本發(fā)明涉及微束等離子弧(microplasmaarc)增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備與方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)?shù)入x子轉(zhuǎn)移弧電流在15a以下時，通常被稱為微束等離子弧。這種電弧功率很小，通常在1kw以下，是進(jìn)行精密焊接的理想熱源之一。其電弧直徑在1.5mm左右，而長度可達(dá)5mm以上。

微束等離子弧粉末熔覆快速成型工藝是一種焊接電弧的金屬直接成型工藝。它借鑒了快速成型方法中“離散、堆積”的思想,與激光快速成型方法的基本原理相似，微束等離子弧粉末熔覆快速成型是以小電流的等離子弧為熱源，通過熔絲或熔粉的方式在工件表面以擬定的路徑實現(xiàn)逐層材料的堆積。

微束等離子弧粉末熔覆快速成型設(shè)備主要由等離子槍、高空載電壓的直流電源、惰性氣體源(等離子氣和保護(hù)氣)等幾個部分組成。其工藝流程如下：首先在計算機(jī)中生成待成形工件的三維cad模型,然后將模型按照一定的厚度切片分層,即將零件的三維實體信息轉(zhuǎn)化為一系列二維輪廓信息,在計算機(jī)的控制下,用微束等離子弧粉末熔覆分層堆積的方法,按照二維輪廓信息逐層堆積,最終生成三維實體零件。

目前微束等離子弧多用于焊接領(lǐng)域，而用于增材制造不夠成熟。為實現(xiàn)利用微束等離子弧加工異型管道薄壁件等復(fù)雜形狀工件，因此需要提出一種新的方案：將微束等離子槍、多軸數(shù)控機(jī)床及立銑銑削裝置三個模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以實現(xiàn)增減材復(fù)合3d打印。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高的等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備與方法?？朔藗鹘y(tǒng)技術(shù)加工復(fù)雜形狀工件精度低、效率低等問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備，包括中央控制系統(tǒng)14、密封成型室25；

所述密封成型室25分為：ⅰ區(qū)、ⅱ區(qū)、ⅲ區(qū)；

ⅰ區(qū)用于放置微束等離子加工裝置；

ⅱ區(qū)用于放置五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺；

ⅲ區(qū)用于放置立銑銑削加工裝置；

所述中央控制系統(tǒng)14用于：控制微束等離子加工裝置的按照規(guī)劃路徑完成工件的加工作業(yè)；控制五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺根據(jù)規(guī)劃路徑實現(xiàn)工件在x、y、z軸方向的運(yùn)動作業(yè)；控制立銑銑削加工裝置對五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺上的工件26進(jìn)行銑削作業(yè)。

所述微束等離子加工裝置包括：

微束等離子槍21；

龍門式結(jié)構(gòu)的x軸導(dǎo)軌22；

梁式結(jié)構(gòu)的y軸導(dǎo)軌19；

懸臂式結(jié)構(gòu)的z軸導(dǎo)軌18；

所述y軸導(dǎo)軌19在z軸導(dǎo)軌18上上下運(yùn)動；

所述x軸導(dǎo)軌22在y軸導(dǎo)軌19上前后運(yùn)動；

所述微束等離子槍21安裝在x軸導(dǎo)軌22上，并可在x軸導(dǎo)軌22上左右運(yùn)動；在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)微束等離子槍21在x、y、z三軸移動。

所述五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺包括：

地軌式結(jié)構(gòu)的平臺x軸導(dǎo)軌1；

梁式結(jié)構(gòu)的平臺y軸導(dǎo)軌3；

懸臂式結(jié)構(gòu)的平臺z軸導(dǎo)軌2；

工作平臺7；

工件基板8；

加工平臺9；

所述平臺z軸導(dǎo)軌2上設(shè)置有平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6；平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6在z軸上上下運(yùn)動；

所述平臺y軸導(dǎo)軌3可在平臺x軸導(dǎo)軌1上左右運(yùn)動；

所述平臺z軸導(dǎo)軌2可在平臺y軸導(dǎo)軌3上前后運(yùn)動；

所述工作平臺7連接在平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6上，并在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)三軸移動以及x軸方向轉(zhuǎn)動；

所述加工平臺9連接平臺z軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)5并安裝在工作平臺7上，工件基板8與加工平臺9連接上，并在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)三軸移動以及x軸和z軸方向轉(zhuǎn)動。

所述立銑銑削加工裝置包括：

龍門式結(jié)構(gòu)的銑削x軸導(dǎo)軌16；

梁式結(jié)構(gòu)的銑削y軸導(dǎo)軌15；

懸臂式結(jié)構(gòu)的銑削z軸導(dǎo)軌13；

所述銑削x軸導(dǎo)軌16上設(shè)置銑削驅(qū)動主軸17，銑削驅(qū)動主軸17端部設(shè)置刀具10；

所述銑削y軸導(dǎo)軌15在銑削z軸導(dǎo)軌13上上下運(yùn)動；

所述銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15前后運(yùn)動；

在中央控制系統(tǒng)14的控制下，銑削驅(qū)動主軸17攜帶刀具10按照路徑規(guī)劃對加工完成或者部分完成的工件26進(jìn)行銑削加工。

所述立銑銑削加工裝置還包括：

用于放置刀具10的銑刀刀盤11；

驅(qū)動銑刀刀盤11轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)12；

換刀可采用手動模式或者自動模式；

若采用自動模式換刀時，由中央控制系統(tǒng)14控制銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15前后運(yùn)動，以調(diào)整銑削驅(qū)動主軸17在銑削x軸導(dǎo)軌16上的卸刀工位，銑削驅(qū)動主軸17上的用于吸附刀具10的電磁裝置的磁性消失，刀具在重力作用下跌落置銑刀刀盤11上的卸刀工位內(nèi)，然后控制銑削驅(qū)動主軸17運(yùn)行至銑刀刀盤11對應(yīng)的刀具正上方并逐漸與其接近，在電磁裝置的磁性吸附力作用下，將相應(yīng)的刀具10吸入銑削驅(qū)動主軸17的刀架安裝孔內(nèi)，實現(xiàn)刀具更換及安裝。

所述微束等離子槍21通過管路連接外部的用于給其散熱的冷卻機(jī)24；所述微束等離子槍21通過管路連接外部的粉末供給裝置23。

所述密封成型室25通過管路連接外部的保護(hù)氣供給裝置4。

所述密封成型室25還包括氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)；

所述氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)包括：

抽真空裝置；

氧含量檢測及反饋系統(tǒng)；

氣體循環(huán)凈化裝置；

開始成型前，抽真空裝置將密封成型室25內(nèi)抽至低壓狀態(tài)，并由保護(hù)氣供給裝置4充入惰性氣體；氧含量檢測裝置實時檢測密封成型室25內(nèi)氧含量；工件26加工進(jìn)行時，密封成型室25內(nèi)的氧含量會有變化，超出預(yù)設(shè)含量范圍時，反饋系統(tǒng)向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出反饋信號，啟動抽真空裝置和保護(hù)氣供給裝置4，以降低成型室內(nèi)氣壓和通入保護(hù)氣，達(dá)到降低密封成型室25內(nèi)氧含量的目的。

所述等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備的運(yùn)行方法，包括如下步驟：

步驟1：成型前，將密封成型室25處于抽成真空狀態(tài)后，再通入保護(hù)氣；

步驟2：五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺開始工作；

其平臺y軸導(dǎo)軌3沿著平臺x軸導(dǎo)軌1移動到平臺x軸導(dǎo)軌1的中間位置；

其平臺z軸導(dǎo)軌2沿著平臺y軸導(dǎo)軌3移動到平臺y軸導(dǎo)軌3中間位置；

其平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6沿著平臺z軸導(dǎo)軌2移動到平臺z軸導(dǎo)軌2的中間位置，平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6水平方向復(fù)位，平臺z軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)5復(fù)位；

步驟3：微束等離子槍21開始移動，y軸導(dǎo)軌19沿著z軸導(dǎo)軌18移動到工件基板8的上方預(yù)定位置，x軸導(dǎo)軌22沿著y軸導(dǎo)軌19移動到工件基板8的正上方，微束等離子槍21沿著離子槍x軸導(dǎo)軌22移動到工件基板8正中心上方；

步驟4：微束等離子槍21開始工作，中央控制系統(tǒng)14控制冷卻機(jī)24開始工作；

中央控制系統(tǒng)14控制粉末供給裝置23按照預(yù)定流量，向微束等離子槍21的噴嘴處送入粉末；

微束等離子槍21的微束等離子弧熔化金屬粉末，并按照規(guī)劃路徑對工件26進(jìn)行逐層打印，當(dāng)工件26完成加工或中途停止需要銑削加工時，微束等離子槍21退回初始位置；

步驟5：根據(jù)路徑規(guī)劃，中央控制系統(tǒng)14控制工件基板8進(jìn)行五聯(lián)動變換調(diào)整位置后，立銑銑削加工裝置開始工作；

銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15移動至工件基板8的正上方，銑削y軸導(dǎo)軌15沿著銑削z軸導(dǎo)軌13向下移動到預(yù)定位置，調(diào)整銑削驅(qū)動主軸17在銑削x軸導(dǎo)軌上的位置，進(jìn)行對刀；

完成對刀后，銑削驅(qū)動主軸17沿任意軸方向開始進(jìn)給，切去成型面表面的帶切除的凸起部分；

完成切屑后，銑削x軸導(dǎo)軌16、銑削y軸導(dǎo)軌15退回初始位置；

步驟6：重復(fù)步驟3至步驟5，直至工件26加工完成。

本發(fā)明與現(xiàn)有的微束等離子弧粉末熔覆快速成形裝備相比，本設(shè)備實現(xiàn)了在一臺裝置內(nèi)交替進(jìn)行增減材制造，從而可以提高工件的表面質(zhì)量和較高的加工精度，并且還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的隨形異性管道的制造，成功的將微束等離子弧薄壁增材制造和多軸數(shù)控機(jī)構(gòu)以及銑削減材融為一體，實現(xiàn)了高效率的增減材復(fù)合加工。

本發(fā)明可以先采用微束等離子弧加工出工件后，然后再采用精密銑削進(jìn)行個性化精加工，提高了成型工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，并且能夠制造出形狀復(fù)雜的異型管道零件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為微束等離子加工裝置示意圖。

圖3為五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺示意圖。

圖4為立銑銑削加工裝置換刀正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為立銑銑削加工裝置換刀俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為舉例說明在打印異型管道零件時的示意圖。

圖7為舉例說明在對圖6中異型管道零件銑削時的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

如圖1至7所示。本發(fā)明公開了一種等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備，包括中央控制系統(tǒng)14、密封成型室25；

所述密封成型室25分為：ⅰ區(qū)、ⅱ區(qū)、ⅲ區(qū)；

ⅰ區(qū)用于放置微束等離子加工裝置；

ⅱ區(qū)用于放置五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺；

ⅲ區(qū)用于放置立銑銑削加工裝置；

所述中央控制系統(tǒng)14用于：控制微束等離子加工裝置的按照規(guī)劃路徑完成工件的加工作業(yè)；控制五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺根據(jù)規(guī)劃路徑實現(xiàn)工件在x、y、z軸方向的運(yùn)動作業(yè)；控制立銑銑削加工裝置對五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺上的工件26進(jìn)行銑削作業(yè)。

如圖2；所述微束等離子加工裝置包括：

微束等離子槍21；

龍門式結(jié)構(gòu)的x軸導(dǎo)軌22；

梁式結(jié)構(gòu)的y軸導(dǎo)軌19；

懸臂式結(jié)構(gòu)的z軸導(dǎo)軌18；

所述y軸導(dǎo)軌19在z軸導(dǎo)軌18上上下運(yùn)動；

所述x軸導(dǎo)軌22在y軸導(dǎo)軌19上前后運(yùn)動；

所述微束等離子槍21安裝在x軸導(dǎo)軌22上，并可在x軸導(dǎo)軌22上左右運(yùn)動；在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)微束等離子槍21在x、y、z三軸移動。

如圖3；所述五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺包括：

地軌式結(jié)構(gòu)的平臺x軸導(dǎo)軌1；

梁式結(jié)構(gòu)的平臺y軸導(dǎo)軌3；

懸臂式結(jié)構(gòu)的平臺z軸導(dǎo)軌2；

工作平臺7；

工件基板8；

加工平臺9；

所述平臺z軸導(dǎo)軌2上設(shè)置有平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6；平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6在z軸上上下運(yùn)動；

所述平臺y軸導(dǎo)軌3可在平臺x軸導(dǎo)軌1上左右運(yùn)動；

所述平臺z軸導(dǎo)軌2可在平臺y軸導(dǎo)軌3上前后運(yùn)動；

所述工作平臺7連接在平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6上，并在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)三軸移動以及x軸方向轉(zhuǎn)動；

所述加工平臺9連接平臺z軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)5并安裝在工作平臺7上，工件基板8與加工平臺9連接上，并在中央控制系統(tǒng)14的控制下，可實現(xiàn)三軸移動以及x軸和z軸方向轉(zhuǎn)動。

如圖4、圖1；所述立銑銑削加工裝置包括：

龍門式結(jié)構(gòu)的銑削x軸導(dǎo)軌16；

梁式結(jié)構(gòu)的銑削y軸導(dǎo)軌15；

懸臂式結(jié)構(gòu)的銑削z軸導(dǎo)軌13；

所述銑削x軸導(dǎo)軌16上設(shè)置銑削驅(qū)動主軸17，銑削驅(qū)動主軸17端部設(shè)置刀具10；

所述銑削y軸導(dǎo)軌15在銑削z軸導(dǎo)軌13上上下運(yùn)動；

所述銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15前后運(yùn)動；

在中央控制系統(tǒng)14的控制下，銑削驅(qū)動主軸17攜帶刀具10按照路徑規(guī)劃對加工完成或者部分完成的工件26進(jìn)行銑削加工。

如圖4、圖5；所述立銑銑削加工裝置還包括：

用于放置刀具10的銑刀刀盤11；

驅(qū)動銑刀刀盤11轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)12；

換刀可采用手動模式或者自動模式；

若采用自動模式換刀時，由中央控制系統(tǒng)14控制銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15前后運(yùn)動，以調(diào)整銑削驅(qū)動主軸17在銑削x軸導(dǎo)軌16上的卸刀工位，銑削驅(qū)動主軸17上的用于吸附刀具10的電磁裝置的磁性消失，刀具在重力作用下跌落置銑刀刀盤11上的卸刀工位內(nèi)，然后控制銑削驅(qū)動主軸17運(yùn)行至銑刀刀盤11對應(yīng)的刀具正上方并逐漸與其接近，在電磁裝置的磁性吸附力作用下，將相應(yīng)的刀具10吸入銑削驅(qū)動主軸17的刀架安裝孔內(nèi)，實現(xiàn)刀具更換及安裝。

如圖1；所述微束等離子槍21通過管路連接外部的用于給其散熱的冷卻機(jī)24；所述微束等離子槍21通過管路連接外部的粉末供給裝置23。

如圖1；所述密封成型室25通過管路連接外部的保護(hù)氣供給裝置4。

所述密封成型室25還包括氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)(圖中未示出)；

所述氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)包括：

抽真空裝置；

氧含量檢測及反饋系統(tǒng)；

氣體循環(huán)凈化裝置；

開始成型前，抽真空裝置將密封成型室25內(nèi)抽至低壓狀態(tài)，并由保護(hù)氣供給裝置4充入惰性氣體；氧含量檢測裝置實時檢測密封成型室25內(nèi)氧含量；工件26加工進(jìn)行時，密封成型室25內(nèi)的氧含量會有變化，超出預(yù)設(shè)含量范圍時，反饋系統(tǒng)向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出反饋信號，啟動抽真空裝置和保護(hù)氣供給裝置4，以降低成型室內(nèi)氣壓和通入保護(hù)氣，達(dá)到降低密封成型室25內(nèi)氧含量的目的。

本發(fā)明等離子和多軸數(shù)控機(jī)床增減材復(fù)合3d打印設(shè)備的運(yùn)行方法，可通過如下步驟實現(xiàn)：

步驟1：成型前，將密封成型室25處于抽成真空狀態(tài)后，再通入保護(hù)氣；

步驟2：五軸五聯(lián)動數(shù)控加工平臺開始工作；

其平臺y軸導(dǎo)軌3沿著平臺x軸導(dǎo)軌1移動到平臺x軸導(dǎo)軌1的中間位置；

其平臺z軸導(dǎo)軌2沿著平臺y軸導(dǎo)軌3移動到平臺y軸導(dǎo)軌3中間位置；

其平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6沿著平臺z軸導(dǎo)軌2移動到平臺z軸導(dǎo)軌2的中間位置，平臺x軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)6水平方向復(fù)位，平臺z軸方向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)5復(fù)位；

步驟3：微束等離子槍21開始移動，y軸導(dǎo)軌19沿著z軸導(dǎo)軌18移動到工件基板8的上方預(yù)定位置，x軸導(dǎo)軌22沿著y軸導(dǎo)軌19移動到工件基板8的正上方，微束等離子槍21沿著離子槍x軸導(dǎo)軌22移動到工件基板8正中心上方；

步驟4：微束等離子槍21開始工作，中央控制系統(tǒng)14控制冷卻機(jī)24開始工作；

中央控制系統(tǒng)14控制粉末供給裝置23按照預(yù)定流量，向微束等離子槍21的噴嘴處送入粉末；

微束等離子槍21的微束等離子弧熔化金屬粉末，并按照規(guī)劃路徑對工件26進(jìn)行逐層打印，當(dāng)工件26完成加工或中途停止需要銑削加工時，微束等離子槍21退回初始位置；

步驟5：根據(jù)路徑規(guī)劃，中央控制系統(tǒng)14控制工件基板8進(jìn)行五聯(lián)動變換調(diào)整位置后，立銑銑削加工裝置開始工作；

銑削x軸導(dǎo)軌16沿著銑削y軸導(dǎo)軌15移動至工件基板8的正上方，銑削y軸導(dǎo)軌15沿著銑削z軸導(dǎo)軌13向下移動到預(yù)定位置，調(diào)整銑削驅(qū)動主軸17在銑削x軸導(dǎo)軌上的位置，進(jìn)行對刀；

完成對刀后，銑削驅(qū)動主軸17沿任意軸方向開始進(jìn)給，切去成型面表面的帶切除的凸起部分；

完成切屑后，銑削x軸導(dǎo)軌16、銑削y軸導(dǎo)軌15退回初始位置；

步驟6：重復(fù)步驟3至步驟5，直至工件26加工完成。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。