一种增材制造梯度陶瓷刀具的装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造梯度陶瓷刀具的装置及方法。

背景技术

增材制造技术已广泛应用在加工制造领域，该技术不需要模具就可以使工件在基板上直接成形，根据设计的数模将工件一层一层制造出来。

制造陶瓷刀具的传统方法如下：刀柄的加工流程为：剪板开料—冲坯—冲眼—调直—迫刀—热处理—水磨—打砂—抛光；刀片的加工流程为：开刃口—打披锋—钉刀—注塑—批水口—改刀—打水磨砂带—除蜡—表面处理。从上面可以看出，陶瓷刀具的传统制造存在着下面问题：一、刀柄在剪板开料冲坯时需要使用模具，成本较高；二、整个制造过程复杂，生产周期长；三、由于制造工序较多，因此陶瓷刀具的刀柄毛坯需要预留较多的加工量，造成材料的浪费；四、刀片和刀柄之间焊接在一起，容易分离；五、刀片材料的成分固定，如果陶瓷含量太高，刀片脆性太大；陶瓷含量太低，刀片韧性则不足。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种增材制造梯度陶瓷刀具的装置及方法，当装置工作时，激光头按照设定好的增材路径进行增材制造，很快地得到近净成形的刀具，实现了刀具的快速批量化制造。同时，进行刀片增材时，送粉器输送的粉末为不同比例的陶瓷颗粒与金属颗粒的混合粉末，使刀片由两侧到心部具有不同含量的陶瓷颗粒，既保证了刀片具有足够的耐磨性以及韧度，又具有一定的硬度。

本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的装置，它包括控制柜、机器人、激光发生器、送粉器、水冷系统、显示器、保护气瓶、激光测量装置、操作室、基板、激光头；控制柜与机器人电连接，机器人的手臂夹持激光头的上部，激光发生器、送粉器、水冷系统分别通过导线或导管与激光头连接，操作室为透明箱体，激光测量装置设置在操作室的观察口处，激光测量装置与显示器电相连，保护气瓶通过管道与操作室相连，基板设置在操作室内，激光头的下部位于操作室内且在基板的上面。

其中，控制柜用于控制机器人行走，机器人通过手臂夹持激光头的上部带动激光头运动；送粉器用于将粉末输送到基板的表面上；激光发生器用于产生激光束并传输至激光头，使基板上的粉末熔化，冷却凝固后得到刀具毛坯；水冷系统通过进水、出水两条管道与激光头相连，形成去离子水的冷却循环系统，即去离子水从水冷系统内通过进水口流入激光头后再由出水口流入水冷系统内，以降低激光头工作时的温度；保护气瓶用于将保护气输送到操作室的内部；激光测量装置实时监测基板表面增材过程中得到的刀具的毛坯尺寸，并将数据实时反馈显示在显示器的屏幕上。

其中，送粉器与KUKA机器人联动，通过机器人的控制面板程序可实现机器人和送粉器中两个粉桶转速的调节。

本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的方法，它包括如下步骤：一、前期准备；二、确定增材路径：三、增材前准备；四、增材制造刀柄；五、增材制造刀片；六、精加工刀具。

本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的方法具体为：

一、前期准备：清理基板的表面；烘干金属粉末；

二、确定增材路径：根据刀柄的尺寸及表面形状，规划增材过程中的扫描路径，并设定沿水平方向(即长、宽方向)上的增材区域各边界均比规定值宽2mm，沿竖直方向(即高度方向)比规定值高1mm；

三、增材前准备：首先打开保护气瓶往操作室内通入保护气体，接着打开水冷系统、激光发生器，在送粉器中的两个粉桶中分别装入金属粉末、陶瓷粉末后打开送粉器；

四、增材制造刀柄：按照步骤二中确定好的刀柄扫描路径增材制造刀柄，增材过程中激光测量装置实时测量增材得到的刀柄的厚度，当厚度达到设定要求时，暂停增材；

五、增材制造刀片：根据刀片的形状，设定由刀片中心沿前刀面向主切削刃环形增材，其中刀片中心增材所输送的粉末为与刀柄相同材料的金属粉末；之后每向外扩展一次，装有陶瓷粉末粉桶的转速增大10％，装有金属粉末粉桶的转速减小10％；增材过程中激光测量装置实时测量刀片的尺寸，当刀片的长度和宽度比规定值大1mm时，第一层增材完成；之后抬升激光头，重复上一层增材所述操作；当刀片的高度比规定值大1mm时，结束增材；依次关闭各增材设备；

六、精加工刀具：使用线切割设备将刀具的毛坯从基板的上面切下，然后对刀具毛坯进行加工，当刀具的毛坯各边界尺寸达到规定值时，用砂轮对刀具的毛坯进行开刃，得到梯度陶瓷刀具。

进一步地，步骤一中：使用铁刷刷洗基板的表面，去除其表面的污物及氧化物薄膜，并用酒精溶液清洗然后吹干；同时在烘干机中烘干金属粉末。

进一步地，步骤三中：保护气瓶预先往操作室内通入5min的99.99％Ar，，以排尽操作室腔体内的空气使腔内为真空，从而保证增材制造的质量。

进一步地，步骤四中：当暂停增材时，保护气瓶、水冷系统持续工作，送粉器、激光发生器停止工作。

进一步地，步骤五中：在制造刀片的过程中，送粉器中两个粉桶的总转速不变，随着装有陶瓷粉末粉桶的转速的增大、装有金属粉末粉桶的转速的减小，混合粉末中陶瓷颗粒的含量逐渐地增多。

进一步地，步骤六中：对刀具毛坯的加工包括进行自由锻(氩气保护)、打磨、抛光等操作。对刀具毛坯的加工包括进行自由锻(氩气保护)、打磨、抛光等操作。

本发明增材制造梯度陶瓷刀具的装置和方法的优点是：一、激光头根据设定好的增材路径进行增材制造，使刀具在基板上直接成形且实现了近净成形，节约了材料，降低了成本；不需要使用模具，实现了刀具的快速批量化制造；二、刀片是在刀柄上直接增材得到，两者形成了一个整体不会相分离；三、在增材制造刀片时，通过调节送粉器中装有陶瓷粉末和金属粉末的两个粉桶的转速比，实现不同比例的混合粉末输送，使刀片由刀片中心到主、副切削刃具有不同含量的陶瓷颗粒，即在刀片中心使用陶瓷颗粒含量较低的混合粉末，在主、副切削刃部分使用陶瓷含量较高的混合粉末，既保证了刀片具有足够的耐磨性以及韧度，又具有一定的硬度。

附图说明

图1是本发明增材制造梯度陶瓷刀具装置的示意图；

图2是本发明增材制造梯度陶瓷刀具方法的流程图；

图3是本发明增材制造梯度陶瓷刀具中刀片的增材路径；

图4是本发明梯度陶瓷刀具的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本实施例的描述中，术语“侧面”、“内部”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。

实施例1

如图1所示，本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的装置，它包括控制柜1、机器人2、激光发生器3、送粉器4、水冷系统5、显示器6、保护气瓶7、激光测量装置8、操作室9、基板10、激光头12；控制柜1与机器人2电连接，机器人2的手臂夹持激光头12的上部，激光发生器3、送粉器4、水冷系统5分别通过导线或导管与激光头12连接，操作室9为透明箱体，激光测量装置8设置在操作室9的观察口处，激光测量装置8与显示器6电相连，保护气瓶7通过管道与操作室9相连，基板10设置在操作室9内，激光头12的下部位于操作室9内且在基板10的上面。

其中，水冷系统5中的液体优选为去离子水。

本发明装置中：控制柜1用于控制机器人2行走，机器人2通过手臂夹持激光头12的上部带动激光头运动；送粉器4用于将粉末输送到基板10的表面上；激光发生器3用于产生激光束并传输至激光头12，使基板10上的粉末熔化，冷却凝固后得到刀具毛坯11；水冷系统5通过进水、出水两条管道与激光头12相连，形成去离子水的冷却循环系统，即去离子水从水冷系统5内通过进水口流入激光头12后再由出水口流入水冷系统5内，以降低激光头12工作时的温度；保护气瓶7用于将保护气输送到操作室9的内部；激光测量装置8实时监测基板10表面增材过程中得到的刀具11的毛坯尺寸，并将数据实时反馈显示在显示器6的屏幕上。

其中，送粉器4与KUKA机器人2联动，通过机器人的控制面板程序可实现机器人2和送粉器4中两个粉桶转速的调节。

实施例2

如图2所示，本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的方法，它包括以下步骤：一、前期准备；二、确定增材路径：三、增材前准备；四、增材制造刀柄；五、增材制造刀片；六、精加工刀具。

实施例3

如图2所示，本发明一种增材制造梯度陶瓷刀具的方法，其具体步骤为：

一、前期准备：清理基板10的表面；烘干金属粉末；

二、确定增材路径：根据刀柄111的尺寸及表面形状，规划增材过程中的扫描路径，并设定沿水平方向(即长、宽方向)上的增材区域各边界均比规定值宽2mm，沿竖直方向(即高度方向)比规定值高1mm；

三、增材前准备：首先打开保护气瓶7往操作室9内通入保护气体，接着打开水冷系统5、激光发生器3，在送粉器4中的两个粉桶中分别装入金属粉末、陶瓷粉末后打开送粉器；

四、增材制造刀柄：按照步骤二中确定好的刀柄扫描路径增材制造刀柄，增材过程中激光测量装置8实时测量增材得到的刀柄的厚度，当厚度达到设定要求时，暂停增材；

五、增材制造刀片：根据刀片112的形状，设定由刀片中心沿前刀面1126向主切削刃1124环形增材，如图3所示，其中刀片中心增材所输送的粉末为与刀柄111相同材料的金属粉末；之后每向外扩展一次，装有陶瓷粉末粉桶的转速增大10％，装有金属粉末粉桶的转速减小10％；增材过程中激光测量装置8实时测量刀片112的尺寸，当刀片112的长度和宽度比规定值大1mm时，第一层增材完成；之后抬升激光头12，重复上一层增材所述操作；当刀片112的高度比规定值大1mm时，结束增材；依次关闭各增材设备；

六、精加工刀具：使用线切割设备将刀具11的毛坯从基板10的上面切下，然后对刀具毛坯进行加工，当刀具11的毛坯各边界尺寸达到规定值时，用砂轮对刀具11的毛坯进行开刃，得到梯度陶瓷刀具。

本发明通过增材制造得到的梯度陶瓷刀具如图4所示，它包括刀柄111和刀片112。如图3所示，刀片112中：1123为刀尖、1124为主切削刃、1122为副切削刃、1126为前刀面、1125为主后刀面、1121为副后刀面。

实施例4

本发明方法的步骤一中：使用铁刷刷洗基板10的表面，去除其表面的污物及氧化物薄膜，并用酒精溶液清洗然后吹干；同时在烘干机中烘干金属粉末。

实施例5

本发明方法的步骤三中：保护气瓶7预先往操作室9内通入5min的99.99％Ar，，以排尽操作室腔体内的空气使腔内为真空，从而保证增材制造的质量。

实施例6

本发明方法的步骤四中：当暂停增材时，保护气瓶7、水冷系统5持续工作，送粉器4、激光发生器3停止工作。

实施例7

本发明方法的步骤五中：在制造刀片112的过程中，送粉器4中两个粉桶的总转速不变，随着装有陶瓷粉末粉桶的转速的增大、装有金属粉末粉桶的转速的减小，混合粉末中陶瓷颗粒的含量逐渐地增多。

实施例8

本发明方法的步骤六中：对刀具毛坯11的加工包括进行自由锻(氩气保护)、打磨、抛光等操作。

本发明增材制造梯度陶瓷刀具的装置和方法的优点是：一、激光头根据设定好的增材路径进行增材制造，使刀具在基板上直接成形且实现了近净成形，节约了材料，降低了成本；不需要使用模具，实现了刀具的快速批量化制造；二、刀片是在刀柄上直接增材得到，两者形成了一个整体不会相分离；三、在增材制造刀片时，通过调节送粉器中装有陶瓷粉末和金属粉末的两个粉桶的转速比，实现不同比例的混合粉末输送，使刀片由刀片中心到主、副切削刃具有不同含量的陶瓷颗粒，即在刀片中心使用陶瓷颗粒含量较低的混合粉末，在主、副切削刃部分使用陶瓷含量较高的混合粉末，既保证了刀片具有足够的耐磨性以及韧度，又具有一定的硬度。

因此，本发明增材制造梯度陶瓷刀具的工艺简单、生产周期短、加工余量小、无需开模、刀片的使用时间长、生产成本低。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。