CN108817389A - 一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法 - Google Patents

一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法，包括位置调整单元、运动单元、基座单元和控制单元；位置调整单元将工件支撑在水平面上及工件在水平面上转动控制；运动单元在基座单元上，运动单元的输出端固定有执行单元；所述的执行单元包括电磁感应加热单元、红外温度检测单元和锤击单元，运动单元用于执行单元在水平面方向和竖直方向上的运动控制，电磁感应加热单元对工件的局部进行设定温度的加热，红外温度检测单元用于对工件加热的局部进行温度检测，锤击单元对工件达到加热设定温度的局部进行锤击；控制单元输入端连接红外温度检测单元输出端，输出端分别连接位置调整单元、运动单元、电磁感应加热单元和锤击单元输入端。

Description

一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造设备，具体为一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法。
背景技术
增材制造俗称3D打印，与传统的车、铣、刨、磨加工方式相比，是以数字模型为基础，将材料逐层累加，即“自下而上”的方式实现实体零件制造的技术。它是一种基于三维数字模型，通过分层切片技术，将三维模型转换为一系列二维轮廓信息，然后利用不同的工艺模式按照轮廓轨迹逐层堆积，最终形成所设计的三维实体。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
增材制造技术因其独特的优势，如可成形复杂零件、加工工序减少、加工周期缩短和实现个性化定制成本降低等，在近二十年来取得飞速发展。而金属增材制造技术是以激光、电弧、电子束和等离子等作为热源，加热材料使之烧结或熔化，逐层堆积实现零件成形的方法。
在成形过程中，材料逐渐被堆积，层数在累加，由于零件不同位置与周围环境热交换能力不同，逐层制造的零件中会出现温度分布不均匀，以及热量不断累积，使得各部位的凝固冷却不一致造成残余应力，从而导致零件的变形、收缩和翘曲，当构件的尺寸越大、形状越复杂时这一现象更加突出。成形过程中，如果材料受潮、保护气体不纯或气体保护效果不好时，液态熔池会溶解部分气体，熔池凝固时，气体来不及溢出就会在零件中形成气孔。这可能导致零件力学性能下降。并且成形过程中还会出现裂纹、未熔合和夹渣等不可预知的冶金缺陷，这都会影响成形零件内部质量和力学性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于提高金属增材制造零件性能的装置及方法，结构简单，设计合理，实施方便，能够降低金属增材制造零件的残余应力、减少气孔、改善金属内部组织，以提高成形件的力学性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，包括位置调整单元、运动单元、基座单元和控制单元；
所述的位置调整单元用于将工件支撑在水平面上，并用于工件在水平面上的转动控制；
所述的运动单元设置在基座单元上，运动单元的输出端固定设置执行单元；所述的执行单元包括电磁感应加热单元、红外温度检测单元和锤击单元，运动单元用于执行单元在水平面方向和竖直方向上的运动控制，电磁感应加热单元用于对工件的局部进行设定温度的加热，红外温度检测单元用于对工件加热的局部进行温度检测，锤击单元用于对工件达到加热设定温度的局部进行锤击；
所述的控制单元的输入端连接红外温度检测单元的输出端，输出端分别连接位置调整单元、运动单元、电磁感应加热单元和锤击单元的输入端。
优选的，所述的运动单元包括相互垂直X、Y和Z轴滑轨；X轴滑轨固定在基座单元上，与X轴滑轨滑动配合的X轴滑块上固定设置Y轴滑轨，与Y轴滑轨滑动配合的Y轴滑块上固定设置Z轴滑轨，与Z轴滑轨滑动配合的Z轴滑块上固定设置执行单元。
进一步，Z轴滑块上固定有竖直设置的连接板，连接板从上到下分别水平设置有第一U型连接架和第二U型连接架，第一U型连接架上分别固定设置红外温度检测单元和电磁感应加热单元，第二U型连接架上固定设置锤击单元。
再进一步，锤击单元、红外温度检测单元和电磁感应加热单元均设置在同一水平方向上，且沿远离连接板的方向依次布置。
优选的，所述红外温度检测单元采用非接触式红外测温装置。
优选的，所述锤击单元的外壳固定在运动单元的输出端，锤击单元的输出端在竖直方向上往复运动。
优选的，所述锤击单元采用气锤或电磁锤。
一种用于提高金属增材制造零件性能的方法，基于上述任意一项所述的装置，包括如下步骤，
步骤一，在位置调整单元通过金属增材制造的工艺对工件进行逐层的堆积制备；
步骤二，每一层堆积完成后，通过控制单元调整运动单元将红外温度检测单元移动到测量位置，进行该位置温度检测测量，并将数据传递到控制单元；
步骤三，控制单元根据采集的温度数据与预设值比较；
如果当前温度低于预设值时，启动电磁感应加热单元对该区域进行加热，直到温度到达设定值，电磁感应加热单元停止工作；
如果当前温度高于预设值时，电磁感应加热单元不启动，直到当前位置温度与设定值相同时，控制单元调整运动单元带动红外温度检测单元和电磁感应加热单元移动到下一位置，且锤击单元将运动到温度已到达设定值的工件的位置区域；
步骤四，控制单元控制锤击单元随着运动单元的移动，对当前层的已成形面上的全部位置依次进行冲击强化作用；
步骤五，当前层锤击完成后，重复执行步骤二至步骤四，直至所设计的工件制造完成。
优选的，锤击单元对当前层各个位置依次进行锤击作业时，当运动单元无法保证锤击单元运动到预锤击位置时，通过运动单元在水平方向和竖直方向上的运动控制以及位置调整单元在水平面方向的转动配合，实现锤击单元运动到预锤击位置。
优选的，所述的温度预设值处于对应打印材料的再结晶温度区间内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过设置有红外温度检测单元和电磁感应加热单元，可以保证锤击部分温度处于预设值，保证锤击作用力均匀，不会出现因热累积、散热影响导致锤击效果差；通过局部锤击位置的温度处于再结晶温度区间，可减小所需锤击力数值，可以满足不同金属材料通过锤击改善力学性能的要求。通过加热后锤击作用从而改善沉积层表面的平整度，提高金属件表面质量；实现晶粒细化，减少出现组织粗大的现象。采用每层结束打印后进行锤击作用，这种措施避免了边打印边锤击出现的锤击参数不可调整问题。
附图说明
图1为本发明实例中所述装置的结构示意图。
图2为本发明实例中所述方法的流程图。
图中：基座单元1、运动单元2、锤击单元3、红外温度检测单元4、电磁感应加热单元5、控制单元6、打印头7、工件8、位置调整单元9、连接板10。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，包括红外温度检测单元4、电磁感应加热单元5、锤击单元3、基座单元1、运动单元2和控制单元6。运动单元2固定在基座单元1上，可实现X、Y、Z三轴运动，电磁感应加热单元5、红外温度检测单元4和锤击单元3都与运动单元2相连，运动单元2能实现局部位置调整，快速到达零件强化位置。
其中，位置调整单元9用于将工件8支撑在水平面上，并用于工件8在水平面上的转动控制；运动单元2设置在基座单元1上，运动单元2的输出端固定设置执行单元；所述的执行单元包括电磁感应加热单元5、红外温度检测单元4和锤击单元3，运动单元2用于执行单元在水平面方向和竖直方向上的运动控制，电磁感应加热单元5用于对工件8的局部进行设定温度的加热，红外温度检测单元4用于对工件8加热的局部进行温度检测，锤击单元3用于对工件8达到加热设定温度的局部进行锤击；控制单元6输入端连接红外温度检测单元4的输出端，输出端分别连接位置调整单元9、运动单元2、电磁感应加热单元5和锤击单元3的输入端。
运动单元2可以是机械臂，可以是滑轨组成的三维运动机构，也可以是其他形式的能够实现三维运动的装置和结构；本优选实例中，以滑轨为例进行说明，运动单元2包括相互垂直X、Y和Z轴滑轨；X轴滑轨固定在基座单元1上，与X轴滑轨滑动配合的X轴滑块上固定设置Y轴滑轨，与Y轴滑轨滑动配合的Y轴滑块上固定设置Z轴滑轨，与Z轴滑轨滑动配合的Z轴滑块上固定设置执行单元。电磁感应加热单元5、红外温度检测单元4和锤击单元3都固定在连接板10上，连接板10与运动单元2相连，可随运动单元2到达不同强化位置。具体的，Z轴滑块上固定有竖直设置的连接板10，连接板10从上到下分别水平设置有第一U型连接架和第二U型连接架，第一U型连接架上分别固定设置红外温度检测单元4和电磁感应加热单元5，第二U型连接架上固定设置锤击单元3。锤击单元3、红外温度检测单元4和电磁感应加热单元5均设置在同一水平方向上，且沿远离连接板10的方向依次布置。
当打印复杂零件时，运动单元2通过与位置调整单元9相配合，可以实现对不同形状不同尺寸的成形件进行锤击作业，达到提高成形件性能的目的。位置调整单元9采用旋转工作台、回转工作台、数控回转工作台、光学转台、数显转台和超精密端面齿盘转台等能够实现平面转动的装置或机构。
红外温度检测单元4，采用的是非接触式红外测温方式，可迅速获取金属表面的温度值，并传递给控制单元6，它通过夹具固定在运动单元2上；本优选实例中，通过螺栓固定在连接板10上，从而与运动单元2连接；
红外感应加热单元5与红外温度检测单元4一同固定在运动单元2上，本优选实例中，通过螺栓固定在连接板10上，保持锤击区域温度处于预设值；加热单元5与红外温度检测单元4保持一定相对距离，使得红外温度检测单元4所测为感应加热线圈所加热位置处的温度，红外温度检测单元4将测温结果反馈给控制单元，控制单元根据设定温度值控制感应加热单元5的启停，以此保持锤击区域温度处于预设值。其预设值处于对应打印材料的再结晶温度区间内，以铝合金为例，其预设值设置为100℃～400℃中的任意值。
所述锤击单元3通过夹具固定在运动单元2上，锤击单元可以实现自身竖直方向往复运动，通过控制单元6控制锤击参数，进而完成锤击作业；本优选实例中，锤击单元3通过螺栓固定在连接板10上；所述锤击单元3的外壳固定在运动单元2的输出端，锤击单元3的输出端在竖直方向上往复运动。锤击单元3能够采用气锤或电磁锤，本优选实例中以气锤为例进行说明。
所述控制单元6连接运动单元2、红外温度检测单元4、感应加热单元5及锤击单元3；控制单元6可以采用工控机、工作站和上位机等等能够实现功能的控制装置；以下控制单元6的功能都能够通过现有的设备实现，其中控制单元能够采集红外温度检测单元中的温度传感信号并进行滤波处理，以及实时温度曲线显示；
根据采集的温度信号控制感应加热单元，将采集的温度与设定的阈值进行对比控制，当采集的温度值低于设定值时，感应加热单元开始工作，达到设定温度时，感应加热单元停止；
控制锤击单元对已成形区域进行锤击作业，通过调整锤击力数值、锤击移动速度等锤击参数可满足不同材料不同工艺模式的锤击需求；
控制运动单元通过对运动单元2的控制调整锤击单元3所处位置，以实现对成形件整体进行锤击作用。
本发明所述的方法，如图2所示，具体实施步骤如下：
步骤一：装置初始化，根据零件的三维模型进行切片分层处理，根据不同工艺模式规划打印路径，进而导入到机器人中通过打印头7实现每层堆积；
步骤二：在增材制造过程中，对运动单元位置进行调整；一层堆积完成后，通过调整运动单元将红外温度检测单元移动到测量位置，进行该位置温度检测，并将数据传递到控制单元，经过滤波处理，可通过计算机实时显示所测位置的温度曲线；
步骤三：控制单元根据采集的温度数据与预设值比较，如果当前温度低于预设值时，启动感应加热单元对该区域进行加热，直到温度到达预设值，感应加热单元停止工作，如果当前温度高于预设值时，感应加热单元不启动，直到当前位置温度与预设值相同时，控制单元调整运动单元位置，带动红外温度检测单元和感应加热单元移动到下一位置，而锤击单元将运动到已加热区域；
步骤四：控制单元控制锤击单元随着运动单元的移动对已成形面进行持续冲击作用；
步骤五：锤击单元对当前层各个位置都进行锤击作业，当运动单元无法保证锤击单元运动到预锤击位置时，可通过运动单元与位置调整单元配合实现；
步骤六：当前层锤击完成后，重复执行步骤二至步骤五，直至所设计的零件制造完成。
本发明使用电磁感应加热单元在锤击前对已成形工件进行局部加热；使用红外温度检测单元对加热部分进行测温，保持锤击时的温度处于预设值；使用锤击单元在每层打印结束后对处于预设温度的当前堆积层进行锤击作用。通过在预设温度下对成形件的锤击，可有效减少气孔率、裂纹，以及组织应力的释放，可显著提高成形件的力学性能，与常温锤击对比，减小了所需锤击力数值，可以满足不同金属材料通过锤击改善力学性能的要求。
本发明采用打印结束后进行锤击作用可以通过控制单元针对不同材料选用合适的锤击运动速度，而不是必须选择与打印头运动速度相同，避免了边打印边锤击时锤击装置与打印头运动速度相同造成俩者干涉的问题，打印结束后锤击具有更多的锤击参数设置灵活性。通过设置有红外温度检测单元和电磁感应加热单元，可以保证锤击区域温度处于预设值，不会出现因热累积、散热影响导致锤击效果差；采用打印结束后锤击可以根据强化需求改变单层锤击作用次数，从而解决了边打印边锤击的单层锤击次数固定无法调整的问题；并且边打印边锤击由于热积累影响，锤击温度不可控，在达到相同锤击作用效果下，边打印边锤击需要的经验数据更多，实验探索时间长，而打印结束后锤击可设定锤击区域温度，减少不确定因素，且锤击参数设置更灵活，其更具有优势。

Claims (10)

1.一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，包括位置调整单元(9)、运动单元(2)、基座单元(1)和控制单元(6)；
所述的位置调整单元(9)用于将工件(8)支撑在水平面上，并用于工件(8)在水平面上的转动控制；
所述的运动单元(2)设置在基座单元(1)上，运动单元(2)的输出端固定设置执行单元；所述的执行单元包括电磁感应加热单元(5)、红外温度检测单元(4)和锤击单元(3)，运动单元(2)用于执行单元在水平面方向和竖直方向上的运动控制，电磁感应加热单元(5)用于对工件(8)的局部进行设定温度的加热，红外温度检测单元(4)用于对工件(8)加热的局部进行温度检测，锤击单元(3)用于对工件(8)达到加热设定温度的局部进行锤击；
所述的控制单元(6)的输入端连接红外温度检测单元(4)的输出端，输出端分别连接位置调整单元(9)、运动单元(2)、电磁感应加热单元(5)和锤击单元(3)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，所述的运动单元(2)包括相互垂直X、Y和Z轴滑轨；X轴滑轨固定在基座单元(1)上，与X轴滑轨滑动配合的X轴滑块上固定设置Y轴滑轨，与Y轴滑轨滑动配合的Y轴滑块上固定设置Z轴滑轨，与Z轴滑轨滑动配合的Z轴滑块上固定设置执行单元。
3.根据权利要求2所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，Z轴滑块上固定有竖直设置的连接板(10)，连接板(10)从上到下分别水平设置有第一U型连接架和第二U型连接架，第一U型连接架上分别固定设置红外温度检测单元(4)和电磁感应加热单元(5)，第二U型连接架上固定设置锤击单元(3)。
4.根据权利要求3所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，锤击单元(3)、红外温度检测单元(4)和电磁感应加热单元(5)均设置在同一水平方向上，且沿远离连接板(10)的方向依次布置。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，所述红外温度检测单元(4)采用非接触式红外测温装置。
6.根据权利要求1所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，所述锤击单元(3)的外壳固定在运动单元(2)的输出端，锤击单元(3)的输出端在竖直方向上往复运动。
7.根据权利要求1所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的装置，其特征在于，所述锤击单元(3)采用气锤或电磁锤。
8.一种用于提高金属增材制造零件性能的方法，其特征在于，基于权利要求1-7任意一项所述的装置，包括如下步骤，
步骤一，在位置调整单元(9)通过金属增材制造的工艺对工件(8)进行逐层的堆积制备；
步骤二，每一层堆积完成后，通过控制单元(6)调整运动单元(2)将红外温度检测单元(4)移动到测量位置，进行该位置温度检测测量，并将数据传递到控制单元(6)；
步骤三，控制单元(6)根据采集的温度数据与预设值比较；
如果当前温度低于预设值时，启动电磁感应加热单元(5)对该区域进行加热，直到温度到达设定值，电磁感应加热单元(5)停止工作；
如果当前温度高于预设值时，电磁感应加热单元(5)不启动，直到当前位置温度与设定值相同时，控制单元(6)调整运动单元(2)带动红外温度检测单元(4)和电磁感应加热单元(5)移动到下一位置，且锤击单元(3)将运动到温度已到达设定值的工件(8)的位置区域；
步骤四，控制单元(6)控制锤击单元(3)随着运动单元(2)的移动，对当前层的已成形面上的全部位置依次进行冲击强化作用；
步骤五，当前层锤击完成后，重复执行步骤二至步骤四，直至所设计的工件(8)制造完成。
9.根据权利要求8所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的方法，其特征在于，锤击单元(3)对当前层各个位置依次进行锤击作业时，当运动单元无法保证锤击单元(2)运动到预锤击位置时，通过运动单元在水平方向和竖直方向上的运动控制以及位置调整单元在水平面方向的转动配合，实现锤击单元(2)运动到预锤击位置。
10.根据权利要求8所述的一种用于提高金属增材制造零件性能的方法，其特征在于，所述的温度预设值处于对应打印材料的再结晶温度区间内。
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