1.本發(fā)明涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于微振動(dòng)輔助的金屬零件激光增材制造裝置與制造方法。


背景技術(shù)：

2.激光增材制造技術(shù)是以激光束作為熱源,通過(guò)熔化粉材或絲材實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。該技術(shù)可以提高材料利用率,特別適合于精密、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金、高溫合金等貴重金屬材料零件的直接制造和修復(fù),在航空航天等領(lǐng)域近年來(lái)應(yīng)用廣泛。
3.當(dāng)大面積和大體積的金屬零件經(jīng)激光增材制造后會(huì)產(chǎn)生變形開(kāi)裂問(wèn)題,其主要原因在于激光光束局部加熱,且金屬零件不同部位熱傳導(dǎo)和輻射條件不同,導(dǎo)致成形工件局部溫度累積與分布明顯不同,造成成形熔池與工件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻,局部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力累積集中與組織偏析現(xiàn)象,直接影響工件的力學(xué)性能；甚至引起成形工件變形開(kāi)裂,導(dǎo)致制件失敗。
4.為改變?cè)霾闹圃熨|(zhì)量，采用超聲振動(dòng)、電磁等外場(chǎng)干預(yù)激光熔池凝固過(guò)程。將超聲振動(dòng)引入熔池凝固過(guò)程，利用超聲振動(dòng)攪拌作用可以均化熔池溫度分布、細(xì)化晶粒、減小殘余應(yīng)力來(lái)避免裂紋的生成，但因增材過(guò)程中熔池位置在動(dòng)態(tài)改變，難于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保持超聲振動(dòng)耦合作用于熔池。電磁攪拌技術(shù)通過(guò)改變磁場(chǎng)電流強(qiáng)度可以促進(jìn)熔池溶質(zhì)元素均勻分布，減小試件殘余應(yīng)力,但其內(nèi)部過(guò)強(qiáng)的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在金屬熔體中心區(qū)域會(huì)形成很深的液穴,易造成氣孔和夾雜等冶金缺陷。采用制件后續(xù)熱處理來(lái)消減殘余應(yīng)力,但無(wú)法通過(guò)熱處理手段來(lái)完全實(shí)現(xiàn)制件組織性能的均勻化。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的在于提供了一種基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)制作的工件沉積層組織分布不均一，工件變形開(kāi)裂的技術(shù)問(wèn)題。
6.為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置，包括工作臺(tái)、融化機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，所述工作臺(tái)上設(shè)有懸臂夾具，所述懸臂夾具上固定有工件，所述工作臺(tái)上設(shè)有激振器，所述激振器的輸出端設(shè)有頂桿，且頂桿與工件相接觸；
7.所述融化機(jī)構(gòu)包括聚焦鏡和送粉噴嘴，所述聚焦鏡朝向送粉噴嘴，用于將激光折射至送粉噴嘴，所述送粉噴嘴朝向工件；
8.所述控制機(jī)構(gòu)包括信號(hào)控制儀和功率放大器，所述信號(hào)控制儀與功率放大器和激振器電信號(hào)連接。
9.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
10.1.激振裝置工作平穩(wěn)化
11.采用激振器裝置對(duì)基體施加振動(dòng),振源均勻穩(wěn)定,激振器工作時(shí)穩(wěn)定可靠,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生劇烈影響。
12.2.夾具柔性化
13.懸臂夾具夾持工件,所夾持工件的高度位置可以通過(guò)夾具頭高度位置的上下柔性調(diào)整直接與激振器頂桿接觸，使工件平穩(wěn)懸空固定。減少了零件、約束或支撐的碰撞以及振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲。
14.3.參數(shù)控制自動(dòng)化
15.外部采用信號(hào)控制儀和功率放大器進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)控,其內(nèi)部轉(zhuǎn)速控制模塊、時(shí)間控制模塊、顯示模塊和手動(dòng)按鈕實(shí)時(shí)操控，方便快捷。
16.4.生產(chǎn)實(shí)用化
17.所述發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，滿足試驗(yàn)安裝的空間要求，并能在工件內(nèi)部產(chǎn)生振幅可調(diào)的振動(dòng)波，發(fā)揮出良好的振動(dòng)效果，改善技術(shù)背景中提及的問(wèn)題和缺陷。
附圖說(shuō)明
18.圖1為本發(fā)明基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
19.圖2為本發(fā)明基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置的懸臂夾具示意圖。
20.圖3為本發(fā)明激振裝置的原理框圖。
21.1、聚焦鏡；2、送粉噴嘴；3、工件；4、頂桿；5、激振器；6、六角頭鉸制孔用螺栓；7、緩沖墊；8、懸臂夾具；9、工作臺(tái)；10、信號(hào)控制儀；11、功率放大器，12、固定塊；13、圓螺母；14、螺紋柱；15、第一法蘭螺母；16、第二法蘭螺母；17、夾具頭。
具體實(shí)施方式
22.下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
23.請(qǐng)參閱圖1-2，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置，包括工作臺(tái)9、融化機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，所述工作臺(tái)9上設(shè)有懸臂夾具8，所述懸臂夾具8上固定有工件3，所述工作臺(tái)9上設(shè)有激振器5，所述激振器5的輸出端設(shè)有頂桿4，且頂桿4與工件3相接觸，用于將振動(dòng)傳遞至工件3。
24.所述融化機(jī)構(gòu)包括聚焦鏡1和送粉噴嘴2，所述聚焦鏡1朝向送粉噴嘴2，用于將激光折射至送粉噴嘴2，所述送粉噴嘴2朝向工件3，這樣即可以激光束作為熱源,通過(guò)熔化粉材或絲材實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。
25.所述控制機(jī)構(gòu)包括信號(hào)控制儀10和功率放大器11，所述信號(hào)控制儀10與功率放大器11和激振器5電信號(hào)連接。
26.所述懸臂夾具8包括固定塊12，所述固定塊12安裝在工作臺(tái)9上，所述固定塊12上通過(guò)圓螺母13安裝有螺紋柱14，所述螺紋柱14上設(shè)有第一法蘭螺母15、第二法蘭螺母16和夾具頭17，且第一法蘭螺母15和第二法蘭螺母16分設(shè)在夾具頭17的兩側(cè)，從而起到夾持固定夾具頭17的效果。再需要調(diào)整工件3高度時(shí)，只需要活動(dòng)第一法蘭螺母15和第二法蘭螺母16即可。夾具頭17固定工件3，通過(guò)法蘭螺母的配合實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)整。
27.所述工作臺(tái)9與激振器5間設(shè)有緩沖墊7，且工作臺(tái)9通過(guò)六角頭鉸制孔用螺栓6與
激振器5相固定。
28.激振器內(nèi)設(shè)有偏心距調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)激振器偏心距以調(diào)節(jié)振動(dòng)振幅，激振器的轉(zhuǎn)速通過(guò)信號(hào)控制儀控制，信號(hào)控制儀包括激振器轉(zhuǎn)速控制模塊、時(shí)間控制模塊、顯示模塊和手動(dòng)按鈕，如圖3所示。激振器轉(zhuǎn)速控制模塊用于控制激振器轉(zhuǎn)速升降速的加速度，從而調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率達(dá)到共振頻率的轉(zhuǎn)速。時(shí)間控制模塊用于控制激振器共振的時(shí)間。顯示模塊用于顯示激振器的振動(dòng)曲線和功率放大器的參數(shù)。手動(dòng)模塊用于啟停激振器和切換激振器轉(zhuǎn)速升降檔位。通過(guò)激振器對(duì)基體底部施加微振動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)工件本體進(jìn)行微動(dòng)，可以使頻率、振幅等參數(shù)依據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，振動(dòng)的同時(shí)不影響工件增材制造的定位精準(zhǔn)度。調(diào)節(jié)激振器的偏心距以調(diào)節(jié)共振的振幅，改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，使熔池內(nèi)的金屬溶液的流動(dòng)速度得到提升，直接影響熔池凝固過(guò)程。
29.本發(fā)明還提供一種基于微振動(dòng)輔助金屬零件激光增材制造裝置的制造方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
30.1)為了便于工件的固定，將工件采用懸臂夾具夾持，其夾具頭可根據(jù)加工位置需要進(jìn)行上下移動(dòng)，即所夾持工件的高度位置可以通過(guò)夾具頭高度位置的上下柔性調(diào)整直接與頂桿4接觸，使工件3平穩(wěn)懸空固定；可減少零件、約束或支撐之間的碰撞以及振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲,使振動(dòng)過(guò)程更為平穩(wěn)。
31.2)將激振器5通過(guò)緩沖墊7固定在工作臺(tái)9上，對(duì)工件3底部施加振動(dòng)；基于效率最大化角度考慮，激振器5的激振點(diǎn)選擇在工件振幅明顯的部位(施加振動(dòng)時(shí)振幅較大的部位為距離約束點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置)，即為所夾持工件的懸臂端，用于激發(fā)出結(jié)構(gòu)更大的振幅和動(dòng)應(yīng)力。
32.3)為了實(shí)時(shí)檢測(cè)與調(diào)控振動(dòng)系統(tǒng)，外部設(shè)有信號(hào)控制儀10，信號(hào)控制儀10根據(jù)工件質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化適時(shí)調(diào)整振動(dòng)參數(shù)；采用式
①
調(diào)整激振器5的振動(dòng)參數(shù),其中式
②
為亞共振頻率的范圍(亞共振頻率為共振時(shí)刻內(nèi)能開(kāi)始大量釋放點(diǎn)的頻率,是共振區(qū)的開(kāi)始點(diǎn))；
[0033][0034][0035]
式中:k-工件剛度,m-工件質(zhì)量,f-振動(dòng)頻率,(ω
1-ω0)＝δω1,
[0036]
δ為材料阻尼比,ω1為共振頻率
[0037]
通過(guò)轉(zhuǎn)速控制模塊控制激振器的轉(zhuǎn)速，促使激振器帶動(dòng)工件達(dá)到共振頻率的轉(zhuǎn)速，并在工件中心區(qū)域產(chǎn)生近似均勻的振動(dòng)波，將振動(dòng)波引入到熔池內(nèi)；同時(shí)通過(guò)改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，影響熔池凝固過(guò)程，促進(jìn)金屬溶液運(yùn)動(dòng)，可以促使金屬溶液中雜質(zhì)氣體的析出，減小金屬溶液的溫度梯度，有效的細(xì)化凝固組織，降低了工件內(nèi)部局部應(yīng)力集中，抑制工件變形開(kāi)裂。
[0038]
工作原理：由于工件之間的形狀尺寸均有差異，因此先將工件3的待加工區(qū)域機(jī)械加工成規(guī)則化的矩形等形狀。將工件3采用夾具頭17夾持,懸臂夾具8可根據(jù)工件3的不同尺寸進(jìn)行可靠穩(wěn)定的夾持。
[0039]
將激振器5安裝在工件3的下方,直接將激振器頂桿4向工件3的懸臂端(振幅較大處)施加振動(dòng),激振器5與工作臺(tái)9之間設(shè)有緩沖墊7,減小激振器5對(duì)工作臺(tái)9的沖擊。
[0040]
激振器5發(fā)出振源,加工裝置外部設(shè)有信號(hào)控制儀10，信號(hào)控制儀10可實(shí)時(shí)調(diào)控振動(dòng)參數(shù)。通過(guò)控制模塊控制激振器5的轉(zhuǎn)速，使激振器5帶動(dòng)工件3達(dá)到共振頻率的轉(zhuǎn)速，其參數(shù)顯示模塊可在功率放大器11中查看，并在工件中心區(qū)域產(chǎn)生近似均勻的振動(dòng)波，將振動(dòng)波引入到熔池內(nèi)。同時(shí)通過(guò)改變作用于熔池內(nèi)液態(tài)金屬的振幅，影響熔池凝固過(guò)程，促進(jìn)金屬溶液運(yùn)動(dòng)，可以促使金屬溶液中雜質(zhì)氣體的析出，減小金屬溶液的溫度梯度，有效的細(xì)化凝固組織，減小工件內(nèi)部局部應(yīng)力集中，抑制工件變形開(kāi)裂。
[0041]
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。