基于焊接堆积的多金属直接快速成型装置

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一、技术领域\n本发明属于制造技术领域，特别涉及一种基于焊接堆积的多金属直 接快速成型装置。\n二、背景技术\n快速成形(RP)是一种全新的制造技术，它采用材料累加成型原理， 无需刀具、工装以及复杂的工艺准备，可快速的由三维CAD物理模型制 作出具有一定功能的三维实体，真正实现了CAD/CAPP/CAM的集成，其突 出的优点是不受零件复杂程度的限制，零件越复杂，其技术优势越明显。 目前常用的快速成形方法有：光固化法(Stereolithography)、分层实体制造 法(LOM)、熔融沉积法(FDM)、三维打印法(3D-Print)和选区激光烧结法 (SLS)。前三种方法一般采用光敏树脂、纸和蜡作为成形材料，不能直接 制作金属零件；而选区激光烧结法(SLS法)虽然能够制作金属零件，但 是由于通过粘结剂或低熔点金属粉末将高熔点金属粉末粘结成形，再经 过赔烧的工艺方法，所获得的零件组织致密性和机械性能都不理想；而 采用大功率激光器直接烧结金属粉末材料成形的方法，虽然能够获得机 械性能良好的零件，但是，昂贵的设备费用及运行费用使其难以在生产 实际中推广应用。\n三、发明内容\n本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、且能够直接制作高 性能组织致密的多种材料金属结构零件的基于焊接堆积的多金属直接快 速成型装置。\n为了达到上述目的，本发明利用熔焊电源熔化金属基体和填充金属 丝材，通过送丝机构将金属丝材送入焊炬与基体之间产生的弧光区域内， 使丝材熔化，三维工作台在数控系统控制下运动，使填充材料的熔滴逐 点成线，逐线成面，一层形成后，由铣头进行本层层面及轮廓的加工， 一层完成后，进行下一层的焊接堆积；送丝机构输送的金属丝材的直径 小于0.8mm；铣头采用2万转/分钟以上的高速铣头进行层面及轮廓的加 工。\n本发明的装置包括机架以及设置在机架的上、下端的数控回转机构 和三维工作台，其特点是，在数控回转机构上分别设置有用于输送金属 丝材的送丝机构和与熔焊电源相连接的焊枪，所说的送丝机构和焊枪位 于三维工作台与数据回转机构之间，在机架上还设置有铣头。\n本装置的另一特点是：熔焊电源为弧焊电源；在三维工作台与焊枪 之间还设置有包埋焊区的介质材料；介质材料为液体介质和固体介质； 液体介质为普通水、去离子水、乳化液；固体介质材料为耐高温的金属 粉末以及陶瓷粉末。\n由于本发明将金属丝材送入焊炬与基体之间产生的弧光区域内，使 丝材熔化，成型件在三维工作台的控制下运动，使填充材料的熔滴逐点 成线，逐线成面，逐面成体。一层形成后，由铣头进行本层层面及轮廓 的加工，以保证单层层片的精度。\n四、附图说明\n图1是本发明装置的整体结构示意图。\n五、具体实施方式\n下面结合附图对本发明作进一步详细说明。\n参见图1，本发明包括机架9。三维工作台通过一块立板固定在机架 9的下端，立板可以调整垂直度，整个三维工作台5配以平衡重，以减轻 工作台5升降运动时受重力的影响和对立板的弯曲作用。三维工作台5 在数控系统控制下可进行X-Y轴的联动和Z轴的升降运动。X-Y轴的联动 主要完成堆积过程中的单条线和层片的形成以及层片加工时相对高速铣 头8的进给运动。Z轴运动主要完成层层的堆积和加工时Z向的进给运动。 数控回转机构2安装在机架9的上端，并能作旋转运动。送丝机构6以 及焊枪7均安装在数控回转机构2上，在焊接堆积时，当堆积路径为曲 线时，数控回转机构2带动送丝机构6及焊枪7进行旋转，调整送丝的 角度以保证送丝方向在堆积路径的切线方向。高速铣头8安装在机架9 上，当一层焊接堆积完成后，三维工作台5的XY运动带动工件接近高速 铣头8进行层片和轮廓的加工，加工完毕后，三维工作台5带动工件4\n回复到焊接堆积位置，等待下一层的堆积。熔焊电源1放置 在机架一侧，离子气、保护气通过气管与焊枪7相连接，通过电缆将电 源电流传输给焊枪7。\n本发明利用熔焊电源1熔化金属基体4和填充金属丝材，通过送丝 机构6将不同材料的金属丝材送入焊枪7与基体之间产生的弧光区域内， 使丝材熔化，三维工作台5在数控系统控制下，按照所要成形零件的几 何特征运动，使填充的金属材料的熔滴逐点成线，逐线成面，一层形成 后，由铣头8进行本层层面及轮廓的加工，以保证单层层面的精度。一 层完成后，进行下一层的焊接堆积。为了保证焊接堆积过程中熔滴过渡 的连续及稳定，将送丝机构6安装在数控回转机构2上，根据填充轨迹 的方向调整送丝的角度，使送丝方向与填充轨迹的切向重合，以保证熔 池的连续及稳定，保证单条线的宽度以及制件的堆积精度。在焊接堆积 过程中，电弧的稳定对焊接质量具有直接的影响，在焊接过程中，采用 介质材料3将已堆积部分包埋起来，一方面可以保证在焊区附近的电弧 稳定，另一方面通过介质改变焊区的热场分布，从而减小焊接变形和焊 后残余应力的产生。\n本发明可用在机械、汽车、航天航空、仪器仪表等领域用来制造金 属模具和具有功能梯度结构要求的金属零件。