CN112008407A - 一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能*** - Google Patents

一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能*** Download PDF

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占小红
赵艳秋
王磊磊
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Abstract

本发明公开了一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，所述增减材一体化多功能***由控制***、机械加工***、激光加工***、可移动式工作平台、电弧加工***组成。所述机械加工***可以实现复杂零件的机械加工，所述激光加工***与电弧加工***可以实现复杂零件的焊接、增材与切割，具体方法如激光焊接、激光‑电弧复合焊接、激光填丝焊接、激光增材制造与激光切割等。本发明集成传统机械加工与先进激光制造技术，能够兼容复杂零件的多工艺制造需求，简化制造工艺流程，降低生产周期，实现复杂零件的高效制造。

Description

一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能 ***
技术领域
本发明涉及一种增减材一体化多功能***，具体涉及一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***。
背景技术
复杂零件的生产需要多个加工环节，往往涉及到大量的机械加工手段与制造技术，传统的机械加工包括车、铣、刨、磨、钻等，是复杂零件预处理的基本手段，传统的制造技术主要包括电弧焊接、线切割等等。传统加工过程中往往需要多个工位、进行多次装夹，因而效率低下。在实际工业生产中，如果能合并必要的加工环节，简化产品的制造工艺流程，则可以有效降低产品的生产周期。
另一方面，激光作为一种方向性好、能量密度高的热源，可以有效应用于复杂零件的焊接、增材与切割。以激光为主要热源的制造技术包括激光焊接、激光填丝焊接、激光-电弧复合焊接、激光增材制造、激光填丝增材制造及激光切割等等。如若能够在简化制造工艺流程的基础上，进一步引入先进的激光制造技术，则可进一步提高产品的生产质量与效率。
本发明集成传统机械加工与多种先进激光制造技术，能够兼容复杂零件的多工艺制造需求，简化制造工艺流程，降低生产周期，实现复杂零件的高效制造，且自动化程度高。
发明内容
为了简化复杂零件的制造工艺流程，降低产品的生产周期，本发明提供一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，能够根据生产需求，实现机械加工与激光制造的自动切换。
本发明的采用以下技术方案：
一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，包括控制***、机械加工***、激光加工***、可移动式工作平台及电弧加工***，所述控制***包括控制器、连接线、控制柜及龙门架，所述机械加工***、激光加工***、可移动式工作平台及电弧加工***均由控制***中的控制器统一操控。
进一步，所述机械加工***包括电动升降柱、机械加工控制装置、水冷头、刀具、主轴、机械加工控制装置安装板及待用刀具安装轴，机械加工***通过机械加工装置安装板固定于龙门架上，机械加工控制装置通过电动升降柱实现升降移动，水冷头、刀具及主轴均安装于机械加工控制装置上。
进一步，所述激光加工***包括激光加工控制装置、激光焊接头、激光加工机械臂、激光熔覆头、激光束、激光切割头、激光加工控制装置安装板、光纤及激光器，激光加工***通过激光加工控制装置安装板固定于龙门架上，控制器通过操控激光加工机械臂实现激光焊接头、激光熔覆头、激光切割头的自动切换，激光焊接头、激光熔覆头及激光切割头用于发射激光束。
进一步，所述可移动式工作平台包括可升降式平台、工作台底座、可移动式平台及待加工工件，待加工工件放置于可移动式工作平台上，控制器通过操控可升降式平台与可移动式平台实现待加工工件的定位。
进一步，所述的电弧加工***包括TIG热源、TIG送丝机、焊丝、TIG焊枪、导丝嘴、MIG焊枪、可伸缩式机械臂、MIG送丝机及MIG热源，TIG焊枪与MIG焊枪通过可伸缩式机械臂共同安装于激光加工控制装置，控制器通过操控可伸缩式机械臂实现TIG焊枪、MIG焊枪工作状态与非工作状态的自动切换。
进一步，所述机械加工控制装置上有8个环形阵列分布的待用刀具安装轴，控制器通过操控机械加工控制装置，实现不同刀具的自动切换。
进一步，所述激光加工控制装置上安装了五个热源输出装置，分别为激光焊接头、激光熔覆头、激光切割头、TIG焊枪、MIG焊枪，呈左右对称的五边形分布，其中，激光焊接头、激光熔覆头与激光切割头呈直角三角形分布，由控制器操控，可沿直径方向移动至激光加工控制装置的中心工作区域，并安装于激光加工机械臂上。
进一步，所述激光加工机械臂与可伸缩式机械臂均为二轴式机械臂，可调节激光焊接头、激光熔覆头、激光切割头、TIG焊枪、MIG焊枪的热源输出角度。
本发明有益效果为：
本发明集成了传统机械加工与多种先进激光制造技术，将不同的机械加工刀具、激光焊接头、激光熔覆头、激光切割头、TIG焊枪及MIG焊枪集合为一个整体，能够实现机械加工、激光焊接、激光填丝焊接、激光-电弧复合焊接、激光增材制造、激光填丝增材制造及激光切割等功能的自动切换。该发明可有效兼容复杂零件的多工艺制造需求，自动化程度高，特别适用于制造工艺流程繁琐的复杂结构。此外，该发明可根据复杂零件的工艺需求，调整加工过程，灵活应用于多种复杂零件的生产制造中。
附图说明
图1是本发明一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的激光-MIG复合焊接示意图；
图3是本发明一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***的机械加工控制装置示意图；
图4是本发明一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***的激光加工与电弧加工控制装置示意图。
图中，
1-控制***；11控制器；12-连接线；13-控制柜；14-龙门架；
2-机械加工***；21-电动升降柱；22-机械加工控制装置；23-水冷头；24-刀具；25-主轴；26-机械加工装置安装板；27-待用刀具安装轴；
3-激光加工***；31-激光加工控制装置；32-激光焊接头；33-激光加工机械臂；34-激光熔覆头；35-激光束；36-激光切割头；37-激光加工控制装置安装板；38-光纤；39-激光器；
4-可移动式工作平台；41-可升降式平台；42-工作台底座；43-可移动式平台；44-待加工工件；
5-电弧加工***；51-TIG热源；52-TIG送丝机；53-焊丝；54-TIG焊枪；55-导丝嘴；56-MIG焊枪；57-可伸缩式机械臂；58-MIG送丝机；59-MIG热源；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
请参照图1与图2所示，本发明一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***包括控制***1、机械加工***2、激光加工***3、可移动式工作平台4及电弧加工***5，其中，机械加工***2、激光加工***3、可移动式工作平台4及电弧加工***5均由控制***1中的控制器11统一操控。机械加工***2、激光加工***3及电弧加工***5分别通过机械加工装置安装板26与激光加工控制装置安装板37固定于龙门架上。
具体地，机械加工***2包括电动升降柱21、机械加工控制装置22、水冷头23、刀具24、主轴25、机械加工控制装置安装板26及待用刀具安装轴27。机械加工控制装置22上安装了8个环形阵列分布的待用刀具安装轴27，用于安装不同的刀具24，其分布位置如图3所示。由控制器11操控机械加工控制装置22，可实现不同刀具24的自动切换，完成车、铣、刨、磨、钻等机械加工操作。
具体地，激光加工***3包括激光加工控制装置31、激光焊接头32、激光加工机械臂33、激光熔覆头34、激光束35、激光切割头36、激光加工控制装置安装板37、光纤38及激光器39，电弧加工***5包括TIG热源51、TIG送丝机52、焊丝53、TIG焊枪54、导丝嘴55、MIG焊枪56、可伸缩式机械臂57、MIG送丝机58及MIG热源59。激光加工***3与电弧加工***5中，激光加工控制装置31上安装了五个热源输出装置，分别为激光焊接头32、激光熔覆头34、激光切割头36、TIG焊枪54、MIG焊枪56，其分布位置如图4所示。由控制器11操控激光加工机械臂33，可实现激光焊接头32、激光熔覆头34、激光切割头36的自动切换。由控制器11操控可伸缩式机械臂57，可实现TIG焊枪54、MIG焊枪56的工作状态与非工作状态的自动切换。通过激光焊接头32、激光熔覆头34、激光切割头36、TIG焊枪54、MIG焊枪56的自动切换，完成激光焊接、激光填丝焊接、激光-电弧复合焊接、激光增材制造、激光填丝增材制造及激光切割等操作。
优选地，可通过激光加工机械臂33与可伸缩式机械臂57调节热源输出角度。
具体地，可移动式工作平台4包括可升降式平台41、工作台底座42、可移动式平台43及待加工工件44。机械加工与激光制造过程中，待加工工件44的移动通过可移动式工作平台4实现，由控制器11操控。
以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
具体地，待加工工件44为钛合金平板结构，尺寸为200mm×200mm×6mm。机械加工刀具24选用铣刀。激光器39选用使用功率为10KW的光纤激光器。MIG热源59选用型号为TPS5000的福尼斯焊机。
本次实例是通过一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***对待加工工件进行激光切割、机械加工、激光-MIG复合焊接与激光增材制造。具体实施工艺如下：
具体地，将钛合金平板固定于可移动式平台43上，可移动式平台43将钛合金平板移动至激光加工区域。激光切割头36沿着激光加工控制装置31的直径方向移动至中心工作区域，并安装于激光加工机械臂33上。由激光切割头36发射激光束35，可移动式平台43移动待加工工件44，实现钛合金平板的激光切割，切割完成后激光切割头36回到非工作区域。
可选地，激光器的输出功率设置为5KW，可移动式平台43的移动速度设置为1m/min，移动方向为x轴方向，切割为两块尺寸为100mm×200mm×6mm的平板。
具体地，可移动式平台43将钛合金平板移动至机械加工区域，电动升降柱21将机械加工控制装置22移动至指定工作区域，机械加工控制装置22将主轴25上的刀具24切换为铣刀，通过主轴25高速旋转铣刀完成钛合金平板的坡口加工，加工过程中，水冷头23喷出冷却水。机械加工完毕，水冷头23也随之关闭，机械加工控制装置22回复到非工作区域。
可选地，加工后的坡口形式为Y型坡口，坡口角度为15°，钝边为1mm。
具体地，可移动式平台43再次将钛合金平板移动至激光加工区域，激光焊接头32沿着激光加工控制装置31的直径方向移动至中心工作区域，并安装于激光加工机械臂33上，激光焊接头32随激光加工机械臂33下降。控制器11操控电弧加工***5，安装着MIG焊枪54的可伸缩式机械臂57向下移动至待工作区域。由激光焊接头32与MIG焊枪实现钛合金的激光-MIG复合焊接，如图2所示。激光-MIG复合焊接完成后，激光焊接头与MIG焊枪回到非工作区域。
可选地，激光加工机械臂33转动，将激光与工件的角度调整为80°。可伸缩式机械臂57转动，将焊枪与工件的角度调整为50°。激光器39的输出功率设置为4KW，MIG热源的电流设置为200A，送丝速度设置为8m/min，可移动式平台43的移动速度设置为2m/min，移动方向为x轴方向，保护气为氩气(未标出)。
具体地，激光熔覆头34沿着激光加工控制装置31的直径方向移动至中心工作区域，并安装于激光加工机械臂33上，激光熔覆头34随激光加工机械臂33下降，作用位置为激光-MIG复合焊接接头的焊趾处。由激光熔覆头34发射激光束39实现焊缝焊趾处的激光增材制造。
可选地，激光器39的输出功率设置为4KW，送粉速度为20g/min，可移动式平台43的移动速度设置为2m/min，移动方向为-x轴方向。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于：包括控制***(1)、机械加工***(2)、激光加工***(3)、可移动式工作平台(4)及电弧加工***(5)，所述控制***(1)包括控制器(11)、连接线(12)、控制柜(13)及龙门架(14)，所述机械加工***(2)、激光加工***(3)、可移动式工作平台(4)及电弧加工***(5)均由控制***(1)中的控制器(11)统一操控。
2.如权利要求1所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述机械加工***(2)包括电动升降柱(21)、机械加工控制装置(22)、水冷头(23)、刀具(24)、主轴(25)及机械加工控制装置安装板(26)及待用刀具安装轴(27)，机械加工***(2)通过机械加工装置安装板(26)固定于龙门架(14)上，机械加工控制装置(22)通过电动升降柱(21)实现升降移动，水冷头(23)、刀具(24)及主轴(25)均安装于机械加工控制装置(22)上。
3.如权利要求1所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述激光加工***(3)包括激光加工控制装置(31)、激光焊接头(32)、激光加工机械臂(33)、激光熔覆头(34)、激光束(35)、激光切割头(36)、激光加工控制装置安装板(37)、光纤(38)及激光器(39)，激光加工***(3)通过激光加工控制装置安装板(37)固定于龙门架(14)上，控制器(11)通过操控激光加工机械臂(33)实现激光焊接头(32)、激光熔覆头(34)、激光切割头(36)的自动切换，激光焊接头(32)、激光熔覆头(34)及激光切割头(36)用于发射激光束(35)。
4.如权利要求1所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述可移动式工作平台(4)包括可升降式平台(41)、工作台底座(42)、可移动式平台(43)及待加工工件(44)，待加工工件(44)放置于可移动式工作平台(4)上，控制器(11)通过操控可升降式平台(41)与可移动式平台(43)实现待加工工件(44)的定位。
5.如权利要求1所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述的电弧加工***(5)包括TIG热源(51)、TIG送丝机(52)、焊丝(53)、TIG焊枪(54)、导丝嘴(55)、MIG焊枪(56)、可伸缩式机械臂(57)、MIG送丝机(58)及MIG热源(59)，TIG焊枪(54)与MIG焊枪(56)通过可伸缩式机械臂(57)共同安装于激光加工控制装置(31)，控制器(11)通过操控可伸缩式机械臂(57)实现TIG焊枪(54)、MIG焊枪(56)工作状态与非工作状态的自动切换。
6.如权利要求2所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述机械加工控制装置(22)上有8个环形阵列分布的待用刀具安装轴(27)，控制器(11)通过操控机械加工控制装置(22)，实现不同刀具(24)的自动切换。
7.如权利要求4所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述激光加工控制装置(31)上安装了五个热源输出装置，分别为激光焊接头(32)、激光熔覆头(34)、激光切割头(36)、TIG焊枪(54)、MIG焊枪(56)，呈左右对称的五边形分布，其中，激光焊接头(32)、激光熔覆头(34)与激光切割头(36)呈直角三角形分布，由控制器(11)操控，可沿直径方向移动至激光加工控制装置(31)的中心工作区域，并安装于激光加工机械臂(33)上。
8.如权利要求4与6所述的一种基于机械加工与激光制造耦合的增减材一体化多功能***，其特征在于，所述激光加工机械臂(33)与可伸缩式机械臂(57)均为二轴式机械臂，可调节激光焊接头(32)、激光熔覆头(34)、激光切割头(36)、TIG焊枪(54)、MIG焊枪(56)的热源输出角度。
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