平面。在一臺(tái)設(shè)備上不僅可以進(jìn)行激光3D打印、激光切割、激光焊接，同時(shí)還可以進(jìn)行金屬切削加工，使零件一次成型，大大提高了零件的加工制造效率。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1是本發(fā)明提供的激光復(fù)合制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中擺臂結(jié)構(gòu)的示意圖圖；

圖3是圖1中加工主軸的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，在圖1中建立X軸、Y軸、Z軸三維坐標(biāo)系，便于描述方向。本發(fā)明提供一種激光復(fù)合制造設(shè)備，包括機(jī)床100以及安裝在機(jī)床100上的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200、加工主軸300、用于放置激光工具的擺臂機(jī)構(gòu)400、裝有切削刀具的刀庫(kù)部件500以及用于固定零件的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600。加工主軸300安裝在三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200上，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600位于加工主軸300的下方，擺臂機(jī)構(gòu)將激光工具送至指定位置，所述三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200驅(qū)動(dòng)加工主軸300移動(dòng)到指定位置，抓取激光工具或刀具進(jìn)行零件打印或零件加工；其中激光工具包括激光3D打印頭410、激光切割頭以及激光焊接頭中的任意一種。這樣在一臺(tái)設(shè)備上不僅可以進(jìn)行激光3D打印、激光切割、激光焊接，同時(shí)還可以進(jìn)行金屬切削加工，使零件一次成型，大大提高了零件的加工制造效率。

在本實(shí)施例中，刀庫(kù)部件500和激光3D打印機(jī)構(gòu)400分別設(shè)置在加工主軸300兩側(cè)，擺臂結(jié)構(gòu)400安裝在機(jī)床100上，激光工具卡設(shè)在擺臂結(jié)構(gòu)400上，便于加工主軸300的抓取。

如圖2所示，擺臂結(jié)構(gòu)400包括固定座421、轉(zhuǎn)軸422、帶伸縮桿的氣缸423以及擺臂424，固定座421安裝在機(jī)床100上，擺臂424的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸422可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝在固定座421上，激光工具卡設(shè)在擺臂424的另一端，氣缸423安裝在固定座421上，其伸縮桿與擺臂424活動(dòng)連接，氣缸423通過(guò)伸縮桿的伸縮推動(dòng)擺臂424繞轉(zhuǎn)軸422擺動(dòng)。在加工主軸300抓取激光工具前，擺臂結(jié)構(gòu)400先將激光工具擺送到加工主軸300指定位置，然后三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200驅(qū)動(dòng)加工主軸300移動(dòng)到指定位置，抓取激光工具。通過(guò)擺臂結(jié)構(gòu)400既能方便加工主軸300抓取激光工具，又能有效避免激光工具妨礙加工主軸300移動(dòng)。

具體地，擺臂結(jié)構(gòu)400還包括定位組件，定位組件包括相互配合的凸塊425a和凹?jí)K425b。凸塊425a安裝在激光工具上，凹?jí)K425b安裝在擺臂424上；或凸塊425a安裝在擺臂424上，凹?jí)K425b安裝在激光工具上。在本實(shí)施例中，激光工具選擇激光3D打印頭410，凸塊425a安裝在激光3D打印頭410上，凹?jí)K425b安裝在擺臂424上。當(dāng)激光3D打印頭410使用完后，加工主軸300將其放回?cái)[臂424上，同時(shí)通過(guò)凸塊425a和凹?jí)K425b的相互配合將激光3D打印頭410定位在擺臂424上，方便下一次的使用。

進(jìn)一步地，激光3D打印頭410包括熔覆模塊411、激光頭412和便于加工主軸300抓取的連接部件413，熔覆模塊411安裝在激光頭412的底端，并同軸連接，連接部件413安裝在激光頭412的頂端。在打印過(guò)程中，先根據(jù)零件大小選擇相對(duì)應(yīng)的打印基板，放到數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600上定位,然后熔覆模塊411將材料粉末均勻連續(xù)分為四路射到打印基板上，在打印基板上匯聚到一點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)為送粉焦點(diǎn)，激光頭412上的準(zhǔn)直和變焦兩個(gè)模塊，使激光在打印基板上形成一個(gè)有一定直徑大小的光斑，這個(gè)光斑與送粉焦點(diǎn)完全重合，開(kāi)始燒結(jié)粉末，加工主軸300按照設(shè)定程序開(kāi)始移動(dòng)，同時(shí)拖動(dòng)整個(gè)激光3D打印頭410移動(dòng)，在打印基板上逐漸形成所設(shè)計(jì)的零件。在本實(shí)施例中連接部件413采用刀柄形式，方便與加工主軸300進(jìn)行連接。

如圖3所示，加工主軸300包括用于安裝激光工具或刀具的旋轉(zhuǎn)主軸310、主軸座320和主軸電機(jī)330，主軸座320安裝在三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200上，旋轉(zhuǎn)主軸310安裝在主軸座320上，主軸電機(jī)330安裝在主軸座320上，并與旋轉(zhuǎn)主軸310傳動(dòng)連接，主軸電機(jī)330驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸310轉(zhuǎn)動(dòng)。在本實(shí)施例中，加工主軸300還包括將壓力較低的壓縮空氣轉(zhuǎn)化為壓力較高的液壓油，來(lái)滿足所述旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行自動(dòng)換刀時(shí)所需要的油壓的增壓缸340，增壓缸340安裝主軸座320上，主軸座320采用高強(qiáng)度鑄鐵制成，具有很好的吸振性和穩(wěn)定性，從而保證旋轉(zhuǎn)主軸310在高速旋轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定性。機(jī)床100也采用高強(qiáng)度鑄鐵整體鑄造而成，整體重量很大，有很強(qiáng)的吸振能力，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，從而保證了機(jī)床整體的精度和穩(wěn)定性。

三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200包括X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210、Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)220以及Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)230，X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210安裝在機(jī)床100上，Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)220安裝在X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210上，Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)230安裝在Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)220上。加工主軸300安裝在Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)230上，其中Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)方向?yàn)榧庸ぶ鬏S300的軸線方向。

在本實(shí)施例中，X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210、Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)220以及Z軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)230的傳動(dòng)全都用絲桿加滑軌的形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)基本相同，以X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210為例進(jìn)行介紹。如圖4所示，X軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)210包括底座211、滑軌212、滑動(dòng)板213、伺服電機(jī)214以及絲桿215，底座211安裝在機(jī)床100上，滑軌212安裝在底座211上，滑動(dòng)板213可滑動(dòng)的安裝在滑軌212上，伺服電機(jī)214和絲桿215均安裝在底座211上，滑動(dòng)板213與絲桿215螺紋連接。伺服電機(jī)214驅(qū)動(dòng)絲桿215轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑動(dòng)板213往返移動(dòng)，Y軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)220安裝在滑動(dòng)板213上，并隨滑動(dòng)板213往返移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X方向的移動(dòng)。

進(jìn)一步地，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600包括固定架610、C軸電機(jī)620、A軸轉(zhuǎn)軸630、A軸電機(jī)640以及工作臺(tái)650，固定架610安裝在機(jī)床100上，A軸轉(zhuǎn)軸630可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝在固定架610上，C軸電機(jī)620安裝在A軸轉(zhuǎn)軸630上，C軸電機(jī)620的轉(zhuǎn)軸與A軸轉(zhuǎn)軸630相互垂直，工作臺(tái)650安裝在C軸電機(jī)620的轉(zhuǎn)軸上，A軸電機(jī)640與A軸轉(zhuǎn)軸630連接，并驅(qū)動(dòng)A軸轉(zhuǎn)軸630轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，A軸轉(zhuǎn)軸與X軸平行。在本實(shí)施例中，C軸電機(jī)620和A軸電機(jī)640為伺服電機(jī)，其中C軸電機(jī)620用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)650面進(jìn)行無(wú)限旋轉(zhuǎn)，A軸電機(jī)640用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)650面繞X軸在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)。工作臺(tái)650上有T型槽，可用于定位和夾緊工件。在加工過(guò)程中，可以通過(guò)程序讓C軸電機(jī)620驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)650進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，讓A軸電機(jī)640驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)650進(jìn)行擺動(dòng)，同時(shí)三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200驅(qū)動(dòng)激光工具沿X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行移動(dòng)，通過(guò)C軸電機(jī)620的主軸、A軸轉(zhuǎn)軸、X軸、Y軸、Z軸的五軸聯(lián)動(dòng)，可以把固定在工作平臺(tái)650上的零件加工出所需要的曲面或平面。

本發(fā)明的激光復(fù)合制造設(shè)備還包括電控系統(tǒng)、為激光工具提供激光的激光器、冷水機(jī)以及為加工主軸300提供冷卻的油冷機(jī)，電控系統(tǒng)分別與激光器、油冷機(jī)、冷水機(jī)、三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)200、加工主軸300、擺臂機(jī)構(gòu)400、刀庫(kù)部件500、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化控制。

本發(fā)明還提供一種復(fù)雜零件的加工方法，用上述激光復(fù)合制造設(shè)備對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行加工，激光工具選用激光3D打印頭410，包括以下步驟：

S1、對(duì)于高精度、復(fù)雜零件，根據(jù)零件大小選擇相對(duì)應(yīng)的打印基板，將打印基板安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)600上；

S2、將零件按序分成若干個(gè)部分，采取分段式加工；

S3、加工主軸300抓取激光3D打印頭410對(duì)于第一個(gè)部分進(jìn)行3D打??；

S4、打印完第一部分后，加工主軸300卸下激光3D打印頭410，抓取刀具，再對(duì)第一部分進(jìn)行機(jī)械加工；

S5、達(dá)到要求后，再重復(fù)步驟S2和S3進(jìn)行零件下一部分的打印和機(jī)械加工，直到整個(gè)零件加工完成。

進(jìn)一步地，步驟S3具體包括以下步驟：擺臂機(jī)構(gòu)400先將激光3D打印頭410運(yùn)送到指定位置，加工主軸300運(yùn)動(dòng)到該位置抓取激光3D打印頭410，加工主軸300拖動(dòng)激光3D打印頭410移動(dòng)到打印基板上。

進(jìn)一步地，步驟S3還具體包括以下步驟：激光3D打印頭410上的熔覆模塊411將粉末均勻連續(xù)分為四路射到打印基板上，在打印基板上匯聚到一點(diǎn)，該點(diǎn)為送粉焦點(diǎn)；激光3D打印頭410上的激光頭412在打印基板上形成一個(gè)光斑，該光斑與送粉焦點(diǎn)完全重合，開(kāi)始燒結(jié)粉末；然后加工主軸300按照設(shè)定程序開(kāi)始移動(dòng)，同時(shí)拖動(dòng)激光3D打印頭410移動(dòng)，在打印基板上逐漸形成所設(shè)計(jì)的零件。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以對(duì)上述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而所有這些修改和替換，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。