[发明专利]基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，还涉及一种利用该装置进行增减材复合制造的方法。

背景技术

金属零件的电子束快速成形是近些年来发展起来的新型金属实体增材加工技术。其原理是通过对零件三维数字模型分层切片处理,获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径,以高能量密度的电子束作为热源,按照预定的加工路径,在真空室内熔化填充材料(金属丝材或预铺的粉末),逐层堆积,最终实现致密金属零件的近净制造。

电子束熔丝成形的原材料是金属丝材时,一般采用直接将金属丝材送入熔池或熔滴过渡,其中金属丝材直接送进制造过程由于存在干涉、粘丝、偏离熔池中心等问题，因此对金属丝材的角度、位置有很严格要求；熔滴过渡虽然成形速度快，但由于液态金属的飞溅造成成型精度和零件表面质量较差，难以制造精度较高的零件,目前仅用于零件毛坯的制造。

文献1“申请公布号是CN105574254A的中国发明专利”提供了一种增减材复合加工系统以及方法，该系统包括机器人、控制部、电弧增材设备、减材设备等。电弧增材制造过程中熔池体积较大，存在冷态原材料、电弧吹力、电源特性等扰动因素。

电子束熔丝增材制造设备工作时需要真空环境，考虑到设备自身的工作特点,其工作环境内不可避免地存在高温、强光、X射线、金属粉末污染、电磁场等干扰因素，因此对减材加工的装置有很高的要求。由于不能引入外来物质(冷却液)对电子束的工作环境产生影响，刀具要具有很好的耐高温性能，目前工业多采用具有无污染和冷却效果好等优势的内冷式刀具。

内冷式刀具，即在刀具内布置具有进出口的微小冷却液通道，切削时冷却液从入口进入刀具体内冷却刀具，然后通过出口回到冷却系统中，冷却液不直接排出，从而组成无污染的循环式冷却系统。还可通过测量冷却液在进、出口处的温度来预测接触面的平均温度，实现切削温度的在线监测，根据测量的切削温度可以反映刀具的切削状态，进而对切削过程进行控制。

发明内容

为了克服现有增减材复合加工系统及方法实用性差的不足，本发明提供一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置和方法。装置包括电子束增材成形部分、减材加工部分和上位机控制系统。电子束增材成形部分包括发射电子束的电子枪、电子枪偏转控制系统、盛放待加工金属丝的容器、喷头和金属丝送丝机构。减材加工部分包括机械臂，其末端执行器配备有快换装置、内冷式刀具和安装于机械臂的末端执行器，实施减材加工；与内冷式刀具相连的冷却单元，用于内冷式刀具的降温和温度控制。所述增材成形部分和减材加工部分等均放置于真空室内。本发明增减材复合加工，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于电子束熔丝的增减材复合制造装置，其特点是：包括上位机控制系统1、机械臂2、内冷式刀具3、丝盘4、送丝机构5、容器6、喷头7、电子枪9、高压电源10、偏转控制系统11和运动平台12。所述的丝盘4、送丝机构5、容器6、喷头7、电子枪9、高压电源10、偏转控制系统11和运动平台12组成装置的增材加工部分，所述的机械臂2和内冷式刀具3组成装置的减材加工部分，减材加工部分和增材加工部分的容器6、喷头7和运动平台12位于真空工作室内。所述的运动平台12设置在装置的底座上，且能够在X、Y方向上运动并绕Z轴转动。真空工作室为电子束8提供压力是1×10^-3Pa的真空工作环境。偏转控制系统11根据上位机控制系统1的信号控制电子枪9发射电子束8进行偏转加热，使待加工金属丝熔化成液态，或通过加热喷射区域，使喷射区域达到微熔状态，使喷头7喷射的液态金属和逐层堆叠的底层金属实现冶金结合；容器6用于盛放待加工金属，喷头7与容器6连通，用于将熔化的金属喷射到运动平台12上的喷射区域。高压电源10为电子枪9提供工作所需的电压；送丝机构5将丝盘4上的金属丝输送到容器6内，液态金属从喷头7喷出。上位机控制系统1与装置的减材加工部分和增材加工部分电连接，用于对电子枪9、高压电源10和偏转控制系统11的控制；上位机控制系统1还根据待加工零件的分层切片厚度对送丝机构5的送丝速度和运动平台12的路径速度进行控制。上位机控制系统1还用于控制机械臂2的运动和内冷式刀具3的刀具切换。

所述容器6由耐高温的陶瓷材料制成。

一种利用上述装置进行增减材复合制造的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、建立零件实体几何模型，将零件实体几何模型导入计算机上的上位机中进行分层切片处理，规划工作台的运动路径和机械臂的运动路径，上位机控制系统对增材加工部分和减材加工部分进行控制，对需要控制的参数进行设置；