本實(shí)用新型屬于金屬增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬鍛焊增材制造裝置。

背景技術(shù)：

目前，實(shí)現(xiàn)金屬材料冶金結(jié)合的主流方式通常為“熔化-凝固”，其特點(diǎn)是采用熱源熔化同步送進(jìn)的金屬材料，如金屬絲材、粉末等，層層堆積，以堆焊的形式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制造，且制備的金屬材料內(nèi)部顯微組織為凝固組織。為了提高材料的力學(xué)性能、減少內(nèi)部缺陷，后來又發(fā)展出了將熔化沉積增材與熱機(jī)械加工復(fù)合的方法，即通過熔化實(shí)現(xiàn)材料沉積與冶金結(jié)合，再增加滾壓、鍛造或沖擊工藝以細(xì)化晶粒，提高內(nèi)部質(zhì)量，如CN103962560A提供的“一種熔鍛復(fù)合的金屬增材制造裝置”，但其基本原理仍屬于“熔化-凝固”范疇，只是在此基礎(chǔ)上通過增加鍛造使材料變形以改善性能。

以上采取“熔化-凝固”的方案獲得的金屬零件內(nèi)部組織相對于鍛造組織而言十分粗大，且具有明顯的方向性，雖然有部分材料成形后的力學(xué)性能較好，但從普遍意義而言，熔化成形的材料很難達(dá)到與鍛造材料相當(dāng)?shù)木C合性能。另外，熔化堆焊過程中還可能出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等焊接缺陷。雖然熔化結(jié)合鍛造方法可以對內(nèi)部質(zhì)量和性能進(jìn)行改善，但在這種復(fù)合加工方法中，熔化和鍛造分別由兩個(gè)不同的加工單元完成，兩者具有空間上的距離和時(shí)間上的滯后，使得工藝和裝備復(fù)雜程度高；另外，由于熔池小，凝固和冷卻速度快，使得鍛造溫度無法得到有效控制，影響材料的適用范圍和鍛造的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出一種金屬鍛焊增材制造裝置。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：

一種金屬鍛焊增材制造裝置，該裝置包括工作艙，以及與工作艙相連的控制單元，工作艙內(nèi)設(shè)置有可放置工件的鍛造基板，加工單元，以及可帶動加工單元的運(yùn)動單元，運(yùn)動單元設(shè)置于鍛造基板的側(cè)部，加工單元位于運(yùn)動單元的一側(cè)，且加工單元在加工工件時(shí)位于鍛造基板的上方，其中，加工單元包括自運(yùn)動單元至鍛造基板的方向上順次布設(shè)的用于為工件表面提供預(yù)熱溫度的預(yù)熱單元、鍛打單元、送絲器和儲絲器，其中，鍛打單元包括可上下往復(fù)運(yùn)動的鍛錘，鍛錘下方與工件表面之間形成有鍛打區(qū)，送絲器用于將儲存在儲絲器中的金屬絲輸送至鍛打區(qū)，鍛錘在鍛打區(qū)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，以對工件和金屬絲進(jìn)行連續(xù)鍛打。

作為優(yōu)選，工作艙內(nèi)包括可測量工件表面的預(yù)熱溫度的紅外測溫儀。

作為優(yōu)選，工作艙內(nèi)包括可加熱送絲器輸出的金屬絲的熱絲器。

作為優(yōu)選，工作艙內(nèi)還包括可測量加熱后的金屬絲的溫度的測溫儀。

作為優(yōu)選，工作艙內(nèi)還包括可將加熱后的金屬絲精確定量輸送至鍛打區(qū)的送絲導(dǎo)管。

作為優(yōu)選，送絲器內(nèi)設(shè)置有可夾持金屬絲的輥輪，經(jīng)由電極驅(qū)動，可驅(qū)動金屬絲往復(fù)運(yùn)動。

作為優(yōu)選，工作艙為內(nèi)部充滿有惰性氣體的密閉艙室或真空室。

作為優(yōu)選，工作艙內(nèi)包括有可支撐和固定鍛造基板的工作臺，工作臺是靜止的或者是運(yùn)動的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于：

1、該制造裝置可使材料在無需熔化的情況下，直接通過連續(xù)鍛打?qū)崿F(xiàn)送進(jìn)的金屬材料與工件形成原子間結(jié)合，從而能夠顯著降低熱輸入，減小應(yīng)力與變形；

2、該制造裝置結(jié)構(gòu)簡化，可大大降低機(jī)床成本；

3、經(jīng)由該制造裝置制造得到的材料內(nèi)部顯微組織為鍛造組織，晶粒細(xì)，力學(xué)性能優(yōu)良，且不會出現(xiàn)氣孔等焊接常見的冶金缺陷，能夠大大提高金屬增材制造零件性能的可靠性和一致性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型提供的金屬鍛焊增材制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型提供的加工區(qū)域的側(cè)視圖；

以上各圖中：

1、控制系統(tǒng)，2、工作艙，3、X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，4、工作臺，5、Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，6、Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，7、紅外測溫儀，8、預(yù)熱單元，9、鍛打單元，10、儲絲器，11、送絲機(jī)，12、熱絲器，13、測溫儀，14、送絲導(dǎo)管，15、鍛錘，16、金屬絲，17、工件，18、鍛造基板，19、已加工路徑，20、直接加熱區(qū)，21、高溫區(qū)，22、鍛打區(qū)。

具體實(shí)施方式

下面，通過示例性的實(shí)施方式對本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進(jìn)一步敘述的情況下，一個(gè)實(shí)施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實(shí)施方式中。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

參見圖1，本實(shí)用新型提供了一種金屬鍛焊增材制造裝置，該裝置包括工作艙2，以及與工作艙2相連的控制單元1，工作艙2內(nèi)設(shè)置有可放置工件17的鍛造基板18，加工單元，以及可帶動加工單元的運(yùn)動單元，運(yùn)動單元設(shè)置于鍛造基板18的側(cè)部，加工單元位于運(yùn)動單元的一側(cè)，且加工單元在加工工件17時(shí)位于鍛造基板18的上方，其中，加工單元包括自運(yùn)動單元至鍛造基板18的方向上順次布設(shè)的用于為工件17表面提供預(yù)熱溫度的預(yù)熱單元8、鍛打單元9、送絲器10和儲絲器10，其中，鍛打單元9包括可上下往復(fù)運(yùn)動的鍛錘15，鍛錘15下方與工件17表面之間形成有鍛打區(qū)，送絲器10用于將儲存在儲絲器10中的金屬絲輸送至鍛打區(qū)，鍛錘15在鍛打區(qū)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，以對工件17和金屬絲進(jìn)行連續(xù)鍛打。

在上述裝置中，控制單元1可根據(jù)人機(jī)交互指令或自動運(yùn)行程序控制整個(gè)裝置的運(yùn)行。該裝置中包括一運(yùn)動單元，該運(yùn)動單元是由X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)3、Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)6和Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)5構(gòu)成的三維運(yùn)動單元。該三維運(yùn)動單元上載有加工單元，通過控制單元1的控制，三維運(yùn)動單元可帶動加工單元進(jìn)行空間運(yùn)動，從而對工件17和金屬加工原料進(jìn)行操作。

在上述裝置中，加工單元包括預(yù)熱單元8、鍛打單元9、送絲器10和儲絲器10等若干部分，在加工時(shí)，加工單元位于工件17的上方，在非加工時(shí)，則對加工單元的位置沒有固定要求。加工單元8包括的若干部分中，預(yù)熱單元可對工件17表面的局部待加工區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，加熱的方式可以是通過電磁感應(yīng)，也可以通過電子束、激光、電弧、等離子弧等。鍛打單元9可提供高頻率的可控鍛打力，通過鍛錘作用工件17和金屬加工原料，例如金屬絲上。鍛打單元9的驅(qū)動方式有很多種，例如電磁力、液壓、壓縮空氣、機(jī)械式、超聲沖擊等，驅(qū)動方式可根據(jù)不同的材料和工藝進(jìn)行選擇，從而提供相應(yīng)的鍛壓力和鍛打頻率。儲絲器10是儲存金屬絲的裝置，其結(jié)構(gòu)形式可為輪盤式、儲料筒等。送絲器11則由電極驅(qū)動，通過輥輪夾持金屬絲，驅(qū)動金屬絲往復(fù)運(yùn)動，并經(jīng)由送絲導(dǎo)管14實(shí)現(xiàn)精確定量進(jìn)料；送絲方式為脈動式，需要與鍛錘的擊打運(yùn)動相協(xié)調(diào)。

這里需說明的是，裝置中使用的鍛造基板是實(shí)施增材的支撐體，其承接堆積成形的金屬，與金屬絲為同種材質(zhì)，同時(shí)鍛造基板也可是工件17本體的一部分。

在上述裝置中，為了能夠更好地測量工件17表面接收的預(yù)熱溫度，在工作艙2內(nèi)包括可測量工件17表面接收的預(yù)熱溫度的紅外測溫儀7。這里說明的是，在本裝置中，預(yù)熱單元、紅外測溫儀7與控制單元三者組合可以實(shí)現(xiàn)對工件17預(yù)熱部位溫度的閉環(huán)控制，例如可通過控制單元先設(shè)置需要保持的溫度區(qū)間，然后紅外測溫儀7可實(shí)時(shí)檢測預(yù)熱區(qū)的溫度，當(dāng)檢測到的溫度低于設(shè)置的最低溫度時(shí)，預(yù)熱單元持續(xù)預(yù)熱；當(dāng)檢測到的溫度高于設(shè)置的最高溫度時(shí)，預(yù)熱單元停止預(yù)熱。

為了能夠使送絲器輸送的金屬絲的溫度與預(yù)熱后的工件17表面局部溫度相適應(yīng)，并處于合適的鍛打溫度范圍內(nèi)，在工作艙2內(nèi)包括可加熱送絲器10輸出的金屬絲的熱絲器12。需要說明的是，在本裝置中，熱絲器的核心部件為電磁感應(yīng)線圈，其可將線圈內(nèi)部的金屬絲加熱，加熱后的金屬絲可經(jīng)由耐高溫的陶瓷或銅制送絲導(dǎo)管導(dǎo)出，以與工件17在鍛錘下方與工件17表面之間形成的鍛打區(qū)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)鍛打。

在上述裝置中，為了能夠更好地檢測金屬絲的溫度，工作艙2內(nèi)還包括可測量加熱后的金屬絲的溫度的測溫儀13。需要說明的是，熱絲器、測溫儀13與控制單元三者組合可以實(shí)現(xiàn)對金屬絲溫度的閉環(huán)控制，例如可通過控制單元先設(shè)置需要保持的溫度區(qū)間，然后測溫儀13可實(shí)時(shí)金屬絲的溫度，當(dāng)檢測到的溫度低于設(shè)置的最低溫度時(shí)，熱絲器持續(xù)加熱；當(dāng)檢測到的溫度高于設(shè)置的最高溫度時(shí)，熱絲器停止加熱。

在上述裝置中，為了能夠防止金屬材料發(fā)生氧化、氮化等有害化學(xué)反應(yīng)，工作艙2為內(nèi)部充滿有惰性氣體的密閉艙室，這樣可對高溫態(tài)的金屬起到良好的保護(hù)作用，從而為整個(gè)制造裝置提供防護(hù)功能。

本實(shí)用新型還提供了一種利用如上述實(shí)施例所述的金屬鍛焊增材制造裝置的鍛造方法，包括以下步驟：

S1設(shè)計(jì)加工路徑：生成工件的三維模型，將三維模型切片分層，并由起始單層至終止單層依次讀取每一單層的二維輪廓信息，以將工件的三維形狀信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，形成加工路徑；

S2沉積制造過程：控制單元將起始單層的二維輪廓信息轉(zhuǎn)化為移動指令，運(yùn)動單元帶動加工單元按加工路徑運(yùn)動，利用預(yù)熱單元將工件表面局部加熱至設(shè)定溫度T₁，同時(shí)利用熱絲器將金屬絲加熱至設(shè)定溫度T₂，通過送絲器將加熱后的金屬絲送至鍛錘下方與工件表面之間形成的鍛打區(qū)，鍛錘在鍛打區(qū)內(nèi)往復(fù)運(yùn)動對工件和金屬絲進(jìn)行連續(xù)鍛打，以使該單層的二維輪廓被逐漸填充，直至單層沉積完成；

S3移動至下一單層，然后控制單元將下一單層的二維輪廓信息轉(zhuǎn)化為移動指令，重復(fù)步驟S2，直至完成終止單層的沉積。

在上述沉積制造過程中，參照圖2，工件表面的局部，即直接加熱區(qū)20在被預(yù)熱單元加熱至溫度T₁，由于工件移動及熱傳導(dǎo)，在其后方形成高溫區(qū)21，鍛打區(qū)22處于高溫區(qū)21內(nèi)，并在工件的鍛打區(qū)22與加熱后的金屬絲(初始預(yù)熱溫度T2)在鐵錘的往復(fù)運(yùn)動下被連續(xù)鍛打。其中，直接加熱區(qū)20的溫度會高于高溫區(qū)21的溫度，這主要是由于直接加熱區(qū)20和熱絲器的位置與鍛打區(qū)有一定距離，因此，需要將直接加熱區(qū)20的溫度設(shè)置為高于高溫區(qū)21的溫度，并與工件熱物理特性及運(yùn)動參數(shù)配合，從而保證鍛打區(qū)內(nèi)的金屬絲和工件的溫度處于合理的鍛打溫度區(qū)間T₀內(nèi)。

在上述方法中，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)加工路徑步驟中的送絲器的送絲速度和運(yùn)動單元的運(yùn)動速度，使鍛打區(qū)內(nèi)的金屬絲和工件的溫度處于設(shè)定的鍛打溫度區(qū)間T₀中。具體的，在對工件及金屬絲進(jìn)行連續(xù)鍛打形成鍛造組織的過程中，鍛打溫度區(qū)間T₀可以參考同種材質(zhì)鍛件的高溫鍛造溫度區(qū)間。

在上述方法中，本申請對鍛打溫度區(qū)間T₀的上限溫度和下限溫度進(jìn)行了限定，在該鍛打溫度區(qū)間更有利于工件表面局部與金屬絲的鍛打操作，以形成原子間結(jié)合。以兩相鈦合金為例，對鍛打溫度區(qū)間溫度T₀與低溫穩(wěn)定相α、高溫穩(wěn)定相β之間的關(guān)系進(jìn)行說明。為了得到細(xì)晶組織，避免高溫下晶粒長大，鍛打溫度區(qū)間T₀的上限溫度應(yīng)不高于β相相變溫度，即α+β相區(qū)上限溫度；T₀的下限溫度應(yīng)高于α+β相區(qū)的下限溫度。T₀通常應(yīng)處于α+β相區(qū)溫度的上部。進(jìn)一步需要說明的是，工件的直接加熱區(qū)20的溫度T₁、以及金屬絲的加熱溫度T₂不應(yīng)超過β相相變溫度。

在上述方法中，鍛錘鍛打金屬絲時(shí)，將金屬絲離斷，送絲機(jī)帶動金屬絲反抽預(yù)設(shè)距離，以避開鍛錘的上下往復(fù)運(yùn)動。其中，預(yù)設(shè)距離并不是一固定距離，而是根據(jù)鍛錘上下往復(fù)運(yùn)動的頻率以及鍛錘下方距離工件表面的距離所設(shè)定的，目的是為了使金屬絲在不與工件進(jìn)行連續(xù)鍛打的情況下，能夠避開鍛錘的上下往復(fù)運(yùn)動。

此外，還應(yīng)考慮的是金屬絲的送絲時(shí)間以及送絲方法，通常情況下，鍛錘的擊打頻率在1～1000Hz范圍內(nèi)，其中，送絲方式有兩種，一是采用恒定周期，送絲機(jī)在工件與金屬絲被1次或多次擊打后鍛錘上升的間隙進(jìn)行送絲；高頻擊打時(shí)，二是采用在連續(xù)恒定周期多次擊打后，根據(jù)送絲頻率增設(shè)一個(gè)延遲時(shí)間的方式，以完成送絲動作。其中，所提到的延遲時(shí)間并非恒定周期，而是在多個(gè)恒定周期之間增設(shè)的一個(gè)時(shí)間段，該時(shí)間段可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，只要能夠完成送絲動作即可。