一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块
阅读：527发布：2023-03-03
专利汇可以提供一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于现有激光增材设备的同步激光 抛光 模 块 ，属于激光 增材制造 技术领域，主要包括Z轴协同运动系统、可旋转加工平台、XY两轴联动十字滑台。与现有设备相比，本发明取得的技术突破在于将 激光金属沉积 (LMD)技术与激光抛光技术相结合，可以在增材沉积成形的同时，分别对第一层、第二层…、第N层的表面区域和侧向区域进行激光抛光处理，不仅可以解决悬臂结构的大拐点金属零件大面积激光抛光困难的问题，而且可以解决激光抛光高深径比的曲面内/外壁零件时的激光入射 角 问题，通过对每一沉积层的激光抛光有效降低了LMD最终成形件的表面粗糙度。，下面是一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块专利的具体信息内容。
1.一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块，主要包括Z轴协同运动系统、可旋转加工平台、XY两轴联动十字滑台，其特征在于：所述的Z轴协同运动系统包括激光金属沉积的双路同步送粉激光头和激光抛光的激光头，且两个激光头平行放置，分别由激光金属沉积系统和激光抛光系统控制其沿Z轴方向的位置；所述的可旋转加工平台安装固定在XY两轴联动十字滑台上，包括绕X轴旋转的支撑平台和绕Z轴旋转的卡盘，绕Z轴旋转的卡盘安装在绕X轴旋转的支撑平台上，上述支撑平台和卡盘分别由两个交流伺服电机控制其旋转运动；所述的XY两轴联动十字滑台包括X轴移动平台、驱动X轴水平运动的交流伺服电机、Y轴移动平台、驱动Y轴水平运动的交流伺服电机，上述X轴移动平台安装固定在上述两个平行放置的激光头的正下方，且Y轴移动平台安装在X轴移动平台上，同时Y轴移动平台上安装有可旋转加工平台。
一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块
技术领域
[0002] 研究背景
[0003] 激光增材制造(Laser additive manufacturing,LAM)技术是目前最具潜力的先进制造技术之一，它通过对三维模型的数字化数据分层，再以“分层加工、逐层累加”的方式实现三维实体零件的直接成形，不仅在航空航天、能源动力及生物医疗等领域得到了广泛应用，而且对我国制造业的发展具有十分重要的战略意义。
[0004] 根据送粉方式的不同，激光增材制造技术已经形成以以同步送粉为特征的激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)技术和以粉床铺粉为特征的选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术。其中以同步送粉为特征的激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)技术可以与传统的等材(如焊接)或减材(如车削、铣削)技术相结合，充分发挥各种增材与等材及减材加工技术的优势，进而实现金属零件的整体、高性能及低成本的加工制造。
[0005] 然而由于激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)技术的加工过程中熔池的温度分布、动态特征及凝固行为直接影响成形精度、冶金缺陷、熔凝组织及力学性能。并且LMD在同步送粉的成型过程中材料熔化和凝固速度极快，熔池内气体在凝固过程中未能有充足的溢出时间形成气孔，此外过高的温度又会导致熔池飞溅，使飞溅的粉末颗粒粘附在沉积层上，导致层与层之间难以形成紧密重熔，层间结合不良，形成较大的层间未熔合缺陷，不仅会产生精度较差的侧向台阶效应和较高的表面粗糙度，而且孔洞边缘较大的应力集中常常会成为裂纹萌生点，这就限制了LMD技术的进一步实际应用。
[0006] 激光抛光作为一种新兴的加工方式，具有非接触、可微区、可选区、可实现精密或超精密、可细晶强化、可增加不同材料的抗腐蚀性能和抗疲劳性能、环保高效等优势。其原理是在极短的时间内使凹凸不平的材料表面达到熔融温度，材料上凸的表面熔化后，熔化的金属在表面张力和重力的作用下，填入材料下凹的表面。当激光束离开时，较高的冷却速率使熔融材料凝固，导致上凸的表面降低，下凹的表面被填平，往复循环直到材料表面粗糙度达到使用要求。
[0007] 近年来，已有国内外学者采用激光抛光技术来提高增材制造零件的表面精度以及降低其表面粗糙度，例如：北京航空航天大学机械学院的管迎春等人分别研究了激光抛光增材钛合金和镍基高温合金的组织和性能，并将增材后的零件表面粗糙度降到0.2μm以下；比利时鲁汶大学机械工程系的E.Yasa和J-P.Kruth采用激光抛光重熔处理来降低增材316L零件的表面孔隙率和表面粗糙度；英国考文垂制造技术中心的S.Marimuthu等人研究了不同的激光抛光参数(扫描速度、激光功率、搭接率等)对增材Ti-6Al-4V零件的表面质量的影响；法国南特通信与控制研究所的B.Rosa等人对增材316L零件进行了激光抛光研究；同时英国伯明翰大学工程学院机械工程系的D.Bhaduri等人采用不同的激光抛光能量密度对增材316L零件进行了表面粗糙度的研究；香港理工大学工业及系统工程系分别对增材Ti6Al4V、镍625、CoCr合金零件进行了激光抛光研究。
[0008] 然而这些激光抛光的增材零件多集中在平面或者斜面上，结构比较简单，虽然香港理工大学工业及系统工程系的K.C.Yung等人曾经对凹面的增材CoCr合金零件进行了激光抛光研究，但是这些研究都是在现有增材设备上增材成形完毕后才进行激光抛光，不能形成边增材边抛光的一步加工方式。而且目前LMD技术常被用来成形各种形貌复杂的零件，对于含有悬臂结构的大拐点金属零件和高深径比的曲面内/外壁零件，往往受到抛光平台的行程范围和零件高深径比的限制，导致激光抛光时的激光光束不能照射到指定的抛光位置，这就不能得到最佳的抛光路径和加工参数。虽然目前已有国外学者通过调整扫描振镜的方式来调整激光束的入射角，但是这种入射角的扫描范围有限，只能达到±10°，对于高深径比的曲面内壁零件来说达不到激光抛光的使用要求，致使这些含有悬臂结构的大拐点金属零件和高深径比的曲面内/外壁零件的激光抛光研究严重不足。
[0009] 因此研发一种工艺简单，抛光效率高，自动化程度高，绿色环保且能提高LMD复杂零件的表面精度，并在现有激光增材设备上实现同步激光抛光的模块，形成边增材边抛光的一步加工方式，成为目前科研工作者亟待解决的问题。
发明内容
[0010] 本发明的目的在于提供一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块。该模块将现有激光金属沉积(LMD)技术与激光抛光技术相结合，可以在增材沉积成形的同时，分别对第一层、第二层…、第N层的表面区域和侧向区域进行激光抛光处理，不仅可以解决悬臂结构的大拐点金属零件大面积激光抛光困难的问题，而且可以解决激光抛光高深径比的曲面内/外壁零件时的激光入射角问题，通过对每一沉积层的激光抛光有效改善了LMD沉积时的粉末飞溅与粘附问题，为下一层的沉积成形提供了良好的搭接基础，有效降低了LMD最终成形件的表面粗糙度。
[0011] 本发明一种基于现有激光增材设备的同步激光抛光模块，主要包括Z轴协同运动系统、可旋转加工平台、XY两轴联动十字滑台，其特征在于：所述的Z轴协同运动系统包括激光金属沉积的双路同步送粉激光头和激光抛光的激光头，且两个激光头平行放置，分别由激光金属沉积系统和激光抛光系统控制其沿Z轴方向的位置；所述的可旋转加工平台安装固定在XY两轴联动十字滑台上，包括绕X轴旋转的支撑平台和绕Z轴旋转的卡盘，绕Z轴旋转的卡盘安装在绕X轴旋转的支撑平台上，上述支撑平台和卡盘分别由两个交流伺服电机控制其旋转运动；所述的XY两轴联动十字滑台包括X轴移动平台、驱动X轴水平运动的交流伺服电机、Y轴移动平台、驱动Y轴水平运动的交流伺服电机，上述X轴移动平台安装固定在上述两个平行放置的激光头的正下方，且Y轴移动平台安装在X轴移动平台上，同时Y轴移动平台上安装有可旋转加工平台。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0013] (1)本发明将激光金属沉积(LMD)技术与激光抛光技术相结合，可以在增材沉积成形的同时，分别对第一层、第二层…、第N层的表面区域和侧向区域进行激光抛光处理，不仅可以解决悬臂结构的大拐点金属零件大面积激光抛光困难的问题，而且可以解决激光抛光高深径比的曲面内/外壁零件时的激光入射角问题；
[0014] (2)本发明通过对每一沉积层的激光抛光有效改善了LMD沉积时的粉末飞溅与粘附问题，为下一层的沉积成形提供了良好的搭接基础，有效降低了LMD最终成形件的表面粗糙度；
[0016] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0017] 图2为本发明可旋转加工平台的结构示意图；
[0018] 图3为本发明XY两轴联动十字滑台的结构示意图；
[0019] 图4为本发明抛光时的加工示意图；
[0020] 图5为具有悬臂结构的大拐点金属零件示意图；
[0021] 图6为高深径比的曲面内/外壁零件示意图。
[0022] 图中各部分名称如下：
[0023] 1、激光抛光的激光头；2、激光金属沉积的双路同步送粉激光头；3、可旋转加工平台；4、XY两轴联动十字滑台；31、控制支撑平台旋转的交流伺服电机；32、支撑平台；33、卡盘；34、控制卡盘旋转的交流伺服电机；41、Y轴移动平台；42、X轴移动平台；43、驱动Y轴的交流伺服电机；44、驱动X轴的交流伺服电机；5、具有悬臂结构的大拐点金属零件；6、金属基板；7、高深径比的曲面内/外壁零件。
具体实施方式
[0024] 为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
[0025] 本实施实例以加工具有悬臂结构的大拐点金属零件(5)和高深径比的曲面内/外壁零件(7)为例，将激光金属沉积(LMD)技术与激光抛光技术相结合，工作过程如下：
[0026] 首先选择合适的金属基板(6)，并将其安装在卡盘(33)上，调整激光金属沉积的双路同步送粉激光头(2)的焦距位置，并将其对准金属基板(6)，如附图1所示，选择合适的搭接率和沉积工作路径后，启动激光金属沉积系统和同步送粉系统，开始进行增材成形，且成形过程中在惰性气体保护下进行。增材成形的过程中交流伺服电机(43)和交流伺服电机(44)可以分别对Y轴和X轴移动平台进行同步控制，实现可旋转加工平台(3)的水平移动，有效保证每一沉积路径的实施。当沉积成形完第一层后，暂停激光金属沉积系统和同步送粉系统，启动交流伺服电机(44)驱动X轴移动平台(42)，将可旋转加工平台(3)及Y轴移动平台(41)移动到激光抛光的激光头(1)的正下方，如附图4所示。此时通过激光抛光系统调整激光抛光的激光头(1)的位置，并找到合适的焦距，选择合适的激光抛光参数，在惰性气体保护下对第一沉积层进行抛光。当抛光完成后暂停激光抛光系统，启动交流伺服电机(44)驱动X轴移动平台(42)，将可旋转加工平台(3)及Y轴移动平台(41)移动到激光金属沉积的双路同步送粉激光头(2)的正下方，开始进行第二层的金属沉积，往复循环，来实现边增材成形边激光抛光的工艺效果。当需要抛光具有悬臂结构的大拐点金属零件(5)的曲面侧壁，或者高深径比的曲面内/外壁零件(7)的曲面内壁时可以通过驱动交流伺服电机(31)或者交流伺服电机(34)分别旋转控制支撑平台(32)和卡盘(33)的旋转角度来调整增材零件的抛光角度，从而精确实现每一沉积层的激光抛光，直到整个零件加工完成为止。
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