一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法技术方案

本发明专利技术属于金属零件制造领域，并具体公开了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法，该系统包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置，其中微铸锻模块与铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块，五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件，控制装置分别与熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连。本发明专利技术采用微铸锻与铣磨工艺复合进行金属零件加工制造，可解决增材制造金属零件时存在的组织不均匀、变形严重、残余应力大、组织性能差和表面质量差的问题，特别适合高性能复杂异形构件的加工。

A Manufacturing System and Method for in-situ Composite Metal Parts by Micro-casting, Forging, Milling and Grinding

【技术实现步骤摘要】
一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法
本专利技术属于金属零件制造领域，更具体地，涉及一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法。
技术介绍
金属零件的传统制造工艺主要是通过铸造或锻造，结合车削、铣削、磨削等机械减材加工得到满足质量和精度要求的零件，但是存在加工周期长、材料利用率低、制造成本高等问题，特别是对于大型复杂零件的制造来说，如航空发动机传动系统的减速器机匣，具有复杂外表面及内腔、内孔、内流道，属于复杂异形结构件，而高温合金机匣工整体为环状结构，其上有凸台与小孔，结构复杂，传统制造方法虽基本满足力学性能等需求，但存在加工工具可达性差、干涉严重、内腔类表面控形能力差、材料利用率低、制造效率低等问题。而增材制造技术采用材料逐层累加的方法制造零件，金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，其中的高能束金属熔融沉积技术具有效率高、成本低等特点，然而堆积出的金属零件一方面易产生晶粒粗化、变形开裂，内部形成残余应力及气孔、裂纹等缺陷，严重降低零件的组织性能；另一方面，由于固有的台阶效应，零件表面精度低，无法直接应用，往往需要进行后续加工，降低了加工效率且增加了操作的复杂性，无法体现增材制造的优势。针对上述问题，现有研究采用增材制造与轧制挤压工艺、超声强化工艺和铣削减材工艺相结合，从而提高金属零件打印后的组织性能和表面质量。例如，CN10181712A公开了零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置，其通过在与熔融软化的区域相接触处安装微型轧辊或挤压装置，随熔积成形区域同步移动，进行压缩成形与加工，从而改善组织性能，但是，该工艺无法改善零件的表面精度；CN107598162A公开了增材减材与超声处理结合的金属零件复合制造系统与方法，其在金属增材制造过程中同时耦合超声表面强化和减材切削技术，提高表面质量和改善微观组织，但是此制造工艺中的超声强化作用深度有限，只能改善亚表面的微观组织，且效率低，不能有效大幅提高零件的组织性能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法，其在金属零件加工制造过程中采用了微铸锻，即在金属熔融沉积过程中同步进行辊压轧制，同时结合了铣削和磨削工艺，可解决增材制造金属零件时存在的组织不均匀、变形严重、残余应力大、组织性能差和表面质量差的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置，其中：所述微铸锻模块与所述铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块；所述五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件；所述控制装置分别与所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连，加工时，所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块和铣削模块在控制装置的协调控制下完成切换和工作，以同步进行熔融沉积和辊压轧制，并在预设的铣削工艺下完成待成形金属零件的复合加工制造。作为进一步优选的，所述熔融沉积子模块包括依次相连的送料机构、熔融热源和喷嘴，加工时，金属原材料通过所述送料机构送入熔融热源中获得熔融的金属，熔融的金属通过所述喷嘴逐层沉积于所述五轴联动工作台上得到半凝固金属。作为进一步优选的，所述辊压轧制子模块包括固定架一、直臂一和辊轮，所述直臂一安装于所述固定架一下端，所述辊轮通过轴销与所述直臂一相连，加工时，熔融的金属每沉积一层得到半凝固金属后，所述辊轮对该半凝固金属进行辊压。作为进一步优选的，所述铣削模块包括固定架二、直臂二和铣刀，所述直臂二安装于所述固定架二下端，所述铣刀通过心轴与所述直臂二相连。作为进一步优选的，所述铣刀在工作过程中更换为磨具，以在铣削后进一步进行磨削，提高金属零件表面加工精度。作为进一步优选的，所述铣削模块为超声辅助铣削模块，该超声辅助铣削模块包括从上至下依次设置的锥柄、外壳、压电换能器、变幅杆和弹性筒夹，所述弹性筒夹下端装夹有铣刀，所述外壳上设有航空插口，所述航空插口上接有超声电源，该超声电源产生的超声波电信号，通过所述航空插口传输至所述压电换能器中，该压电换能器将电信号转化为高频振动，然后通过所述变幅杆将高频振动的振幅放大，该高频振动通过所述弹性筒夹传递给所述铣刀，所述铣刀通过旋转和振动的共同作用实现铣削。作为进一步优选的，所述五轴联动工作台包括水平工作台和双轴变位机构，所述水平工作台上安装有基板，所述基板用于放置待成形金属零件，所述水平工作台可沿三个维度方向移动；所述双轴变位机构安装在所述水平工作台下方，用于使水平工作台沿两个方向轴向旋转。按照本专利技术的另一方面，提供了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造方法，其采用所述的系统制造，包括如下步骤：S1根据待成形金属零件的三维模型，预设减材成形轨迹和增材成形轨迹；S2金属原材料通过熔融沉积子模块变为熔融的金属，并在控制装置的控制下，熔融的金属沿预设的增材成形轨迹沉积在五轴联动工作台上得到待成形金属零件，随后控制装置控制辊压轧制子模块对待成形金属零件进行辊压；S3实时检测待成形金属零件的形貌数据、温度数据和缺陷数据，根据检测结果实时优化预设的增材成形轨迹和减材成形轨迹，并确定进行再次熔融沉积或进行铣削，若进行再次熔融沉积则按照优化后的增材成形轨迹重复S2，若进行铣削则通过铣削模块沿优化后的减材成形轨迹铣削去除待成形金属零件的不合格区域；S4重复S2和S3若干次，直至待成形金属零件的尺寸和质量均满足要求后，完成金属零件的制造。作为进一步优选的，铣削加工后，将所述铣削模块的铣刀更换为磨具，在控制装置的控制下，在铣削后对金属零件进行磨削，进一步提高金属零件表面加工精度。作为进一步优选的，铣削过程采用超声辅助铣削，由超声电源产生超声波电信号，该超声波电信号通过所述航空插口传输至所述压电换能器中，该压电换能器将电信号转化为高频振动，然后通过所述变幅杆将高频振动的振幅放大，该高频振动通过所述弹性筒夹传递给所述铣刀，所述铣刀通过旋转和振动的共同作用实现铣削。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术采用微铸锻与铣削复合，既改善了增材制造金属零件的组织力学性能，又提高了金属表面的形状和位置精度，同时采用微铸锻和铣削原位复合制造的短流程加工提高了零件加工效率，实现在同一台设备、同一位置直接制造出满足使用要求的金属零件，使制造出的金属零件能够直接应用于高端工业领域，特别适合高性能复杂异形构件的加工，可将原来必须由若干零件连接而成的部件设计为一个零件进行整体制造，从而减少零件数目，减轻部件重量。2.本专利技术采用的微铸锻工艺，即在金属熔融沉积的过程中用辊压轧制机构对半凝固区域同步进行辊压轧制，辊压轧制使金属熔融区域产生大幅塑性变形，可使微观组织均匀细化，降低残余应力，同时消除气孔等内部缺陷，提高金属零件的组织性能。3.本专利技术在铣削后结合磨削工艺以满足表面精度高性能要求零件的加工要求，且磨削与铣削在同一设备上完成，可提高零件精度与表面控形能力，使零部件的精度、强度、刚度、疲劳等性能满足使用要求。4.本专利技术采用超声辅助铣削工艺进行减材加工，充分利用超声切削力小、加工质量好、残余应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置(8)，其中：所述微铸锻模块与所述铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块；所述五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件(3)；所述控制装置(8)分别与所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连，加工时，所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块和铣削模块在控制装置(8)的协调控制下完成切换和工作，以同步进行熔融沉积和辊压轧制，并在预设的铣削工艺下完成待成形金属零件(3)的复合加工制造。

【技术特征摘要】
1.一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置(8)，其中：所述微铸锻模块与所述铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块；所述五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件(3)；所述控制装置(8)分别与所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连，加工时，所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块和铣削模块在控制装置(8)的协调控制下完成切换和工作，以同步进行熔融沉积和辊压轧制，并在预设的铣削工艺下完成待成形金属零件(3)的复合加工制造。2.如权利要求1所述的微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，所述熔融沉积子模块包括依次相连的送料机构(6)、熔融热源(4)和喷嘴(5)，加工时，金属原材料通过所述送料机构(6)送入熔融热源(4)中获得熔融的金属，熔融的金属通过所述喷嘴(5)逐层沉积于所述五轴联动工作台上得到半凝固金属。3.如权利要求1所述的微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，所述辊压轧制子模块包括固定架一(7)、直臂一(18)和辊轮(20)，所述直臂一(18)安装于所述固定架一(7)下端，所述辊轮(20)通过轴销(19)与所述直臂一(18)相连，加工时，熔融的金属每沉积一层得到半凝固金属后，所述辊轮(20)对该半凝固金属进行辊压。4.如权利要求1所述的微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，所述铣削模块包括固定架二(22)、直臂二(23)和铣刀(16)，所述直臂二(23)安装于所述固定架二(22)下端，所述铣刀(16)通过心轴(25)与所述直臂二(23)相连。5.如权利要求4所述的微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，所述铣刀(16)在工作过程中更换为磨具(24)，以在铣削后进一步进行磨削，提高金属零件表面加工精度。6.如权利要求1所述的微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其特征在于，所述铣削模块为超声辅助铣削模块，该超声辅助铣削模块包括从上至下依次设置的锥柄(9)、外壳(10)、压电换能器(13)、变幅杆(14)和弹性筒夹(15)，所述弹性筒夹(15)下端装夹有铣刀(16)，所述外壳(10)上设有航空插口(12)，所述航空插口(12)上接有超声电源(17)，该超声电源(17)产生的超声波电信号，通过所述航空插口(12)传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：来五星，蔡建德，梁飞宇，张海鸥，王桂兰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42