一种导电材料一体化加工系统及加工方法
技术领域
本发明涉及机械设备领域，具体而言，涉及一种导电材料一体化加工系统以及加工方法。
背景技术
加工生产中，合金制大尺寸异性结构件和复杂几何形状零部件在制造时，需要先将其分解为若干个组件，然后再通过传统的铸、锻、热处理和机械加工工艺进行制造，最后再将各个组件通过焊接、铆接、胶接等工艺连成整体结构。由此，采用上述方法，导致各环节工艺较复杂，且各组件在连接部位存在组织结构缺陷等概率较大，限制了结构件的整体承载能力。
发明内容
本发明解决的问题是如何避免工艺复杂以及降低存在组织结构缺陷概率的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种导电材料一体化加工系统,包括驱动装置、控制装置和均能导电的引导装置和刻蚀装置；所述驱动装置包括能导电的工作台，且所述驱动装置拆卸式连接所述引导装置和所述刻蚀装置；所述引导装置用于与导电材料接触并供所述导电材料穿过；所述控制装置与所述驱动装置电连接；
所述控制装置用于，当所述工作台或者已在所述工作台上成型的导电材料连接脉冲电源的负极，且所述引导装置连接所述脉冲电源的正极时，控制所述驱动装置带动所述引导装置移动，以使伸出所述引导装置的所述导电材料熔化并沉积到所述工作台的成型区上；
以及，当由所述导电材料在所述工作台上成型的毛坯连接所述脉冲电源的正极，且所述刻蚀装置连接所述脉冲电源的负极时，控制所述驱动装置带动所述刻蚀装置移动，以使所述刻蚀装置对所述毛坯进行减材加工。
可选地，所述引导装置包括用于连接所述驱动装置的输出轴的壳本体；所述壳本体用于电连接所述脉冲电源；且所述壳本体设有沿上下方向贯穿的空腔，所述空腔适于供所述导电材料穿过，且所述空腔的内壁适于与所述导电材料接触。
可选地，还包括原料输送装置，所述原料输送装置与所述控制装置电连接，所述控制装置还用于控制所述原料输送装置驱动所述导电材料从上自下穿过所述空腔。
可选地，还包括超声波振动装置，所述超声波振动装置包括超声换能器、变幅杆；所述超声换能器位于所述引导装置或所述刻蚀装置的上方，且所述变幅杆一端连接所述超声换能器，另一端连接所述引导装置或所述刻蚀装置；所述超声换能器与所述控制装置电连接，所述控制装置还用于控制所述超声换能器带动所述引导装置或所述刻蚀装置上下振动。
可选地，还包括保护气体输送装置，所述保护气体输送装置与所述控制装置电连接，所述控制装置还用于控制所述保护气体输送装置输送保护气体以保护被加热的所述导电材料。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：控制装置在工作台或者已在工作台上成型的导电材料连接脉冲电源的负极，且引导装置连接脉冲电源的正极时，通过驱动装置驱动引导装置运动，能够导电材料的熔化，以便在工作台的放置区沉积形成毛坯；随后，控制装置在由导电材料在工作台上成型的毛坯连接脉冲电源的正极，且刻蚀装置连接脉冲电源的负极时，通过驱动装置驱动刻蚀装置运动，能够实现毛坯的减材，从而得到所需尺寸的物件；由此，采用电火花的方式能够实现导电材料的沉积和切削，减少了工艺的复杂性；同时，导电材料是溶液沉积的，熔液间形成冶金结合，金相组织均匀致密，降低了组织结构存在缺陷的概率。
本发明的另一目的在于提供一种导电材料一体化加工方法，以解决如何避免工艺复杂以及降低存在组织结构缺陷概率的问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种导电材料一体化加工方法，基于上述的导电材料一体化加工系统，其特征在于，包括：
激活电火花沉积模式，以控制导电材料熔化并沉积到工作台的成型区上，直至所要打印的毛坯成型；
执行电源转换模式，以控制导电的刻蚀装置连接脉冲电源的负极，所述毛坯连接所述脉冲电源的正极；
激活电火花刻蚀模式，以控制所述刻蚀装置对所述毛坯进行减材加工，直至所要打印的物件成型。
可选地，所述激活电火花沉积模式，以控制导电材料熔化并放置到工作台的成型区上，直至所要打印的毛坯成型包括：
控制原料输送装置将所述导电材料定向推出；
控制所述导电材料和所述工作台之间形成间隙放电，且使所述引导装置连接所述脉冲电源的正极，所述工作台连接脉冲电源的负极；
控制所述导电材料的运动轨迹，以改变所述导电材料与所述工作台之间的相对位置；
在所述导电材料运动的过程中，控制所述导电材料熔化为液滴并溅射沉积到所述工作台的成型区上，以累积逐步形成所述毛坯。
可选地，所述控制所述导电材料的运动轨迹，以改变所述导电材料与所述工作台之间的相对位置包括：
建立所述物件的模型文件；
生成所述模型文件的3D打印程序；
传输所述3D打印程序给驱动装置，以使所述驱动装置按照运动轨迹带动所述导电材料运动。
可选地，所述激活电火花刻蚀模式，以控制所述刻蚀装置对所述毛坯进行减材加工，直至所要打印的物件成型包括：
控制所述刻蚀装置和所述毛坯之间形成间隙放电；
控制所述刻蚀装置的运动轨迹，以改变所述刻蚀装置与所述毛坯之间的相互接触位置，以将所述毛坯上多余微区熔化去除，直至达到所述物件的要求尺寸。
可选地，所述控制所述刻蚀装置的运动轨迹，以改变所述刻蚀装置与所述毛坯之间的相互接触位置，以将所述毛坯上多余微区熔化去除，直至达到所述物件的要求尺寸包括：
建立所述毛坯的模型文件；
根据所述毛坯的模型文件生成用于毛胚粗加工、精加工刀轨的轨迹文件程序；
传输所述轨迹文件程序给驱动装置，以使所述驱动装置按照运动轨迹带动所述导电材料运动。
所述导电材料一体化加工方法与上述导电材料一体化加工系统对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明的导电材料一体化加工系统一种实施方式的结构框图；
图2为本发明的驱动装置一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明的引导装置一种实施方式的结构示意图；
图4为本发明的刻蚀装置一种实施方式的结构示意图。
图5为本发明的导电材料一体化加工方法一种实施方式的流程示意图。
附图标记说明：
1-控制装置；2-驱动装置；3-工作台；4-原料输送装置；5-超声波振动装置；6-保护气体输送装置；7-导电材料；8-引导装置；9-刻蚀装置；10-气腔；51-超声换能器；52-变幅杆。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，附图中“X”的正向代表右方，相应地，“X”的反向代表左方；“Y”的正向代表前方，相应地，“Y”的反向代表后方；“Z”的正向代表上方，相应地，“Z”的反向代表下方，术语“X”、“Y”、“Z”等指示的方位或位置关系为基于说明书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。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。
实际生产中，对于像飞机主承载桁架等金属制大尺寸异形结构件来说，现有的加工方法是先将其分解为若干个组件，通过传统的铸、锻、热处理和机械加工工艺制造组件，最后再将各个组件通过焊接、铆接、胶接等工艺连成整体结构，这种常规成型方法总体上各环节工艺较复杂，往往组件间后连接部位存在组织结构缺陷等概率较大，限制了结构件的整体承载能力。而对航空发动机涡轮盘等几何形状复杂的零部件生产也是采用传统的铸锻焊和热处理以及机械粗加工先获得毛坯件，最后通过五轴数控机械加工精成型。由于所用合金通常具有高熔点、高硬度、高韧性、高耐磨等性质，使得上述各工艺(如铸造、锻造、热处理和机械加工)的加工方法难度和成本都居高不下。
如图1-4所示，本发明提供一种导电材料一体化加工系统,包括驱动装置2、控制装置1和均能导电的引导装置8和刻蚀装置9；所述驱动装置2包括能导电的工作台3，且所述驱动装置2拆卸式连接所述引导装置8和所述刻蚀装置9；所述引导装置8用于与导电材料7接触并供所述导电材料7穿过；所述控制装置1与所述驱动装置2电连接；
所述控制装置1用于，当所述工作台3或者已在所述工作台3上成型的导电材料7连接脉冲电源的负极，且所述引导装置8连接所述脉冲电源的正极时，控制所述驱动装置2带动所述引导装置8移动，以使伸出所述引导装置8的所述导电材料7熔化并沉积到所述工作台3的成型区上；
以及，当由所述导电材料7在所述工作台3上成型的毛坯连接所述脉冲电源的正极，且所述刻蚀装置9连接所述脉冲电源的负极时，控制所述驱动装置2带动所述刻蚀装置9移动，以使所述刻蚀装置9对所述毛坯进行减材加工。
采用本实施例后，控制装置1在工作台3或者已在工作台3上成型的导电材料7连接脉冲电源的负极，且引导装置8连接脉冲电源的正极时，通过驱动装置2驱动引导装置8运动，能够导电材料7的熔化，以便在工作台3的放置区沉积形成毛坯；随后，控制装置1在由导电材料7在工作台3上成型的毛坯连接脉冲电源的正极，且刻蚀装置9连接脉冲电源的负极时，通过驱动装置2驱动刻蚀装置9运动，能够实现毛坯的减材，从而得到所需尺寸的物件；由此，采用电火花的方式能够实现导电材料7的沉积和切削，减少了工艺的复杂性；同时，导电材料7是溶液沉积的，熔液间形成冶金结合，金相组织均匀致密，降低了组织结构存在缺陷的概率。
本实施例中，控制装置1主要由计算机、驱动电路、传感电路组成，其中，计算机为通用计算机与嵌入式计算机构成的复合计算机系统，通用计算机作为上位机，嵌入式计算机作为下位机；驱动电路为各个执行机构提供驱动电流和/或驱动信号；计算机通过传感电路获取电火花沉积和电火花切削所需的各种状态信息，例如位置、压强、温度、电流强度、气体成分、转速、磁场强度、电容、电阻、湿度、红外线、图像等信息。
具体地，电路单元至少包括均受控制装置1控制的电流发生电路和电源转换装置；在驱动装置2拆卸式连接引导装置8时，电流发生电路的脉冲电源电连接引导装置8与工作台3或者已在工作台3上成型的导电材料7，从而用于施加电流；在驱动装置2拆卸式连接刻日装置时，电流发生电路的脉冲电源电连接刻蚀装置9与由导电材料7在工作台3上成型的毛坯，从而用于施加电流；电源转换装置为继电器，受到控制装置1的控制能够实现脉冲电源正负极的转换，避免分别为电火花沉积和电火花切削设计供电电路的情况，优化了线路。
可选地，如图2所示，所述驱动装置2为五轴数控设备。五轴数控设备又称五轴联动加工中心，其具有高效率、高精度的特点。本实施例采用的五轴数控设备是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台3也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。
其中，工作台3的成型区，是指在打印物体时所使用的空间；导电材料7为金属或非纯金属。由于本实施例采用电火花进行加工的方式，为了确保电火花的产生，在电火花沉积和电火花切削的模式下，分别需要引导装置8和刻蚀装置9能够导电和耐高温，优选地，引导装置8和刻蚀装置9均采用耐高温材料制造，例如特种钨合金，其既能导电，也能避免在高温下熔化，影响沉积和切削的进行。
进一步地，所述引导装置8包括用于连接所述驱动装置2的输出轴的壳本体；所述壳本体用于电连接所述脉冲电源；且所述壳本体设有沿上下方向贯穿的空腔，所述空腔适于供所述导电材料7穿过，且所述空腔的内壁适于与所述导电材料7接触。
本实施例中，引导装置8一般是安装在五轴数控设备的主轴的回转头上，采用本实施例的引导装置8后，不仅能够起到对导电材料7的引导作用，还能促使导电材料7通电，以便后续电火花沉积模式的加工。
进一步地，所述刻蚀装置9为刻蚀头，且刻蚀装置9和引导装置8的结构区别仅在于刻蚀装置9不存在沿上下方向贯穿的空腔。
同时，引导装置8和刻蚀装置9是分别应用在电火花沉积和电火花切削上的。五轴数控设备的主轴的回转头根据模式的不同选择安装引导装置8或者刻蚀装置9。由此，节约了加工空间，避免同时安装引导装置8和刻蚀装置9造成干扰。
可选地，还包括原料输送装置4，所述原料输送装置4与所述控制装置1电连接，所述控制装置1还用于控制所述原料输送装置4驱动所述导电材料7从上自下穿过所述空腔。由此，能够实现导电材料7的自动输送，自动化送料，节省了大量的人力。
具体地，原料输送装置4为送丝机，其一般通过两个滚筒实现金属丝的位移。由此，便于将金属丝穿过空腔，从而与工作台3或者已成型的金属接触。一种实施方式中，金属丝被缠绕在一个可旋转的线盘上；金属丝在两个滚筒的拉动/推动下穿行并到达引导装置8的内部。
可选地，如图3、4所示，还包括超声波振动装置5，所述超声波振动装置5包括超声换能器51、变幅杆52；所述超声换能器51位于所述引导装置8或所述刻蚀装置9的上方，且所述变幅杆52一端连接所述超声换能器51，另一端连接所述引导装置8或所述刻蚀装置9；所述超声换能器51与所述控制装置1电连接，所述控制装置1还用于控制所述超声换能器51带动所述引导装置8或所述刻蚀装置9上下振动。由此，引导装置8上下振动，实现伸出引导装置8的导电材料7与工作台3或者已在工作台3上成型的导电材料7间歇性接触；刻蚀装置9上下振动，实现刻蚀装置9和由导电材料7在工作台3上成型的毛坯间歇性接触。
具体地，超声换能器51的频率为28kHz，功耗为100W。为了引导装置8能够更好地进行上下振动，超声换能器51、变幅杆52位于引导装置8的正上方。且为了便于金属丝穿过，超声换能器51和变幅杆52设有贯穿的通孔。由于刻蚀装置9不需要供金属丝穿过，故变幅杆52直接位于引导装置8的正上方即可。
可选地，还包括保护气体输送装置6，所述保护气体输送装置6与所述控制装置1电连接，所述控制装置1还用于控制所述保护气体输送装置6输送保护气体以保护被加热的所述导电材料7。
具体地，如图3所示，引导装置8还设有下方开口的气腔10；保护气体为氩气，用于保护被加热的金属，例如保护熔化的金属原料、被加热的已成型的金属，避免与空气中的成分发生反应；保护气体来源于高压气瓶；通过管路与气腔10相通，内设有电磁阀和传感器；实际操作过程中，控制装置1根据设定的压强、气体浓度等参数，比对从压力传感器、气体传感器(例如氧气浓度传感器)等传感器获得的实际数据，控制电磁阀的通断及通断频率以实现对气腔10内的压强、保护气体浓度的调节；其中，电磁阀是高速电磁阀，从而便于灵敏地实现保护气体的导通与截断。
同理，如图4所示，刻蚀装置9其设有下方开口的气腔10；保护气体来源于高压气瓶；通过管路与气腔10相通，在电火花切削模式下，吹出的气体能够将毛坯上的熔滴剥离，从而达到减材的目的。
本发明工作时，沉积增材加工时，驱动装置2可拆卸连接引导装置8，控制装置1控制引导装置8电连接脉冲电源正极，工作台3电连接脉冲电源负极；在驱动装置2驱动引导装置8运动的过程中，通过超声波振动使金属丝和工作台3周期接触，金属丝和工作台3在5-10秒超短时间内放电，从而在电接触部位产生瞬态电火花，接触微区被加热到6000℃以上，在金属丝端面上形成瞬间高温熔滴溅射，通过不断地累积，直至毛坯制成。刻蚀减材加工时，刻蚀装置9接脉冲电源负极，毛坯接脉冲电源正极，电火花放电导致毛坯表面微区熔化，被惰性气体流剥离。调整放电参数对制件表面进行粗、精加工。
本发明的另一目的在于提供一种导电材料一体化加工方法，基于上述的导电材料一体化加工系统，如图5所示，包括：
S1、激活电火花沉积模式，以控制导电材料7熔化并沉积到工作台3的成型区上，直至所要打印的毛坯成型；
S2、执行电源转换模式，以控制导电的刻蚀装置9连接脉冲电源的负极，所述毛坯连接所述脉冲电源的正极；
S3、激活电火花刻蚀模式，以控制所述刻蚀装置9对所述毛坯进行减材加工，直至所要打印的物件成型。
采用本实施例的导电材料一体化加工方法后，在电火花沉积模式下，能够实现导电材料7的熔化，以便在工作台3的放置区形成毛坯；经过电源转换模式的调整后，在电火花刻蚀模式下，能够实现毛坯的减材，从而得到所需尺寸的物件；由此，采用电火花的方式能够实现导电材料7的沉积和切削，减少了工艺的复杂性；同时，导电材料7是溶液沉积的，熔液间形成冶金结合，金相组织均匀致密，降低了组织结构存在缺陷的概率；毛坯的减材是通过电火花实现的，相比于刀具切削，精度更高。
优选地，步骤S1包括：
S11、控制原料输送装置4将所述导电材料7定向推出；
S12、控制所述导电材料7和所述工作台3之间形成间隙放电，且使所述引导装置8连接所述脉冲电源的正极，所述工作台3连接脉冲电源的负极；
S13、控制所述导电材料7的运动轨迹，以改变所述导电材料7与所述工作台3之间的相对位置；
S14、在所述导电材料7运动的过程中，控制所述导电材料7熔化为液滴并溅射沉积到所述工作台3的成型区上，以累积逐步形成所述毛坯。
具体地，在步骤S11中，导电材料7为金属或者非纯金属，优选为金属丝或者金属线，通过原料输送装置4实现金属丝的位移，以便金属丝不断的消耗。
本实施例中，采用金属丝材为原料，利用高效电火花熔丝获得金属微小液滴，以液滴溅射沉积的方式堆积成型。这种电火花沉积加工方法制造成本显著下降，为导电材料7增材制造的实际应用提供了有效的技术途径。
在步骤S12中，引导装置8连接脉冲电源的正极后，即代表导电材料7连接脉冲电源的正极，由此，导电材料7和工作台3通电后形成一个电容结构，利用直流脉冲电源，在少于5-10秒内给电容结构充电，沉积增材加工时，金属丝接正极，工作台3接负极，在金属丝和工作台3周期接触时，电容结构在5-10秒超短时间内放电，在金属丝和工作台3接触部位产生瞬态电火花，接触微区被加热到6000℃以上，在金属丝端面上形成瞬间高温熔滴溅射，从而放置在工作台3上。通过改变金属丝直径(0.4-1.0毫米)、脉冲电源的频率(30-3000Hz)、占空比(10-100％)可有效调整放电功率和放电间隔，配合送丝速度(10-1800mm/min)即可准确控制溅射熔滴的大小和流量。由于放电时间与放电间隔时间相比极短，没有过多热量聚集。工作台3不需要预热，毛坯成型温度相对较低(<400℃),熔滴冷凝快，熔滴间形成冶金结合，金相组织均匀致密，成型效率高。
在步骤S14中，熔化的金属丝不具备流动性之后转变为打印成型的金属，熔化的金属丝在已打印成型的金属的基础上不断累积、直至所要打印的毛坯成型；其中：在累积熔化的金属的过程中，熔化的金属所被放置的位置由所要打印的毛坯的形状和结构决定。
优选地，步骤S13包括：
S131、建立所述物件的模型文件；
S132、生成所述模型文件的3D打印程序；
S133、传输所述3D打印程序给驱动装置2，以使所述驱动装置2按照运动轨迹带动所述导电材料7运动。
具体为，首先利用三维软件(如3D max,Zbrush等)建立制件模型文件；然后利用切片软件(如cura，Slic3r等)，导出制件模型的3D打印程序(即模型的G代码文件)；最后将G代码文件导入五轴数控设备打印控制程序，执行，从而通过五轴数控设备带动金属丝位移，满足打印毛坯的需求。
优选地，步骤S2中，电火花电路采用集成单片机控制板、采用高容量电容储能，高低压分离技术，电路输出参数保证即适于金属熔滴沉积，也要适于金属熔滴刻蚀，供电电源输出的稳定性和可靠性要高。且脉冲电源极性转换是通过程序指令实现的，由继电器切换自动完成。一种实施方式中，各项参数数值为：供电电源参数：220±20％伏，50/60Hz，功耗：4000W；脉冲电源的频率范围(30-3000Hz)，占空比(10-100％)，输出电流：0.5-500A，输出电压：0-30伏。
优选地，步骤S3包括：
S31、控制所述刻蚀装置9和所述毛坯之间形成间隙放电；
S32、控制所述刻蚀装置9的运动轨迹，以改变所述刻蚀装置9与所述毛坯之间的相互接触位置，以将所述毛坯上多余微区熔化去除，直至达到所述物件的要求尺寸。
在步骤S31中，刻蚀装置9和毛坯通电后形成一个电容结构，利用直流脉冲电源，在少于5-10秒内给电容结构充电，切削减材加工时，毛坯接正极，刻蚀装置9接负极，在刻蚀装置9和毛坯周期接触时，电容结构在10-5秒超短时间内放电，在毛坯和刻蚀装置9接触部位产生瞬态电火花，接触微区被加热到6000℃以上，在毛坯端面上形成瞬间高温熔滴溅射，从而实现减材。
可选地，步骤S32包括：
S321、建立所述毛坯的模型文件；
S322、根据所述毛坯的模型文件生成用于毛胚粗加工、精加工刀轨的轨迹文件程序；
S323、传输所述轨迹文件程序给驱动装置2，以使所述驱动装置2按照运动轨迹带动所述导电材料7运动。
具体为，首先利用UG软件建立制件毛胚模型文件；然后进行处理，导出毛胚粗加工、精加工刀轨的G代码文件；最后将G代码文件导入五轴数控设备打印控制程序，执行以使所述驱动装置2按照运动轨迹带动所述导电材料7运动。
目前用于打印金属的3D打印设备存在以下几个问题：
(1)原材料方面：以微米级金属粉末为主，主要依靠从国外进口，价格高，可选金属及合金种类有限。且粉末本身易漂浮，对人生健康和环境造成危害，所需要的防护成本也很高。
(2)热源设备方面：与其它材料相比，金属及合金熔点相对较高，所需热源以大功率短波长激光器或高能电子束加速器为主来选区熔化金属，因此，热源设备成本较高，且辐照过程中易产生X，γ射线等次生的辐射，所需要的防护成本也很高。
(3)产品表面质量方面：金属3D打印必须通过冶金结合机制(即熔化结晶)才能达到较高的力学性能，而液态金属表面张力均较大，因此产品表面呈现凸凹形貌，达不到如零件般的配合精度要求，还需要后续的机械加工。
相对于传统的用于打印金属的3D打印设备，采用本实施的导电材料一体化加工方法后，在控制装置1的作用下，能够实现电火花沉积模式和电火花切削模式下转换，利用高效电火花熔丝获得金属微小液滴，以液滴溅射沉积的方式堆积成型，最后再利用电火花刻蚀对外表面进行粗、精加工。这种电火花沉积和电火花刻蚀一体化加工设备有效地突破金属3D打印制造中存在的上述问题，制件显微组织细小致密，性能相当锻件，制造成本显著下降，为金属材料增材制造的实际应用提供了有效的技术途径。
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。
