本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，屬于具體的生產(chǎn)制造和加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

環(huán)件的制造技術(shù)廣泛應(yīng)用在機械，汽車，火車，船舶，石油化工，航空航天，原子能等許多工業(yè)領(lǐng)域。其中各行業(yè)對大型環(huán)件的需求量越來越大，如運載火箭過度環(huán)，壓力容器及核反應(yīng)堆的加強圈等。傳統(tǒng)的制造工藝主要采取環(huán)件軋制的方式，國內(nèi)許多單位已軋制出直徑達到5m的整體環(huán)件，對于5m以上的環(huán)件制作僅有少數(shù)單位研制成功，如首都航天機械公司在新一代運載火箭背景下采用多向鍛造采用多向鍛造和環(huán)軋工藝，研制出9m超大直徑2219鋁合金整體環(huán)件。但是軋制工藝也有突出的問題如環(huán)件及軋輥強烈自激振蕩，軋制件界面輪廓在軋制中回復(fù)，環(huán)件突然壓扁等，任一現(xiàn)象多會破化軋制過程的穩(wěn)定性并產(chǎn)生軋制廢品。因此，需要一種新型的制作技術(shù)和設(shè)備來制造超大型環(huán)形薄壁件。

近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展日益成熟。狹義的是指當(dāng)前出現(xiàn)的快速原型技術(shù)(或稱為3d打印技術(shù))，以及基于快速原型的快速模具與金屬零件的快速制造技術(shù)等。主要的制造工藝有激光粉末燒結(jié)，激光融覆成型，電子束熔化等。所能成型的材料有尼龍纖維，合金材料等。其技術(shù)具有數(shù)字制造，降維制造，堆積制造，直接制造，快速制造等優(yōu)勢。因此，增材制造方式將會是大型薄壁環(huán)件制造潛在選擇之一，而研究設(shè)計相對應(yīng)的增材制造裝置也就成為了一個重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利主要是針對大型薄壁環(huán)件的增材制造技術(shù)的空缺，設(shè)計的一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，能夠通過增材制造方式制造鋁合金環(huán)件，通過旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)在底座電機的帶動下實現(xiàn)圓形軌跡。二自由度增材系統(tǒng)中的一體化增材槍頭，在滾珠絲桿套裝的帶動下，在旋轉(zhuǎn)的堆積平臺實現(xiàn)金屬環(huán)件的堆積制造。本發(fā)明專利裝置結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，具備耗損低、精度高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)大型薄壁環(huán)件的快速成型。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，主要由兩個模塊組成，一是旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)，包括底座電機，減速器，中心旋轉(zhuǎn)圓盤，矩形空心連接桿，外環(huán)平臺；二是二自由度增材系統(tǒng)，包括一體化專用槍頭、z軸滾珠絲杠套裝、x軸滾珠絲杠套裝、伺服電機、絲材儲存桶、送絲機、工作平臺、圓柱體支撐柱、底座。其中旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的電機通過減速器降速并輸出高轉(zhuǎn)矩，使中心旋轉(zhuǎn)平臺在輸出軸的直接作用下旋轉(zhuǎn)，通過矩形空心連接桿帶動外環(huán)平臺繞中心旋轉(zhuǎn)，形成環(huán)形件的加工路徑。二自由度增材系統(tǒng)通過控制x軸與z軸電機可實現(xiàn)豎直二自由度平面上的增材噴頭的運動，工作時，絲桶不斷送出絲料，抽絲機將絲料進一步送向噴頭。氬氣保護氣氣罐通過氣管往碰頭送入保護氣氬氣，通入電源，激發(fā)電子束，絲料在氬氣環(huán)境下熔融，從而實現(xiàn)增材。通過旋轉(zhuǎn)架支撐平臺的旋轉(zhuǎn)和二自由度增材系統(tǒng)的二自由度送料運動的組合，進而完成金屬薄壁環(huán)件的堆積成型。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的底座電機選用三相異步電動機，使用凸緣剛性連軸器實現(xiàn)電機到減速器的降速增矩；減速器的減速比根據(jù)所需加工速度進行設(shè)計。通過電機旋轉(zhuǎn)運動形成圓形的加工軌跡，增材噴頭堆積弧狀薄壁。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的外環(huán)平臺由12個外環(huán)支撐架組成，外環(huán)支撐架為30度弧度件，截面為凹形，以加強剛性減少變型。兩端為沿著半徑方向的矩形截面，上有螺栓孔，以通過螺栓與相鄰弧度件連接?；〖行模b有滾輪，與地面直接接觸，以實現(xiàn)運動是支撐作用。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的矩形連接桿，材料為45鋼，為空心結(jié)構(gòu)，兩段有螺栓孔，直徑均為24mm，所需數(shù)量為12件。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的中心旋轉(zhuǎn)圓盤，上端結(jié)構(gòu)為圓形，有12處沿半徑方向外延的矩形突出段，上有螺栓連接孔，均勻分布。下端結(jié)構(gòu)為圓柱形，內(nèi)有為與減速器輸出軸相配合的孔。上下端結(jié)構(gòu)之間有加強筋，以增強整體剛性。為減少質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量，可在此基礎(chǔ)上可留出減重孔。

所述二自由度增材系統(tǒng)的工作平臺上布置有一體化專用槍頭、絲材儲存桶、送絲機，z軸滾珠絲杠套裝、x軸滾珠絲杠套裝及相應(yīng)的伺服電機；x軸滾珠絲杠水平方向布置，z軸滾珠絲杠豎直方向布置，并配有相應(yīng)電源和氬氣保護氣。

所述二自由度增材系統(tǒng)的末端一體化碰頭由兩個部分組成，包括槍頭、推絲機，對于保護氣的氣體流量控制，工作時選擇15l/min的氣體流量。

所述二自由度增材系統(tǒng)的工作平臺下部為圓柱體支撐柱，最下端為回轉(zhuǎn)形嵌套件，與地面的接觸面為圓盤，上有8個圓周分布的地釘孔。

本發(fā)明的有益效果是:

1.本發(fā)明采用金屬增材的方式實現(xiàn)大型薄壁環(huán)件的制造，避免了傳統(tǒng)機械加工減材加工對材料的損耗，具備快速成型的特點；

2.本發(fā)明采用二自由度的增材系統(tǒng)，使用滾珠絲杠作為移動的執(zhí)行機構(gòu)，能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，并能有效提高加工精度。

附圖說明

圖1整體示意圖

圖2旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)

圖3二自由度增材系統(tǒng)

圖中：1.旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)；2.二自由度增材系統(tǒng)；3.底座電機；4.減速器；5.中心旋轉(zhuǎn)平臺；6.矩形空心連接桿；7.外環(huán)平臺架；8.圓柱體支撐柱；9.底座；10.工作平臺；11.z軸滾珠絲杠；12.x軸滾珠絲杠；13.伺服電機；14.一體化專用槍頭；15.送絲機；16.絲材儲存桶。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明由旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)1和二自由度增材系統(tǒng)2組成。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的底座電機3通過聯(lián)軸器與減速器4相連，從而實現(xiàn)降速增矩。減速器通過內(nèi)置齒輪布置，將水平指向轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)為豎直指向轉(zhuǎn)矩輸出。中心旋轉(zhuǎn)平臺5受減速器輸出轉(zhuǎn)矩作用，通過矩形空心連接桿6，將轉(zhuǎn)矩傳遞至外圍的外環(huán)平臺架7，外環(huán)旋轉(zhuǎn)架平臺可視為一個剛性件繞減速器輸出軸旋轉(zhuǎn)，為金屬增材提供堆積平臺，形成環(huán)形件的加工路徑。

如圖3所示，二自由度增材系統(tǒng)通過圓柱體支撐柱8、底座9將工作平臺10固定在所需要的位置；工作平臺10上端固定有z軸滾珠絲杠11和x軸滾珠絲杠12及各自相應(yīng)的伺服電機13，一體化專用槍頭14固定在z軸的滾珠絲杠上，并配有送絲機15和相應(yīng)的絲材儲存桶16提供絲材。二自由度增材系統(tǒng)通過控制x軸與z軸伺服電機13實現(xiàn)豎直二自由度平面上的增材噴頭的運動，工作時，絲材儲存桶16不斷送出絲料，抽絲機15將絲料進一步送向一體化專用槍頭14。氬氣保護氣氣罐通過氣管往碰頭送入保護氣氬氣，通入電源，激發(fā)電子束，絲料在氬氣環(huán)境下熔融，從而實現(xiàn)增材。

通過旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和二自由度增材系統(tǒng)的二自由度送料運動的組合，完成環(huán)件的堆積成型。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，屬于具體的生產(chǎn)制造和加工領(lǐng)域。該裝置具體功能是使用鋁合金材料，通過3D打印的方式增材制造大型薄壁環(huán)型件；主要包括兩個部分，一是旋轉(zhuǎn)架支撐平臺系統(tǒng)，用于提供環(huán)形件成型的平臺，包括底座電機，減速器，中心旋轉(zhuǎn)圓盤，矩形空心連接桿，外環(huán)平臺等部分；二是二自由度增材系統(tǒng)，用于環(huán)形件送料和成型，具有水平與豎直兩個自由度，包括一體化專用槍頭、Z軸滾珠絲杠套裝、X軸滾珠絲杠套裝、伺服電機、絲材儲存桶、送絲機、工作平臺、圓柱體支撐柱、底座等部分。本發(fā)明能夠通過增材的方式完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型薄壁環(huán)件的制造，能夠避免傳統(tǒng)機械加工存在的問題，具有耗損低、精度高的特點，可適應(yīng)于多種結(jié)構(gòu)的薄壁環(huán)件的加工制造。

技術(shù)研發(fā)人員：吳瓊;謝東健;張以都;李磊;高瀚君
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.08.02
技術(shù)公布日：2017.09.29