[发明专利]一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法

说明书

本发明涉及一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，属于增材制造技术领域。成形室位于框架内固定在底板上，纵向移动超声增材制造系统位于成形室上方在横向平面移动系统内滑动，激光切割系统固定在纵向移动超声增材制造系统上，横向平面移动系统在顶端滑轨内滑动，金属箔片供给系统在中间滑轨内滑动。本发明无需大功率输入，利用超声振动转化为摩擦能实现金属原子之间的结合，通过球形超声头点、线、面连续滚压增材制造，可实现轮廓复杂、高精度零件的增材制造，激光切割保证了零件外廓的精度，运动机构采用滑块沟槽配合，以面接触提高了运动精度。增材制造过程中无需气体保护，无多余粉末产出。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，在静压力下将球形头的振动能量转化为金属箔片层间的摩擦能、形变及有限的升温，并可以通过球形头在金属箔片表面的滚动实现由点到线再到面的连续滚压增材制造，适用于外观几何轮廓变化较大、细节较多的金属零件增材制造。

背景技术

超声波增材制造(UAM)是利用换能器将电能转换为超声振动，通过变幅杆将超声振动放大并传递到超声头，超声头与工件接触将超声振动传递给工件，使工件之间产生高频摩擦，导致接触区域温度升高，从而引发局部的塑性变形，使得接触区域的原子发生结合，实现增材制造。超声波增材制造可实现不同种金属之间连接，且温度低于金属的熔点，无有害物质产出，在航空航天、交通等领域有广泛的应用。

超声波用于金属增材制造的一个主要限制因素在于超声波换能器的功率无法满足某些工作情况的需求。目前，通过推—挽技术，大功率超声波换能器得以实现，为金属箔片的增材制造提供了技术保证。

现阶段，增材制造中超声头主要为平面头和圆柱滚压头，二者与工件接触面积或长度均较大，无法实现细小区域直接增材制造且存在无效工作区域，制约了其实际应用。

发明内容

本发明提供一种球形超声头滚压增减材复合制造装置及方法，以解决现有金属箔片直接成形过程中平面头与成形层接触面积过大，圆柱滚压头与成形层接触线过长造成的无效成形区域及复杂轮廓成形困难、精度差的问题，同时解决了圆柱滚压增材制造过程中换能器与变幅杆水平空间占用率大的问题。

本发明采取的技术方案是，球形超声头滚压增减材复合制造装置：

包括框架、成形室、纵向移动超声增材制造系统、激光切割系统、横向平面移动系统、金属箔片供给系统，所述的成形室位于框架内并固定在底板上，所述的纵向移动超声增材制造系统位于成形室上方并在横向平面移动系统内滑动，所述的激光切割系统位于框架内并固定在纵向移动超声增材制造系统上，所述的横向平面移动系统位于成形室上方并在顶端滑轨内滑动，所述的金属箔片供给系统位于成形室上方并在中间滑轨内滑动。

所述的框架由底板、侧柱、顶端滑轨和中间滑轨组成，侧柱通过螺栓连接固定在底板上，顶端滑轨及中间滑轨分别通过螺栓连接固定在侧柱上。

所述的成形室由基座、导杆一、实心导杆、面板、滚珠丝杠一、套筒、支架一、蜗轮蜗杆机构、电机一组成，所述的基座固定在框架的底板上，所述的滚珠丝杠一通过圆柱轴承与底板连接，所述的套筒与滚珠丝杠一通过螺纹连接，所述的支架一固定在底板上，所述的电机一固定在支架一上并通过联轴器与蜗轮蜗杆机构的蜗杆相连，通过电机一的转动带动蜗轮蜗杆机构中的蜗杆进而带动滚珠丝杠一转动，从而与套筒配合推动面板竖向移动，所述的导杆一固定在基座上，所述的实心导杆插入导杆一中并可在其中沿竖直方向滑动，与套筒共同保证面板的运动平稳，所述的面板固定在实心导杆与套筒上。