本實用新型屬于金屬增材制造技術領域，尤其涉及一種激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置。

背景技術：

激光選區(qū)熔化技術是一種基于粉末床的金屬增材制造技術。其工作原理是：計算機將零件的三維CAD模型進行分層切片處理，以形成二維加工路徑；在一個充滿惰性氣體的密封箱體中，放置有鋪粉裝置；每鋪放一層粉末，激光按照預先規(guī)劃的路徑掃描，熔化該層粉末，并與前一層金屬熔合在一起；如此層層堆積，直到制造出所需要的零件。上述加工方式不受零件外形的限制，可以加工極為復雜的零件，具有巨大的潛在用途。然而，由于分層加工的特點，零件表面會出現(xiàn)層與層之間的紋理、粘連粉末等現(xiàn)象，進而導致金屬表面粗糙度較高，并且難以達到機械加工的水平，因此，上述加工方式在很大程度上限制了其應用的進一步拓展。

為了解決金屬表面質(zhì)量和尺寸精度不高的技術問題，日本株式會社松浦機械制作所Matsuura制造推出了一款將激光選區(qū)熔化技術和銑削功能復合的設備。該設備是在普通激光選區(qū)熔化設備的基礎上，增加了三坐標的銑削裝置，以用于金屬經(jīng)激光掃描沉積完畢后，對金屬表面進行加工，同時，為了更加精確地加工不同的曲率的曲面，該設備還配備了可容納數(shù)十把銑刀的刀庫，以此在加工過程中，設備需要識別零件不同位置的外形特征并選擇合適的刀具。然而，上述設備由于采用三坐標銑削裝置與刀庫配合的加工方式，并且加工過程中需要經(jīng)常換刀，從而導致占用的空間較大，并且結(jié)構(gòu)及操作復雜

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型針對上述現(xiàn)有的金屬增材制造技術在對金屬增材制造及加工過程中，占用空間大，并且結(jié)構(gòu)及操作復雜的技術問題，提出一種占用空間小，并且結(jié)構(gòu)及操作簡單的激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置。

為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案為：

一種激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置，包括內(nèi)部設有腔室的工作艙，工作艙腔室內(nèi)設置有可釋放金屬粉末的送粉件，對應于送粉件釋放金屬粉末的一端設置有可承接金屬粉末的工作臺，工作臺包括可沿Z軸方向平移的升降平臺，升降平臺外沿Z軸方向密封套接有缸體，缸體的頂端為開口端，缸體的底端密封套接有可帶動升降平臺沿Z軸方向平移的第一驅(qū)動單元，工作臺還包括與缸體頂端外壁連接的固定平臺，固定平臺的外周固定于工作艙腔室內(nèi)壁，固定平臺設置有可將金屬粉末均勻分布于工作臺頂部的刮刀單元，刮刀單元包括設置于固定平臺頂部的直線導軌，以及可沿直線導軌做直線往復運動的刮刀，工作臺的上方設置有可熔化金屬粉末的激光發(fā)射單元；

工作艙腔室內(nèi)設置有可對工作臺上成形的金屬零件表面進行銑削加工的五自由度加工單元，五自由度加工單元包括具有沿X軸方向平移自由度的第一運動件，具有沿Y軸方向平移自由度的第二運動件，具有沿Z軸方向平移自由度的第三運動件，具有繞Y軸轉(zhuǎn)動自由度的第四運動件，具有繞Z軸轉(zhuǎn)動自由度的第五運動件，可沿五個自由度方向運動的刀具，以及可驅(qū)動五自由度加工單元五自由度運動的第二驅(qū)動單元。

作為優(yōu)選，第一運動件包括固定設置于工作艙內(nèi)壁的第一導軌，以及可沿第一導軌做直線往復運動的第一滑塊，第一導軌沿X軸方向設置；第二運動件包括固定設置于第一滑塊的第二導軌，以及可沿第二導軌做直線往復運動的第二滑塊，第二導軌沿Y軸方向設置；第三運動件包括固定設置于第二滑塊的第三導軌，以及可沿第三導軌做直線往復運動的第三滑塊，第三導軌沿Z軸方向設置。

作為優(yōu)選，第四運動件的一端與第三滑塊鉸接，第四運動件的另一端與第五運動件的一端鉸接，第五運動件的另一端與刀具連接。

作為優(yōu)選，第五運動件的一端與第三滑塊鉸接，第五運動件的另一端與第四運動件的一端鉸接，第四運動件的另一端與刀具連接。

作為優(yōu)選，激光發(fā)射單元設置于工作艙的頂部，激光發(fā)射單元包括可發(fā)射激光的激光發(fā)射件，可將激光反射至升降平臺頂部金屬粉末的二自由度激光反射件，以及可驅(qū)動二自由度激光反射件轉(zhuǎn)動的第三驅(qū)動單元。

作為優(yōu)選，第一驅(qū)動單元包括連接于升降平臺底部的第四滑塊，可帶動第四滑塊沿Z軸方向平移的絲杠，以及可驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動的第六驅(qū)動件，第四滑塊的頂部與升降平臺固定連接，第四滑塊的底部開設有與絲杠通過絲杠副連接的孔。

作為優(yōu)選，還包括可收集刮刀從升降平臺帶出金屬粉末的收集件，收集件設置于固定平臺靠近工作艙腔室內(nèi)壁的一端。

作為優(yōu)選，工作艙連接有控制柜，控制柜內(nèi)設置有控制單元，第一驅(qū)動單元、第二驅(qū)動單元及第三驅(qū)動單元均與控制單元連接。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點和積極效果在于：

本實用新型激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置在對金屬零件增材制造及加工時，通過設置激光發(fā)射單元及五自由度加工單元，實現(xiàn)了對金屬零件激光選區(qū)熔化及五軸聯(lián)動銑削的復合加工方式，其中，五自由度加工單元對金屬零件表面加工的過程只需要一種刀具，而無需頻繁換刀，更不需要刀庫，從而能夠降低操作的復雜程度，以及提高加工效率，同時，裝置占用空間小且結(jié)構(gòu)簡單，進而能夠獲得表面質(zhì)量及尺寸精度優(yōu)良的激光選區(qū)熔化成形零件。

附圖說明

圖1為本實用新型激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中A處的局部放大視圖；

圖3為刀具加工金屬零件表面時在XZ平面上的姿態(tài)示意圖；

圖4為刀具加工金屬零件表面時在XY平面上的姿態(tài)示意圖。

以上各圖中：1、工作艙；2、送粉件；3、刮刀單元；4、工作臺；5、升降平臺；6、收集件；7、缸體；8、第一驅(qū)動單元；9、控制柜；10、控制單元；11、固定平臺；12、五自由度加工單元；13、激光發(fā)射單元；14、第一運動件；15、第二運動件；16、第三運動件；17、第四運動件；18、第五運動件。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本實用新型進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實施方式中。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，空調(diào)室內(nèi)機的長度方向為安裝后的橫向；術語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖1所示的位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1和圖2所示，一種激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置，包括內(nèi)部設有腔室的工作艙1，工作艙腔室內(nèi)設置有可釋放金屬粉末的送粉件2，對應于送粉件2釋放金屬粉末的一端設置有可承接金屬粉末的工作臺4，工作臺4包括可沿Z軸方向(如圖1所示的豎直方向)平移的升降平臺5，升降平臺5外沿Z軸方向密封套接有缸體7，缸體7的頂端(如圖1所示的頂端)為開口端，缸體7的底端(如圖1所示的底端)密封套接有可帶動升降平臺5沿Z軸方向平移的第一驅(qū)動單元8，工作臺4還包括與缸體7頂端外壁連接的固定平臺11，固定平臺11的外周固定于工作艙腔室內(nèi)壁，固定平臺11設置有可將金屬粉末均勻分布于工作臺4頂部的刮刀單元3，刮刀單元3包括設置于固定平臺11頂部的直線導軌，以及可沿直線導軌做直線往復運動的刮刀，工作臺4的上方設置有可熔化金屬粉末的激光發(fā)射單元13；

進一步如圖2所示，工作艙腔室內(nèi)設置有可對工作臺4上成形的金屬零件(即成型的數(shù)層金屬毛坯結(jié)構(gòu))表面進行銑削加工的五自由度加工單元12，五自由度加工單元12包括具有沿X軸方向(如圖1所示的水平方向)平移自由度的第一運動件14，具有沿Y軸方向(如圖1所示的前后方向)平移自由度的第二運動件15，具有沿Z軸方向(如圖1所示的豎直方向)平移自由度的第三運動件16，具有繞Y軸轉(zhuǎn)動自由度的第四運動件17，具有繞Z軸轉(zhuǎn)動自由度的第五運動件18，可沿五個自由度方向運動的刀具，以及可驅(qū)動五自由度加工單元12五自由度運動的第二驅(qū)動單元，其中，五自由度加工單元12上述設置的作用在于提供刀具到達空間加工范圍內(nèi)任意位置的三個方向運動自由度，以及提供刀具在對金屬零件表面加工時做出任意姿態(tài)的兩個方向運動自由度。

需要說明的是，應用五自由度加工單元12對成型金屬表面進行銑削加工時，所需刀具的姿態(tài)可以為：如圖3和圖4所示，刀具可選擇刃面為球形或圓柱形的銑刀，通常要求刀具的軸線與加工點(例如如圖3和圖4所示的O點)切平面平行，同時，刀具軸線與Z軸正向(如圖3所示Z軸的箭頭指向)夾角最小。

基于上述可知，五自由度加工單元12可以實現(xiàn)在空間加工范圍內(nèi)，以任意角度和位置對金屬零件表面的加工，因此，本實用新型激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置在對金屬零件增材制造及加工時，通過設置激光發(fā)射單元13及五自由度加工單元12，實現(xiàn)了對金屬零件激光選區(qū)熔化及五軸聯(lián)動銑削的復合加工方式，其中，五自由度加工單元12對金屬零件表面加工的過程只需要一種刀具，而無需頻繁換刀，更不需要刀庫，從而能夠降低操作的復雜程度，以及提高加工效率，同時，裝置占用空間小且結(jié)構(gòu)簡單，進而能夠獲得表面質(zhì)量及尺寸精度優(yōu)良的激光選區(qū)熔化成形零件。

針對上述第一運動件14、第二運動件15及第三運動件16的結(jié)構(gòu)，可以為：如圖2所示，第一運動件14包括固定設置于工作艙1內(nèi)壁的第一導軌，以及可沿第一導軌做直線往復運動的第一滑塊，第一導軌沿X軸方向設置；第二運動件15包括固定設置于第一滑塊的第二導軌，以及可沿第二導軌做直線往復運動的第二滑塊，第二導軌沿Y軸方向設置；第三運動件16包括固定設置于第二滑塊的第三導軌，以及可沿第三導軌做直線往復運動的第三滑塊，第三導軌沿Z軸方向設置。本實用新型通過設置第一運動件14、第二運動件15及第三運動件16，保證了刀具在加工范圍內(nèi)能夠到達金屬零件表面的任意位置。

基于上述，進一步如圖2所示，第四運動件17及第五運動件18可以為：第四運動件17的一端與第三滑塊鉸接，第四運動件17的另一端與第五運動件18的一端鉸接，第五運動件18的另一端與刀具連接。本實用新型通過設置第四運動件17及第五運動件18，保證了刀具在加工范圍內(nèi)能夠以任意姿態(tài)對金屬零件表面進行加工。

另外，第四運動件17及第五運動件18還可以為：第五運動件18的一端與第三滑塊鉸接，第五運動件18的另一端與第四運動件17的一端鉸接，第四運動件17的另一端與刀具連接。

針對上述第二驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)，具體為：第二驅(qū)動單元包括可驅(qū)動第一滑塊沿X軸平移的第一驅(qū)動件，可驅(qū)動第二滑塊沿Y軸平移的第二驅(qū)動件，可驅(qū)動第三滑塊沿Z軸平移的第三驅(qū)動件，可驅(qū)動第四運動件17繞Y軸轉(zhuǎn)動的第四驅(qū)動件，以及可驅(qū)動第五運動件18繞Z軸轉(zhuǎn)動的第五驅(qū)動件。

針對上述激光發(fā)射單元13的結(jié)構(gòu)，可以為：如圖1所示，激光發(fā)射單元13設置于工作艙1的頂部，激光發(fā)射單元13包括可發(fā)射激光的激光發(fā)射件，可將激光反射至工作臺4頂部金屬粉末的二自由度激光反射件，以及可驅(qū)動二自由度激光反射件轉(zhuǎn)動的第三驅(qū)動單元。二自由度激光反射件的作用在于，使激光發(fā)射件發(fā)出的激光可加工作臺4頂部任意位置的金屬粉末；第三驅(qū)動單元的作用在于，提供二自由度激光反射件沿兩個自由度方向運動的動力。

針對上述第一驅(qū)動單元8的結(jié)構(gòu)，具體為：如圖1所示，第一驅(qū)動單元8包括連接于升降平臺5底部的第四滑塊，可帶動第四滑塊沿Z軸方向平移的絲杠，以及可驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動的第六驅(qū)動件，第四滑塊的頂部與升降平臺5固定連接，第四滑塊的底部開設有與絲杠通過絲杠副連接的孔。

優(yōu)選的，第六驅(qū)動件為伺服電機、步進電機或液壓馬達其中之一種。

進一步，本實用新型還包括可收集刮刀從工作臺4帶出金屬粉末的收集件6，收集件6設置于固定平臺11靠近工作艙腔室內(nèi)壁的一端。

另外，工作艙1連接有控制柜9，控制柜9內(nèi)設置有控制單元10，第一驅(qū)動單元8、第二驅(qū)動單元及第三驅(qū)動單元均與控制單元10連接。控制單元10用于控制激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置對金屬零件增材制造及加工的各項運動。

為了更好地理解本實用新型的技術方案，如圖1至圖4所示，本實用新型激光選區(qū)熔化與五軸銑削復合加工裝置的工作過程如下：

工作前，金屬零件的CAD模型經(jīng)數(shù)據(jù)處理后生成一系列二維的加工路徑數(shù)據(jù)，這些層片數(shù)據(jù)沿Z軸方向自下而上等距排列，進而根據(jù)粉末粒度和加工精度要求，選擇合適的層間距(通常在粉末越細、加工精度要求越高、激光功率較小時選擇層間距小一些，反之則大一些)。

激光選區(qū)熔化過程：在路徑數(shù)據(jù)驅(qū)動下，送粉件2釋放滿足在工作臺4頂部鋪放一層所需的金屬粉末，刮刀單元3工作，將金屬粉末均勻鋪放在工作臺4上；激光發(fā)射單元13發(fā)出的激光按照該層面路徑數(shù)據(jù)，掃描預先規(guī)劃好的區(qū)域，并將最上層金屬粉末熔化，以實現(xiàn)與前一層金屬粉末的結(jié)合；一層金屬粉末熔化完成后，升降平臺5下降一層高度，并準備對下一層金屬粉末進行熔化。

五自由度加工單元12加工過程：在完成一層或數(shù)層金屬粉末的熔化后，暫停鋪粉和激光掃描熔化；五自由度加工單元12對以上成形的數(shù)層結(jié)構(gòu)，沿著層面內(nèi)外輪廓進行銑削加工；刀具在沿金屬零件層面輪廓進行加工時，空間姿態(tài)(可以由成熟的CAD/CAM軟件自動解算)隨零件外形的改變而改變；以圖3和圖4為例，當需要加工復雜曲面零件外表面上O點時，通過該點的切平面在XZ截面上的投影為一條直線，此時，需要刀具軸線與該直線平行，同時，刀具軸線與Z軸正方的夾角θ最小。