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一种增减材复合制造方法及系统

阅读：408发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种增减材复合制造方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种增减材复合制造方法及系统。该系统主要包括密封箱体、循环冷却系统、循环净化系统和控制系统。密封箱体用于构建增减材设备的工艺环境的载体，将箱体内部气氛与外界空气隔离；循环冷却系统将密封箱体内的惰性气体转换为高压冷却气体，用于冷却减材工艺的切削刀具和工件；循环净化系统用于密封箱体内的惰性气体的循环和净化，控制水氧含量，实现增材工艺气氛环境的指标；控制系统通过接收设备指令和采集传感器数据，控制电磁阀、风机、压缩机动作，监测密封箱体内气体实时状态和控制循环冷却系统、循环净化系统的启停。应用本发明中所公开的气氛循环系统，可高效、经济、稳定的制造各类尺寸、性能和质量优良的复杂金属零件。，下面是一种增减材复合制造方法及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种增减材复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：向增减材复合制造系统的密封箱体中充入惰性气体；
步骤二：循环净化密封箱体中的惰性气体至水氧含量达标；
步骤三：利用增材工艺加工工件；
步骤四：将惰性气体引出密封箱体并冷却输出至密封箱体内部，用于冷却刀具和工件，进行减材工艺加工。
2.一种实现权利要求1所述的增减材复合制造方法的增减材复合制造系统，其特征在于：包括密封箱体、循环净化系统、循环冷却系统及控制系统；
所述密封箱体上设有气体输入接口、传感器单元及卸荷气路；刀具及待加工工件均置于密封箱体内部；所述传感器单元用于实时监测密封箱体内部的惰性气体状态；
所述循环净化系统的入口端及出口端均与密封箱体连通，用于循环净化密封箱体中的惰性气体至气体状态达标；
所述循环冷却系统包括气体制冷单元，循环冷却系统的入口端与出口端均与密封箱体连通，用于将密封箱体内的惰性气体输出并冷却后输送至密封箱体内部进行刀具及工件冷却；
所述控制系统与传感器单元、卸荷气路、循环净化系统及循环冷却系统连接。
3.根据权利要求2所述的增减材复合制造系统，其特征在于：所述循环冷却系统还包括通过密封管路连接的冷却气流单向阀、冷却气流过滤器、压缩机、储气单元、气体冷却气流电磁阀及冷却气喷嘴；所述气体制冷单元位于储气单元与气体冷却气流电磁阀之间，冷却气流单向阀的入口端通过密封管路与密封箱体连通，冷却气喷嘴位于密封箱体内部。
4.根据权利要求1-3任一所述的增减材复合制造系统，其特征在于：所述循环净化系统包括通过密封管路连接的净化气流单向阀、净化气流过滤器、风机和净化柱；净化气流单向阀的入口端与密封箱体连通，净化柱的出口端与密封箱体连通。
5.根据权利要求4所述的增减材复合制造系统，其特征在于：还包括气体压力容器；气体压力容器的出口端通过设置有供气电磁阀的密封管路与密封箱体的气体输入接口连通。
6.根据权利要求5所述的增减材复合制造系统，其特征在于：所述卸荷气路包括并联的卸荷电磁阀及卸荷溢流阀，卸荷电磁阀与卸荷溢流阀的入口端均与密封箱体连通，出口端通向大气。
7.根据权利要求6所述的增减材复合制造系统，其特征在于：所述传感器单元包括氧含量传感器、水含量传感器、压力传感器及温度传感器。
8.根据权利要求7所述的增减材复合制造系统，其特征在于：氧含量传感器、水含量传感器、压力传感器及温度传感器均与控制系统输入连接，控制系统的输出与冷却气流电磁阀、压缩机、风机、供气电磁阀和卸荷电磁阀相连接。
9.根据权利要求8所述的增减材复合制造系统，其特征在于：密封箱体设置可开启密封门，密封箱体四周设置密封手套；密封箱体的箱体侧面还设置有伸入密封箱体的过渡舱。

说明书全文

一种增减材复合制造方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增减材复合制造设备的气氛循环方法及系统。

背景技术

[0002] 增减材复合制造设备的最终制件性能由增材工艺和减材工艺共同影响。增材工艺需在密封箱体内通入氩气、氮气等惰性气体以减少高温下金属成型的氧化现象，提高材料性能和致密度。因此，水、氧含量恒定的惰性气氛环境是增材工艺的质量保证。减材工艺中，为了提高精度和质量，需引入冷却介质对切削刀具或工件进行充分冷却。

[0003] 目前，刀具冷却采用的介质包含气体和液体(含喷雾)两种，然而将上述两种冷却介质直接应用于增减材复合制造设备存在极大的限制：

[0004] 一、冷却液(含喷雾)。由于增材加工区域和减材加工区域共处于密封箱体内，采用冷却液进行刀具冷却会引起密封箱体内水含量的急剧变化，导致工件氧化严重。此外，使用冷却液，也会导致粉末沾染水、有机溶剂和其他杂质，降低二次回收金属粉末的利用率，增加设备使用的材料成本。

[0005] 二、气体冷却。减材机床气体冷却介质主要是压缩空气。空气中含有21％氧气和少量水蒸气，不利于获得增材工艺所需稳定的惰性气氛环境。

发明内容

[0006] 为了解决由于减材工艺中冷却介质对增材工艺气氛环境的影响，导致的工件氧化严重、设备使用成本高的问题，本发明提供一种增减材复合制造方法及系统。

[0007] 通过分析发现，如果将减材工艺中的冷却介质压缩空气更换为组分恒定、超高纯度的惰性气体，即可维持增材工艺所需稳定的惰性气氛环境。但是，惰性气体与压缩空气相比其成本较高，如果使用惰性气体作为冷却气体，将明显增加增减材复合制造的工艺成本。

[0008] 因此，考虑到增材工艺的惰性气氛环境，本发明将增材工艺中惰性气体直接作为减材工艺中切削刀具的气体冷却介质来源，重复利用惰性气体，降低减材工艺中冷却介质对增材工艺气氛环境的影响。

[0009] 本发明的技术解决方案是提供一种增减材复合制造方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤一：向增减材复合制造系统的密封箱体中充入惰性气体；

[0011] 步骤二：循环净化密封箱体中的惰性气体至水氧含量达标；

[0012] 步骤三：利用增材工艺加工工件；

[0013] 步骤四：将惰性气体引出密封箱体并冷却输出至密封箱体内部，用于冷却刀具和工件，进行减材工艺加工。

[0014] 本发明还提供一种实现上述增减材复合制造方法的增减材复合制造系统，其特殊之处在于：包括密封箱体、循环净化系统、循环冷却系统及控制系统；

[0015] 上述密封箱体用于构建增减材设备的工艺环境的载体，将箱体内部气氛与外界空气隔离，上述密封箱体上设有气体输入接口、传感器单元及卸荷气路；刀具及待加工工件均置于密封箱体内部；上述传感器单元用于实时监测密封箱体内部的惰性气体状态；

[0016] 上述循环净化系统的入口端及出口端均与密封箱体连通，用于循环净化密封箱体中的惰性气体至气体状态达标；

[0017] 上述循环冷却系统包括气体制冷单元，循环冷却系统的入口端与出口端均与密封箱体连通，用于将密封箱体内的惰性气体输出并冷却后输送至密封箱体内部进行刀具及工件冷却；

[0018] 上述控制系统与传感器单元、卸荷气路、循环净化系统及循环冷却系统连接。

[0019] 优选地，上述循环冷却系统还包括通过密封管路连接的冷却气流单向阀、冷却气流过滤器、压缩机、储气单元、气体冷却气流电磁阀及冷却气喷嘴；上述气体制冷单元位于储气单元与气体冷却气流电磁阀之间，冷却气流单向阀的入口端通过密封管路与密封箱体连通，冷却气喷嘴位于密封箱体内部。其中，密封箱体内的惰性气体在压缩机的动力作用下，经过冷却气流单向阀、冷却气流过滤器过滤、压缩机压缩，进入储气单元缓存稳压，气体制冷单元冷却，冷却气流电磁阀开启，冷却后的惰性气体经由密封管路进入密封箱体内部的冷却气喷嘴，由冷却气喷嘴喷出对工件及刀具进行冷却。可采用外部喷射冷却，也可采用主轴内冷却方式输出低温气体，实现切削冷却。

[0020] 优选地，上述循环净化系统包括通过密封管路连接的净化气流单向阀、净化气流过滤器、风机和净化柱；净化气流单向阀的入口端与密封箱体连通，净化柱的出口端与密封箱体连通。其中，密封箱体内的惰性气体在风机的动力作用下，经过净化气流单向阀、净化气流过滤器、风机，进入净化柱内吸收过滤水氧，再流入密封箱体，完成气体循环净化。

[0021] 优选地，本发明系统还包括气体压力容器；气体压力容器的出口端通过设置有供气电磁阀的密封管路与密封箱体的气体输入接口连通，并由供气电磁阀控制供气通断。

[0022] 优选地，上述卸荷气路包括并联的卸荷电磁阀及卸荷溢流阀，卸荷电磁阀与卸荷溢流阀的入口端均与密封箱体连通，出口端通向大气；由卸荷溢流阀控制卸荷，卸荷电磁阀控制箱内与外部环境的气体交换。

[0023] 优选地，上述传感器单元包括氧含量传感器、水含量传感器、压力传感器及温度传感器，分别实时监测密封箱体内的水氧含量、压力及温度。

[0024] 优选地，氧含量传感器、水含量传感器、压力传感器及温度传感器均与控制系统输入连接，将密封箱体内的实时气体状态参数发送至控制系统及上位机，控制系统的输出与冷却气流电磁阀、压缩机、风机、供气电磁阀和卸荷电磁阀相连接，控制系统监测密封箱体内气体实时状态和控制循环冷却系统、循环净化系统的启停，根据传感器单元发送的数据控制供气电磁阀和卸荷电磁阀通断，实现气流通断控制，并根据传感器单元发送的数据控制压缩机和风机的启停，控制系统根据上位机指令控制冷却气流电磁阀通断，实现冷却气的启停。

[0025] 优选地，密封箱体设置可开启密封门，用于工件装夹，装夹完成后关闭密封门进入工作状态，密封箱体四周设置密封手套，用于工作状态下操作；密封箱体的箱体侧面还设置有伸入密封箱体的过渡舱。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0027] 1、本发明通过在增减材复合制造系统中新增循环冷却系统，成型保护气体和切削冷却气体采用相同的惰性气体，提高了减材工艺的加工精度和表面质量，可精确制造各类尺寸、性能和质量优良的复杂金属零件。

[0028] 2、通过循环冷却系统的冷却气体来源于密封箱体内惰性气体，确保了增材工艺的气氛环境，提高了密封箱体内水氧含量的稳定性，降低了工艺成本。

[0029] 3、本发明没有引入外界冷却介质，缩短工艺时间，提高制造效率；同时减小水氧含量的波动幅度，提高成型质量。附图说明

[0030] 图1为本发明的结构示意图。其中，箭头方向表示气体流动方向。

[0031] 图中附图标记为：1-密封箱体；2-储气单元；3-压缩机；4-冷却气流过滤器；201-气体制冷单元；202-冷却气流电磁阀；203-冷却气流单向阀；204-冷却气喷嘴；5-净化柱；6-风机；7-净化气流过滤器；501-净化气流单向阀；8-气体压力容器；801-供气电磁阀；9-控制单元；10-氧含量传感器；11-水含量传感器；12-压力传感器；13-温度传感器；14-卸荷气路；1401-卸荷电磁阀；1402-卸荷溢流阀；15-工件；16-切削刀具，17-过渡舱，18-上位机。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

[0033] 本发明在增减材加工工艺中，将增材工艺所需的惰性气体作为减材工艺中切削刀具16的气体冷却介质来源，重复利用惰性气体，具体通过下述过程实现：首先向增减材复合制造系统的密封箱体1中充入惰性气体；再循环净化密封箱体1中的惰性气体至水氧含量达标；然后，利用增材工艺加工工件15；最后将惰性气体引出密封箱体1并冷却输出至密封箱体1内部，用于冷却刀具和工件15，进行减材工艺加工。缩短了工艺时间，提高了制造效率；同时减小水氧含量的波动幅度，提高成型质量。

[0034] 从图1可以看出实现上述方法的系统主要包括密封箱体1、循环冷却系统、循环净化系统及控制系统；

[0035] 密封箱体1上设有传感器单元、供气系统和卸荷气路14；传感器单元包括氧含量传感器10、水含量传感器11、压力传感器12及温度传感器13，分别与控制系统连接实时监测箱内气体状态。供气系统由气体压力容器8、供气电磁阀801构成，采用密封管路连接至密封箱体1，并通过供气电磁阀801控制供气的通断。卸荷气路14由卸荷电磁阀1401和卸荷溢流阀1402构成，采用密封管路并行连接至密封箱体1；刀具与工件15均设置在密封箱体1内部，密封箱体1的箱体侧面还设置有伸入密封箱体1的过渡舱17，同时设置可开启密封门用于工件
15装夹，装夹完成后关闭密封门进入工作状态，密封箱体1四周设置密封手套用于工作状态下操作。

[0036] 循环冷却系统包括通过密封管路依次连接的冷却气流单向阀203、气体制冷单元、冷却气流过滤器4、压缩机3、储气单元2、气体冷却气流电磁阀202及冷却气喷嘴204，其中冷却气流单向阀203的入口端通过密封管路与密封箱体1连通，冷却气喷嘴204位于密封箱体1内部。可采用外部喷射冷却，也可采用主轴内冷却方式输出低温气体，实现切削冷却。

[0037] 循环净化系统包括通过密封管路依次连接的净化气流单向阀501、净化气流过滤器7、风机6和净化柱5，其中净化气流单向阀501的入口端通过密封管路与密封箱体1连通，净化柱5的出口端通过密封管路与密封箱体1连通。

[0038] 控制系统的输入与氧含量传感器10、水含量传感器11、压力传感器12及温度传感器13连接，控制系统的输出与冷却气流电磁阀202、压缩机3、风机6、供气电磁阀801和卸荷电磁阀1401相连接。

[0039] 本实施例中，密封箱体1装夹工件15、关闭密封门后进入工作状态，上位机18发送净化指令至控制系统，控制系统控制供气电磁阀801开启，惰性气体由气体压力容器8进入密封箱体1，与密封箱体1内的原有气体混合，混合气体通过卸荷电磁阀1401及卸荷管路排入大气，待密封箱体1内的水氧含量降低至1000ppm时，结束排气净化。上位机18发送循环净化指令至控制系统，控制系统关闭供气电磁阀801和卸荷电磁阀1401，开启风机6，密封箱体1内气体经过净化气流单向阀501、净化气流过滤器7、风机6进入净化柱5，净化柱5通过物理吸附和化学反应进一步消耗气体中水、氧，气体流入密封箱体1，多次循环后，氧含量传感器
10和水含量传感器11检测密封箱体1内气氛指标，当测量值达到上位机18的设定值20ppm时，循环净化程序结束；上位机18发送储气冷却指令至控制系统，控制系统开启压缩机3，密封箱体1内惰性气体经冷却气流单向阀203、冷却气流过滤器4、压缩机3，进入储气单元2储存，当达到储气单元2容量设定值0.2m3，控制单元9开启冷却气流电磁阀202，高压惰性气体经气流冷却单元冷却，输出至冷却气喷嘴204，冷却刀具和工件15；在储气冷却过程中，密封箱体1的压力测量值超出设定范围，由气体压力容器8输入气体或卸荷溢流阀1402排出气体，保证密封箱体1内的压力稳定；增材和减材工艺完成后，通过密封手套移动工件15至过渡舱外完成取件。

[0040] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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