CN113275737A - 一种激光辅助增减材复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光辅助增减材复合加工装置及方法，该装置包括：架体、激光辅助增材制造组件和减材切削组件，激光辅助增材制造组件包括激光头和送丝喷嘴，激光头的侧面设有竖直方向的第一导轨，送丝喷嘴设在激光头的末端，适于将焊丝送至增材制造激光源的激光焦点处；架体包括支座和支架，支架与激光头平行设置，支架的侧面设有适于与第一导轨相配合的第一运动单元，第一运动单元与第一导轨滑动设置，以调整激光头相对支架沿竖直方向运动，支架垂直设在支座上，支架和支座滑动连接，以调整支座与激光头的间距；减材切削组件包括铣削刀具，铣削刀具与激光头平行设置，并设在支座远离支架的一侧上。该装置结构紧凑、制造成本低，适于现场作业。

Description

一种激光辅助增减材复合加工装置及方法

技术领域

本发明涉及金属零件增减材制造技术领域，具体而言，涉及一种激光辅助增减材复合加工装置及方法。

背景技术

传统的减材制造方法渐渐无法满足近年来工业领域高端零件设计与快速制造越来越迫切的需求。近年来，兴起的增材制造技术由于其一系列优点，例如快速、灵活、节省成本等，很好地弥补了传统制造方法的不足，适合复杂零件的快速制造。

与选区激光熔化金属3D打印(SLM)技术相比较，激光辅助增材制造(LAAM)技术尤其适用于对大尺寸金属零件的制造及修复过程。为了更好地适应对具有复杂结构金属零件或冲压模具精密、高效制造和修复的市场需求，解决激光增材制造之后减材刀具不可达的现实难题，将激光辅助增材制造技术与传统减材技术相结合而提出的激光辅助增减材复合制造技术已然成为了行业研究和产品研发的热点。通过增材和减材的结合，成形零件的表面粗糙度和成形精度都能够在减材过程中得到保证，复杂零件的中空部位和内孔可以通过成形过程中的减材切削来加工，避免了纯增材制造方法中难以去除的支撑结构，极大地提高了制造效率和加工质量。

目前，激光增减材复合制造平台设计中，主要采用两个或多个工业机器人分别完成激光增材和机械减材工序能够充分发挥机器人柔性加工的特点，凭借其在自由度和可达性上的优势更适于对大型复杂结构金属零件的制造。然而，采用多个机器人将显著增加设备的制造成本，多个机器人协调配合也使路径规划和坐标系设置更加复杂。虽然也可以采用单机器人与龙门机床相配合以避免多机器人协调配合的难题，但是硕大的龙门机床将显著增加设备的占地面积，也无法实现现场作业。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中激光增减材复合制造平台的制造成本高，占地面积大，难以现场作业中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供一种激光辅助增减材复合加工装置，包括：架体、激光辅助增材制造组件和减材切削组件，其中，

所述激光辅助增材制造组件包括激光头和送丝喷嘴，所述激光头的侧面设置有竖直方向的第一导轨，所述送丝喷嘴设置在所述激光头的末端，并适于将焊丝送至增材制造激光源的激光焦点处；

所述架体包括支座和支架，所述支架与所述激光头平行设置，且所述支架的侧面设置有适于与所述第一导轨相配合的第一运动单元，所述第一运动单元与所述第一导轨滑动设置，以调整所述激光头相对支架沿竖直方向运动，所述支架垂直设置在所述支座上，且所述支架和所述支座滑动连接，以调整所述支座与所述激光头的间距；

所述减材切削组件包括铣削刀具，所述铣削刀具与所述激光头平行设置，并设置在所述支座远离所述支架的一侧上。

优选地，所述支座靠近所述支架的一侧设置有第二导轨，所述支架上设置有与所述第二导轨相配合的第二运动单元，所述支架远离所述支座的一侧设置有适于与机械手连接的连接座。

优选地，所述支架的侧面还设置有调节钮，所述调节钮包括第一调节钮和第二调节钮，所述第一调节钮适于调整所述激光头相对所述支架沿竖直方向运动，所述第二调节钮适于调整所述支座与所述激光头的间距。

优选地，所述支架的侧面还设置有吸尘管和吸尘管座，所述吸尘管和所述吸尘管座设置在与所述调节钮相对的侧面上，且所述吸尘管的管口朝向所述铣削刀具设置，所述吸尘管的管尾适于与工业吸尘器相连，所述吸尘管通过螺钉固定在所述吸尘管座上。

优选地，所述激光辅助增减材复合加工装置还包括紧固组件，所述支架和所述支座的连接处以及所述支架和所述激光头的连接处均设置有两组所述紧固组件。

优选地，所述支架和所述支座的连接处以及所述支架和所述激光头的连接处均开设有适于容纳所述紧固组件的凹槽，所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，其中，

所述支架上开设所述第一凹槽，所述第一凹槽的截面形状呈倒“凹”字形；

所述支座和所述激光头上均开设两个所述第二凹槽，两个所述第二凹槽对称设置在所述第一导轨或所述第二导轨的两侧，且两个所述第二凹槽均一端与所述第一凹槽连通，两个所述第二凹槽另一端均向远离所述第一导轨或所述第二导轨的方向延伸形成延伸部，使所述第二凹槽远离所述第一凹槽一侧的宽度大于所述第二凹槽靠近所述第一凹槽一侧的宽度；

所述第一凹槽和所述第二凹槽连通配合形成所述凹槽。

优选地，每组所述紧固组件均包括紧固螺栓和紧固夹块，其中，

所述紧固夹块的截面形状呈“L”形，两个所述紧固夹块对称设置在所述凹槽内，每个所述紧固夹块宽度较大的一侧设置在所述第二凹槽内，每个所述紧固夹块另一端均设置在所述第一凹槽内；

所述紧固螺栓穿过设置在所述第一凹槽部分的两个所述紧固夹块并穿设于所述支架中，且所述紧固螺栓与所述紧固夹块螺纹连接，以调整两个所述紧固夹块相向运动。

与现有技术相比，本发明所述的激光辅助增减材复合加工装置，将激光辅助增材制造与机械减材相结合，极大地提高了制造效率和加工质量，且该装置结构紧凑，体积小巧，节省了加工空间，降低了设备的制造成本；此外，该装置通过调节激光头与支座之间的竖直距离或水平距离，从而调节激光头与铣削刀具之间的竖直距离或者水平距离，进而调节激光焦点与铣削刀具之间的竖直距离或水平距离，能同时满足对铣削深度和激光焦距的不同要求，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，且该装置将送丝喷嘴设置在激光头的末端，焊丝与激光焦点同步运动，能实现360°全方位运动，适用范围更广。

本发明还提供一种激光辅助增减材的复合加工方法，基于如上任一项所述的激光辅助增减材复合加工装置，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动铣削刀具对所述待加工工件的表面进行铣削加工，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头使激光焦点照射所述待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝喷嘴使焊丝均匀送至所述待加工工件已铣削加工区域的熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复所述步骤S2至所述步骤S3，或者重复所述步骤S1至所述步骤S3，直至得到预定的工件，对所述预定的工件进行精加工，得到工件。

优选地，还包括：

打开工业吸尘器，使吸尘管及时吸除所述铣削加工过程中的碎屑；

在所述启动铣削刀具之前，还包括：

设定所述待加工工件的加工参数后，拧紧紧固组件，使支架和支座以及支架和激光头锁紧。

优选地，所述步骤S4包括：

若在所述待加工工件的表面增材制造多层金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复所述步骤S2至所述步骤S3；

若在所述待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复所述步骤S1至所述步骤S3。

与现有技术相比，本发明所述的激光辅助增减材的复合加工方法，能调整激光焦点与铣削刀具之间的竖直距离和水平距离，能同时满足待加工工件对铣削深度和激光焦距的不同要求，此外，在增材制造之前对待加工工件的表面进行铣削加工，一方面，能清除待加工工件表面的缺陷、氧化物以及污渍等，能有效改善增材制造层的宏微观成形，避免形成裂纹、夹杂等缺陷，有利于提高增材制造层质量；另一方面，铣削刀具在铣削加工的过程中将机械能转换成金属内能，能起到对待增材制造区域的预热处理作用，有利于优化增材制造金属原料的热循环曲线，细化晶粒，抑制增材制造层裂纹的形成；该复合加工方法，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，尤其适用于对冲压模具中凸模和冲头等易损关键零部件的现场精密高效修复，并且在保证了加工精度和质量的前提下，也进一步降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例中激光辅助增减材复合加工装置的主视示意图；

图2为本发明实施例中激光辅助增减材复合加工装置的后视示意图；

图3为本发明实施例中激光辅助增减材复合加工装置的仰视示意图；

图4为本发明实施例中激光辅助增减材复合加工装置的局部剖视示意图；

图5为本发明实施例中激光辅助增减材的复合加工方法的工艺流程图；

图6为本发明实施例中激光辅助增减材复合加工装置的局部示意图。

附图标记说明：

1-架体；2-激光辅助增材制造组件；3-减材切削组件；4-紧固组件；5-凹槽；6-机械手；

11-支座；12-支架；21-激光头；22-送丝喷嘴；31-铣削刀具；32-驱动电机；41-紧固螺栓；42-紧固夹块；51-第一凹槽；52-第二凹槽；

121-调节钮；122-吸尘管；123-吸尘管座；321-步进电机；322-传动箱；521-延伸部。

具体实施方式

目前，激光增减材复合制造平台设计中，主要采用两个或多个工业机器人分别与激光增材加工装置和机械减材加工装置配合，以完成激光增材和机械减材工序，能够充分发挥机器人柔性加工的特点，凭借其在自由度和可达性上的优势更适于对大型复杂结构金属零件的制造。然而，采用多个机器人将显著增加设备的制造成本，多个机器人协调配合也使路径规划和坐标系设置更加复杂；虽然也可以采用单机器人与龙门机床相配合以避免多机器人协调配合的难题，但是硕大的龙门机床将显著增加设备的占地面积，也无法实现现场作业。此外，现有的某些激光增减材复合制造平台设计中，需要采用额外的激光模块实现对零件表面的预热，但是额外的激光预热模块将增加设备的制造成本，各激光模块与减材切削模块的相对位置也无法调节。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种激光辅助增减材复合加工装置和复合加工方法，该装置体积小巧，节省加工空间，仅需与单台工业机器人配合使用，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复；该复合加工方法在保证了加工精度和性能的前提下降低了制造成本。

下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，术语“一些优选实施例中”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个优选实施例或优选示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

结合图1-3所示，本发明的实施例提供了一种激光辅助增减材复合加工装置，包括：架体1、激光辅助增材制造组件2和减材切削组件3，其中，

激光辅助增材制造组件2包括激光头21和送丝喷嘴22，激光头21的侧面设置有竖直方向的第一导轨，送丝喷嘴22设置在激光头21的末端，并适于将焊丝送至增材制造激光源的激光焦点处；

架体1包括支座11和支架12，支架12与激光头21平行设置，且支架12的侧面设置有适于与第一导轨相配合的第一运动单元，第一运动单元与第一导轨滑动设置，以调整激光头21相对支架12沿竖直方向运动，支架12垂直设置在支座11上，且支架12和支座11滑动连接，以调整支座11与激光头21的间距；

减材切削组件3包括铣削刀具31，所述铣削刀具31与所述激光头21平行设置，并设置在所述支座11远离所述支架12的一侧上。

本实施例提供的激光辅助增减材复合加工装置将激光辅助增材制造与机械减材相结合，极大地提高了制造效率和加工质量，且该装置结构紧凑，体积小巧，节省了加工空间，降低了设备的制造成本；该装置通过调节激光头与支座之间的竖直距离或水平距离，从而调节激光头与铣削刀具之间的竖直距离或者水平距离，进而调节激光焦点与铣削刀具之间的竖直距离或水平距离，能同时满足对铣削深度和激光焦距的不同要求，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，在保证加工精度和性能的前提下进一步降低了成本，且该装置将送丝喷嘴设置在激光头的末端，焊丝与激光焦点同步运动，能实现360°全方位运动，适用范围更广。需要说明的是，支架12与激光头21平行设置指的是支架12的长度方向和激光头21的长度方向平行设置，铣削刀具31与激光头21平行设置指的是铣削刀具31的轴向与激光头21的长度方向平行。

其中，为了便于使支架12和支座11滑动连接，在一些优选实施例中，支座11靠近支架12的一侧设置有第二导轨，支架12上设置有与第二导轨相配合的第二运动单元，以使支架12和支座11滑动连接。

需要说明的是，本发明的实施例对第一导轨、第二导轨以及第一运动单元和第二运动单元的具体种类不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能实现第一运动单元和第一导轨滑动连接，以及第二运动单元和第二导轨滑动连接即可，例如：第一导轨和第二导轨可以为滑轨，第一运动单元和第二运动单元可以为滑块，或者，第一导轨和第二导轨可以为齿形导轨，第一运动单元和第二运动单元可以为齿轮。

在本实施例中，支架12远离支座11的一侧还设置有适于与机械手6连接的连接座。由此，利用机械手6响应迅速，灵活度高的优势，快速对待加工工件进行激光增材制造和铣削加工，且该装置仅需与单个机械手配合使用，就可以对待加工工件进行加工，进一步降低了设备的制造成本，也避免了多个工业机器手难以协调配合的问题。

在本实施例中，为了便于调节激光头21相对支架12沿竖直方向运动，以及调整支座11与激光头21的间距，支架12的侧面还设置有调节钮121，调节钮121包括第一调节钮和第二调节钮，第一调节钮适于调整激光头21相对支架12沿竖直方向运动，第二调节钮适于调整支座11与激光头21的间距。由此，通过调节第二调节钮以带动支座11沿水平方向运动，从而调整铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁，或者，通过调节第一调节钮以使激光头21相对支架12沿竖直方向运动，从而调整铣削深度和激光焦点O与待加工工件表面的距离L₂。

在本实施例中，减材切削组件3还包括驱动电机32，驱动电机32的输出转轴与铣削刀具31连接，以驱动铣削刀具31铣削加工。

需要说明的是，本实施例中对驱动电机32不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，只要驱动电机32能驱动铣削刀具31铣削加工即可。在一些优选实施例中，驱动电机32包括步进电机321和传动箱322，其中，步进电机321与支架12平行并垂直设置在支座11上，以进一步减小激光辅助增减材复合加工装置的体积，节省加工空间，传动箱322设置在支座11和铣削刀具31之间，且传动箱322的输出转轴与铣削刀具31连接，步进电机321驱动传动箱322的输出转轴转动，从而驱动铣削刀具31转动。

更优选地，铣削刀具31与传动箱322可拆卸连接，以便于在铣削刀具31损坏时更换铣削刀具31或者更换铣削刀具31的种类。

在一些优选实施例中，支架12的侧面还设置有吸尘管122，吸尘管122设置在与调节钮121相对的侧面上，且吸尘管122的管口朝向铣削刀具31设置，吸尘管122的管尾适于与工业吸尘器相连。由此，在激光辅助增减材复合加工的过程中运行，以及时吸除碎屑，清洁加工表面，能够有效避免氧化严重的碎屑重新进入熔池而形成裂纹，同时也避免了碎屑搅入铣削刀具31与金属间缝隙而影响减材加工过程，有利于延长铣削刀具31的工作寿命。

结合图2所示，在一些优选实施例中，与调节钮121相对的侧面上还设置有吸尘管座123，以固定吸尘管122。由此，能防止吸尘管122的位置偏移，从而能更好的吸除碎屑。

在一些可选实施例中，吸尘管122通过螺钉固定在吸尘管座123上，由此，通过拧紧或松开螺钉以及时调整吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂。

在一些优选实施例中，该激光辅助增减材复合加工装置还包括紧固组件4，支架12和支座11连接处以及支架12和激光头21连接处均设置有紧固组件4。由此，能避免在增减材复合加工的过程中，支架12与支座11、激光头21之间发生相对滑动，从而影响加工精度。

为了更好地锁紧支架12和支座11以及支架12和激光头21，保持增减材复合加工过程中的稳定性，并进一步保证加工精度，支架12和支座11连接处以及支架12和激光头21连接处均设置有两组紧固组件4。

需要说明的是，支架12和支座11连接处的紧固组件4与支架12和激光头21连接处的紧固组件4相同，也采用相同的方式设置在支架12和支座11连接处，以及支架12和激光头21连接处。为了便于容纳紧固组件4，在支架12和支座11连接处以及支架12和激光头21连接处均开设有适于容纳紧固组件4的凹槽5。

以下结合图4对紧固组件4在支架12和支座11连接处的设置，以及支架12和激光头21连接处的设置进行示例性地进行说明。

如图4所示，在支架12和支座11连接处开设有适于容纳紧固组件4的凹槽5，凹槽5包括第一凹槽51和第二凹槽52，其中，

支架12上开设第一凹槽51，第一凹槽51的截面形状呈倒“凹”字形，第一凹槽51的中间位置适于设置第二导轨和第二运动单元；

支座11上开设两个第二凹槽52，两个第二凹槽52对称设置在第二导轨的两侧，且两个第二凹槽52均一端与第一凹槽51连通，两个第二凹槽52另一端均向远离第二导轨的方向延伸形成延伸部521，使第二凹槽52远离第一凹槽51一侧的宽度大于第二凹槽52靠近第一凹槽51一侧的宽度；

第一凹槽51和第二凹槽52连通配合形成凹槽5。

需要说明的是，支架12和激光头21的连接处也开设有适于容纳紧固组件4的凹槽5，且支架12上也开设第一凹槽51，激光头21上也开设有两个第二凹槽52，且两个第二凹槽52对称设置在第一导轨的两侧，且两个第二凹槽52另一端均向远离第一导轨的方向延伸形成延伸部521，即支架12和激光头21连接处的第一凹槽51和第二凹槽52的连接与设置均与支架12和支座11连接处的第一凹槽51和第二凹槽52的连接和设置相同，本实施例不再赘述。

本实施例中，每组紧固组件4均相同，且每组紧固组件4均包括紧固螺栓41和紧固夹块42，其中，

紧固夹块42的截面形状呈“L”形，两个紧固夹块42对称设置在凹槽5内，每个紧固夹块42宽度较大的一侧设置在第二凹槽52内，每个紧固夹块42另一端均设置在第一凹槽51内，即截面形状呈“L”形的紧固夹块42的底部设置在第二凹槽52内，顶部设置在第一凹槽51内；

紧固螺栓41穿过设置在第一凹槽51部分的两个紧固夹块42并穿设于支架12中。

在本实施例中，紧固螺栓41与紧固夹块42螺纹连接，以调整两个紧固夹块42相向运动。具体地，可以将两个紧固夹块42的螺纹设置成相同的方向，但与两个紧固夹块42相连的紧固螺栓41的螺纹设置成相反的方向，或者将两个紧固夹块42的螺纹设置成相反的方向，但与两个紧固夹块42相连的紧固螺栓41的螺纹设置成相同的方向。在一些优选实施例中，两个紧固夹块42的螺纹方向相反，与两个紧固夹块42相连的紧固螺栓41的螺纹方向相同，以更好地进行紧固调节。

由此，通过设置相配合的紧固夹块和凹槽，并通过旋转紧固螺栓带动相对设置的两个紧固夹块相向运动，从而使截面形状呈“L”形的紧固夹块在第二凹槽内运动，并靠近或远离延伸部，当紧固夹块进入凹槽的延伸部，或者紧固夹块与导轨和运动单元的两侧抵接时，支架和支座以及支架和激光头实现紧固作用而无法相对滑动，从而在调整好激光头与铣削刀具之间的竖直距离或者水平距离之后，能避免在增减材复合加工的过程中，支架与支座、激光头之间发生相对滑动，影响加工精度。

结合图5所示，本发明的实施例还提供了一种激光辅助增减材的复合加工方法，基于上述激光辅助增减材复合加工装置的复合加工方法，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动驱动铣削刀具31对待加工工件的表面进行铣削加工，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头21使激光焦点O照射待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝喷嘴22使焊丝均匀送至待加工工件已铣削加工区域的熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复步骤S2至步骤S3，或者重复步骤S1至步骤S3，直至得到预定的工件，对预定的工件进行精加工，得到工件。

本实施例提供的激光辅助增减材的复合加工方法，能调整激光焦点与铣削刀具之间的竖直距离和水平距离，能同时满足待加工工件对铣削深度和激光焦距的不同要求，此外，在增材制造之前对待加工工件的表面进行铣削加工，一方面，能清除待加工工件表面的缺陷、氧化物以及污渍等，能有效改善增材制造层的宏微观成形，避免形成裂纹、夹杂等缺陷，有利于提高增材制造层质量(例如：提高增材制造层的致密度、塑韧性和硬度水平等)；另一方面，铣削刀具在铣削加工的过程中将机械能转换成金属内能，能起到对待增材制造区域的预热处理作用，有利于优化增材制造金属原料的热循环曲线，细化晶粒，抑制增材制造层裂纹的形成。本实施例提供的激光辅助增减材的复合加工方法，易于实现对大型零件或模具的现场加工或修复，尤其适用于对冲压模具中凸模和冲头等易损关键零部件的现场精密高效修复，该复合加工方法在保证了加工精度和质量的前提下，也降低了制造成本。

需要说明的是，送丝喷嘴22将焊丝均匀送至待加工工件已铣削加工区域的熔池内，在激光辅助下使焊丝熔化，并在待加工工件已铣削加工区域的表面形成增材制造层。由此，焊丝随着激光焦点运动，受热更均匀，能有效抑制增材制造层裂纹的形成，形成的增材制造层中的元素也分布的更加均匀。

本实施例中，步骤S1中待加工工件的加工参数包括：铣削刀具31加工参数、激光参数、铣削刀具31与激光头21之间的相对位置参数、送丝参数，以及确定焊丝的化学成分，从而及时向送丝机中加入合适的焊丝，以使送丝喷嘴22向待加工工件已铣削加工区域的熔池送入合适的焊丝。

为了更详细的阐述待加工工件的加工参数，结合图6对待加工工件的加工参数进行说明，其中：

铣削刀具31加工参数包括铣削刀具31进给速度V₁、铣削刀具31转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂；

激光参数包括激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂、激光功率、激光移动速度，且激光移动速度与铣削刀具31的进给速度V₁相等；

铣削刀具31和激光头21之间的相对位置参数包括铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁；

送丝参数包括送丝速率和焊丝的截面直径。

需要说明的是，本领域的技术人员可以根据铣削表面粗糙度、激光熔池前部预热温度、激光进给速度、铣削刀具31刚度、待加工工件的硬度等因素确定铣削刀具31进给速度V₁和铣削刀具31转速V₂；根据铣削表面粗糙度、激光熔池前部预热温度、激光进给速度、铣削刀具31刚度、待加工工件的硬度、氧化物层的深度和激光辅助增材单层金属的厚度等因素确定铣削深度H₁；根据铣削碎屑最大直径确定吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂，以防止碎屑残留于吸尘管122下方的空隙；根据激光熔池宽度、激光熔池前部预热温度、增材金属熔点、增材金属微观组织等因素确定激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂、激光功率；根据激光熔池前部预热温度、以及由激光头21、支座11和传动箱322尺寸和装置结构共同导致的极限位置确定铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁，本发明的实施例对铣削刀具31进给速度V₁、铣削刀具31转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂、激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂、激光功率、铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁，以及送丝速率和焊丝的截面直径的具体数值不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据实际情况确定，例如：铣削刀具31进给速度V₁可以为0.05-1mm/s，铣削刀具31转速V₂可以为50-3000rpm，铣削深度H₁可以为0.1-1mm，吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂可以为0.2-2mm，激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂可以为0-5mm，激光功率可以为200-2000W，激光移动速度与铣削刀具31的进给速度V₁相等，铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁可以为30-150mm，送丝速率可以为0.1-10mm/s，焊丝的截面直径可以为0.2-1.5mm。

本实施例中，步骤S2中启动驱动电机32驱动铣削刀具31之前还包括：设定好待加工工件的加工参数后，拧紧紧固组件4，使支架12和支座11以及支架12和激光头21锁紧，以避免在增减材复合加工的过程中，支架12与支座11、激光头21之间发生相对滑动，影响加工精度。

本实施例中，步骤S2中在启动驱动电机32驱动铣削刀具31的同时还包括：打开工业吸尘器，使吸尘管122及时吸除铣削加工过程中的碎屑，避免氧化严重的碎屑重新进入熔池而形成裂纹，也避免碎屑搅入铣削刀具31与金属间缝隙而影响减材加工过程，有利于延长铣削刀具31的工作寿命。

需要说明的是，本发明的实施例对预设铣削深度不做进一步的限定，本领域的技术人员可以根据待加工工件的表面缺陷确定预设铣削深度，只要能保证将待加工工件的表面缺陷清除干净即可。铣削深度H₁可以等于预设铣削深度，以对待加工工件的表面缺陷进行一次彻底清理，铣削深度H₁可以也可以小于预设铣削深度，以对待加工工件的表面缺陷进行多次清理，直至将待加工工件的表面缺陷清理干净。

本实施例中，步骤S4中包括：若在待加工工件的表面增材制造多层金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复步骤S2至步骤S3；若在待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复步骤S1至步骤S3。

需要说明的是，若在待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成前一种金属增材制造之后，需要更换焊丝及粉末元素的成分，并及时调整铣削刀具31加工参数、激光参数、铣削刀具31与激光头21之间的相对位置参数和送丝参数，以保证增材制造梯度结构金属沉积组织有较好的质量。

其中，在完成第一层增材制造层之后，还包括：利用机械手6将激光辅助增减材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度。由此，以避免送丝喷嘴22与新形成待增材表面的相对距离(L₂值)发生变化，影响增材制造层的质量。

本实施例中，步骤S4中对预定的工件进行精加工包括：启动驱动电机32驱动铣削刀具31对预定的工件表面进行精密铣削加工。

对预定的工件表面进行精密铣削整形时，根据相应的金属及时调整铣削加工的加工参数。

为了对本发明进行进一步详细说明，下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。本发明中的实施例中所使用的方法如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

本实施例提供了一种基于激光辅助增减材复合加工装置，对待加工工件表面增材制造多层金属沉积组织的复合加工方法，具体包括如下步骤：

1.1、设定优化后的铣削刀具31加工参数：铣削刀具31进给速度V₁、铣削刀具31转速V₂、铣削深度H₁、吸尘管122底部与待加工工件表面的高度H₂；激光参数：激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂、激光功率、激光移动速度，且激光移动速度与铣削刀具31的进给速度V₁相等；铣削刀具31和激光头21之间的相对位置参数：铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁；送丝参数：送丝速率和焊丝的截面直径，并将优化后的加工参数输入控制程序，以及确定焊丝的化学成分，其中，通过调节第一调节钮调整激光头21相对支架12沿竖直方向运动，以调整铣削深度H₁、激光焦点O和待加工工件表面的距离L₂；通过调节第二调节按钮调整支座11与激光头21的间距，以调整铣削刀具31与激光焦点O的水平距离L₁；

1.2、调整好待加工工件的加工参数后，旋转紧固螺栓41，使紧固夹块42进入凹槽5的延伸部521，并拧紧紧固螺栓41，使支架12和支座11以及支架12和激光头21锁紧，启动驱动电机32驱动铣削刀具31对待加工工件的表面进行铣削加工，直至达到预设的铣削深度，将待加工工件表面的氧化物、缺陷和污渍等清除干净，在铣削加工的同时，打开工业吸尘器使吸尘管122及时吸除铣削加工过程中的碎屑；

1.3、启动激光头21使激光焦点O照射待加工工件已铣削加工区域以形成熔池，并启动送丝喷嘴22使焊丝均匀送至待加工工件已铣削加工区域的熔池内，对待加工工件已铣削加工区域进行激光辅助增材制造，并在待加工工件已铣削加工区域形成增材制造层；

1.4、完成第一层增材制造层之后，通过机械手6将激光辅助增减材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度，并重复步骤1.2至步骤1.3，直至得到预定的工件，程序关闭激光头21和送丝喷嘴22，启动驱动电机32驱动铣削刀具31对预定的工件表面进行精密铣削加工，得到工件，并关闭驱动电机32和工业吸尘器，松开紧固螺栓41。

实施例2

本实施例提供了一种基于激光辅助增减材复合加工装置，对待加工工件表面增材制造梯度结构金属沉积组织的复合加工方法，本实施例提供的加工方法与实施例1中的加工方法相同，区别在于最后一个步骤采用如下方法：

完成第一层增材制造层之后，通过机械手6将激光辅助增减材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度，并重复步骤1.1至步骤1.3，即在完成前一种金属增材制造之后，需要更换焊丝及粉末元素的成分，并及时调整铣削刀具31加工参数、激光参数、铣削刀具31与激光头21之间的相对位置参数和送丝参数，直至得到预定的工件，程序关闭激光头21和送丝喷嘴22，启动驱动电机32驱动铣削刀具31对预定的工件表面进行精密铣削加工，得到工件，并关闭驱动电机32和工业吸尘器，松开紧固螺栓41。

实施例3

本实施例还提供了一种基于激光辅助增减材复合加工装置对凸模或冲头表面的缺陷进行修复的复合加工方法，以解决凸模或冲头表面的裂纹、污渍等缺陷，本实施例提供的加工方法与实施例1中的加工方法相同，区别在于：待加工工件为凸模或冲头，以及最后一个步骤采用如下方法：

完成第一层增材制造层之后，通过机械手6将激光辅助增减材复合加工装置整体抬升一个沉积层平均高度，并重复步骤1.1至步骤1.3，即在完成前一种金属增材制造之后，需要更换焊丝及粉末元素的成分，并及时调整铣削刀具31加工参数、激光参数、铣削刀具31与激光头21之间的相对位置参数和送丝参数，直至得到预定的凸模或冲头，程序关闭激光头21和送丝喷嘴22，启动驱动电机32驱动铣削刀具31对预定的凸模或冲头表面进行精密铣削加工，得到凸模或冲头，并关闭驱动电机32和工业吸尘器，松开紧固螺栓41。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，包括：架体(1)、激光辅助增材制造组件(2)和减材切削组件(3)，其中，

所述激光辅助增材制造组件(2)包括激光头(21)和送丝喷嘴(22)，所述激光头(21)的侧面设置有竖直方向的第一导轨，所述送丝喷嘴(22)设置在所述激光头(21)的末端，并适于将焊丝送至增材制造激光源的激光焦点处；

所述架体(1)包括支座(11)和支架(12)，所述支架(12)与所述激光头(21)平行设置，且所述支架(12)的侧面设置有适于与所述第一导轨相配合的第一运动单元，所述第一运动单元与所述第一导轨滑动设置，以调整所述激光头(21)相对所述支架(12)沿竖直方向运动，所述支架(12)垂直设置在所述支座(11)上，且所述支架(12)和所述支座(11)滑动连接，以调整所述支座(11)与所述激光头(21)的间距；

所述减材切削组件(3)包括铣削刀具(31)，所述铣削刀具(31)与所述激光头(21)平行设置，并设置在所述支座(11)远离所述支架(12)的一侧上。

2.根据权利要求1所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，所述支座(11)靠近所述支架(12)的一侧设置有第二导轨，所述支架(12)上设置有与所述第二导轨相配合的第二运动单元，所述支架(12)远离所述支座(11)的一侧设置有适于与机械手(6)连接的连接座。

3.根据权利要求1所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，所述支架(12)的侧面还设置有调节钮(121)，所述调节钮(121)包括第一调节钮和第二调节钮，所述第一调节钮适于调整所述激光头(21)相对所述支架(12)沿竖直方向运动，所述第二调节钮适于调整所述支座(11)与所述激光头(21)的间距。

4.根据权利要求3所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，所述支架(12)的侧面还设置有吸尘管(122)和吸尘管座(123)，所述吸尘管(122)和所述吸尘管座(123)设置在与所述调节钮(121)相对的侧面上，且所述吸尘管(122)的管口朝向所述铣削刀具(31)设置，所述吸尘管(122)的管尾适于与工业吸尘器相连，所述吸尘管(122)通过螺钉固定在所述吸尘管座(123)上。

5.根据权利要求2所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，所述激光辅助增减材复合加工装置还包括紧固组件(4)，所述支架(12)和所述支座(11)的连接处以及所述支架(12)和所述激光头(21)的连接处均设置有两组所述紧固组件(4)。

6.根据权利要求5所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，所述支架(12)和所述支座(11)的连接处以及所述支架(12)和所述激光头(21)的连接处均开设有适于容纳所述紧固组件(4)的凹槽(5)，所述凹槽包括第一凹槽(51)和第二凹槽(52)，其中，

所述支架(12)上开设所述第一凹槽(51)，所述第一凹槽(51)的截面形状呈倒“凹”字形；

所述支座(11)和所述激光头(21)上均开设两个所述第二凹槽(52)，两个所述第二凹槽(52)对称设置在所述第一导轨或所述第二导轨的两侧，且两个所述第二凹槽(52)均一端与所述第一凹槽(51)连通，两个所述第二凹槽(52)另一端均向远离所述第一导轨或所述第二导轨的方向延伸形成延伸部(521)，使所述第二凹槽(52)远离所述第一凹槽(51)一侧的宽度大于所述第二凹槽(52)靠近所述第一凹槽(51)一侧的宽度；

所述第一凹槽(51)和所述第二凹槽(52)连通配合形成所述凹槽。

7.根据权利要求6所述的激光辅助增减材复合加工装置，其特征在于，每组所述紧固组件(4)均包括紧固螺栓(41)和紧固夹块(42)，其中，

所述紧固夹块(42)的截面形状呈“L”形，两个所述紧固夹块(42)对称设置在所述凹槽(5)内，每个所述紧固夹块(42)宽度较大的一侧设置在所述第二凹槽(52)内，每个所述紧固夹块(42)另一端均设置在所述第一凹槽内(51)；

所述紧固螺栓(41)穿过设置在所述第一凹槽(51)部分的两个所述紧固夹块(42)并穿设于所述支架(12)中，且所述紧固螺栓(41)与所述紧固夹块(42)螺纹连接，以调整两个所述紧固夹块(42)相向运动。

8.一种激光辅助增减材的复合加工方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的激光辅助增减材复合加工装置，包括如下步骤：

步骤S1、设定待加工工件的加工参数；

步骤S2、启动铣削刀具(31)对所述待加工工件的表面进行铣削加工，直至达到预设铣削深度；

步骤S3、启动激光头(21)使激光焦点照射所述待加工工件已铣削加工区域形成熔池，并启动送丝喷嘴(22)使焊丝均匀送至所述待加工工件已铣削加工区域的熔池内，形成增材制造层；

步骤S4、重复步骤S2至步骤S3，或者重复步骤S1至步骤S3，直至得到预定的工件，对所述预定的工件进行精加工，得到工件。

9.根据权利要求8所述的激光辅助增减材的复合加工方法，其特征在于，还包括：

打开工业吸尘器，使吸尘管(122)及时吸除所述铣削加工过程中的碎屑；

在所述启动铣削刀具(31)之前，还包括：

设定所述待加工工件的加工参数后，拧紧紧固组件(4)，使支架(12)和支座(11)以及支架(12)和激光头(21)锁紧。

10.根据权利要求8所述的激光辅助增减材的复合加工方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

若在所述待加工工件的表面增材制造多层金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复所述步骤S2至所述步骤S3；

若在所述待加工工件的表面增材制造梯度结构金属沉积组织时，则在完成第一层增材制造层之后，重复所述步骤S1至所述步骤S3。

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