一种3d打印金属零件用手持式表面光整加工装置
阅读说明：本技术 一种3d打印金属零件用手持式表面光整加工装置 (3D prints metal parts and uses hand-held type surface finishing processingequipment ) 是由 邱鹏 郑成凯 徐玉缀 闫明 陈德成 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于光整加工技术领域,具体涉及一种3D打印金属零件用手持式表面光整加工装置,利用超声波冲击挤压件,使挤压件产生超声机械振动,将超声机械振动和超声波冲击强化结合,使工具头在工件表面形成超声滚压动作,从而对工件表面进行挤压塑性变形,有效降低了3D打印金属零件表面粗糙度和改善表面性能,也大大减少了对零件本身的破坏。(The invention belongs to the technical field of finishing processing, and particularly relates to a handheld surface finishing processing device for 3D printed metal parts.)
技术领域
本发明属于光整加工技术领域，具体涉及一种3D打印金属零件用手持式表面光整加工装置。
背景技术
3D打印技术可以弥补传统制造业无法顺利制造的复杂零件，具有不需模具和制造成本对设计的复杂性不敏感的特点，因此逐渐流行。但是制约金属3D打印发展的瓶颈之一是表面粗糙度，表面粗糙度易引起应力集中，对零件静态力学性能影响最大，劣化3D打印金属零件耐磨性、耐蚀性、疲劳强度等，从而限制3D打印技术在航空航天、汽车工业和石油化工等领域的推广，尤其是航空航天领域大型复杂金属零件的制备与应用。造成表面粗糙度高的主要因素是表面未完全熔化的粉末颗粒和计算机模型与切片策略之间不匹配引起的台阶效应。因此，将3D打印技术与合适的表面处理技术结合，提高金属表面精度，突破3D打印技术在汽车、航空航天领域的瓶颈。
目前，研究者通过机加工、喷丸、化学腐蚀等手段改善表面粗糙度，如ThéoPersenot(参见Persenot T，Martin G，Dendievel R，et al.Enhancing the tensileproperties of EBM as-built thin parts：effect of HIP and chemical etching[J].Materials Characterization，2018，143：82-93.)等以TC4ELI球形粉末为原料，采用EBM技术制备了标称尺寸为Φ2×10mm的圆柱形拉伸试样，研究了热等静压(HIP)、化学腐蚀、HIP+化学腐蚀3种后处理方法对样品性能的影响。研究表明，化学腐蚀对降低样品表面粗糙度也有显著作用。虽然机加工、喷丸、化学腐蚀等手段可以改善表面粗糙度，但在一定程度上损坏了零件本身或降低零件性能。
发明内容
本发明提供了一种3D打印金属零件用手持式表面光整加工装置，利用超声波冲击挤压件，使挤压件产生超声机械振动，以对工件表面进行挤压。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印金属零件用手持式表面光整加工装置，包括：外壳；超声波发生器，连接外壳的一侧；挤压件，位于外壳的另一侧；超声波调节机构，位于外壳的内部，其两端分别与超声波发生器、挤压件相接；其中所述超声波发生器通过超声波调节机构对挤压件进行超声波冲击，以使挤压件产生超声机械振动，对工件表面进行挤压。
进一步，所述外壳为枪式结构，包括：互相垂直设置的手持部和安装部；其中所述安装部内设有容纳超声波调节机构的第一空腔；所述挤压件和所述超声波发生器分别连接在第一空腔的两端。
进一步，所述挤压件包括：工具头座，其一端可拆卸安装在外壳上；工具头，活动安装在工具头座的相对另一端；其中所述工具头为球形，适于在工件表面滚动的同时通过超声波的冲击产生超声机械振动，以在工件表面形成超声滚压动作。
进一步，所述工具头座呈圆椎体状，其大径端通过内螺纹连接所述安装部，其小径端通过卡接孔安装所述工具头。
进一步，所述超声波调节机构包括：超声波换能器，位于所述第一空腔内；超声波变幅杆，连接在超声波换能器的一侧；其中所述工具头适于在超声滚压动作时与超声波变幅杆抵触，以通过超声波变幅杆调整超声波换能器与工具头之间的负载匹配。
进一步，所述第一空腔内分布有间隔设置的若干圆环和圆片；所述超声波换能器适于穿过所述圆环；所述超声波换能器的一端抵在圆片上，其相对另一端与安装部的端部齐平；以及所述超声波换能器的一端通过超声波输出线穿过圆片上的圆孔与超声波发生器连接。
进一步，所述工具头座内开设有适于容纳超声波变幅杆的第二空腔；所述超声波变幅杆适于穿过第二空腔，以与工具头接触。
进一步，所述超声波变幅杆与超声波换能器之间通过螺纹连接。
本发明的有益效果是，本发明的手持式表面光整加工装置利用超声波冲击挤压件，使挤压件产生超声机械振动，从而对工件表面进行挤压塑性变形，有效降低了3D打印金属零件表面粗糙度和改善表面性能，也大大减少了对零件本身的破坏。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的手持式表面光整加工装置的剖视图；
图2是本发明的手持式表面光整加工装置(不含超声波发生器)的立体图；
图3是本发明的外壳的剖视图；
图中：外壳1，手持部11，安装部12，第一空腔121，圆环122，圆片123，圆孔124，超声波发生器2，挤压件3，工具头座31，工具头座31的大径端311，工具头座31的小径端312，工具头32，超声波调节机构4，超声波换能器41，超声波变幅杆42。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1-图3，本实施例提供了一种3D打印金属零件用手持式表面光整加工装置，包括：外壳1；超声波发生器2，连接外壳1的一侧；挤压件3，位于外壳1的另一侧；超声波调节机构4，位于外壳1的内部，其两端分别与超声波发生器2、挤压件3相接；其中所述超声波发生器2通过超声波调节机构4对挤压件3进行超声波冲击，以使挤压件3产生超声机械振动，对工件表面进行挤压。
其中，所述挤压件3包括：工具头座31，其一端可拆卸安装在外壳1上；工具头32，活动安装在工具头座31的相对另一端。所述超声波调节机构4包括：超声波换能器41，位于所述第一空腔121内；超声波变幅杆42，连接在超声波换能器41的一侧；所述超声波变幅杆42与超声波换能器41之间通过螺纹连接。相较于机加工、喷丸、化学腐蚀等手段，本案利用超声波发生器2和超声波换能器41发出超声波，通过超声波变幅杆42到达工具头32，使工具头32在工具头座31内进行超声机械振动，在挤压工件表面的同时对工件表面进行超声波的冲击强化，使其产生塑性变形，可以有效降低3D打印金属零件表面粗糙度和改善表面性能，并能最大限度地减少对零件本身的破坏。
作为外壳的一种可选的实施方式。
见图2和图3，所述外壳1为枪式结构，包括：互相垂直设置的手持部11和安装部12；其中所述安装部12内设有容纳超声波调节机构4的第一空腔121；所述挤压件3和所述超声波发生器2分别连接在第一空腔121的两端。具体的，所述外壳为左右对称结构，通过卡栓嵌入插槽中即可组装完成。
可选的，所述安装部12为圆筒状，其内部为空心，形成所述第一空腔121，所述第一空腔121内分布有间隔设置的若干圆环122和圆片123；所述超声波换能器41适于穿过所述圆环122；所述超声波换能器41的一端抵在圆片123的侧面，其相对另一端与安装部12的端部齐平；以及所述超声波换能器41的一端通过超声波输出线21穿过圆片123上的圆孔124与超声波发生器41连接。
可选的，所述圆环122为至少两个。
本实施方式的外壳采用带有手柄的枪式结构，可手持手柄对工件进行平、仰、俯等多位置光整加工，使用方便灵活。将声波换能器和超声波变幅杆安装在安装部12的第一空腔121内，通过一空腔121内的多个圆环122和一个有圆孔124的圆片123进行定位和固定，具有结构简单，手持方便的优点。
作为挤压件的一种可选的实施方式。
见图1，所述工具头座31呈圆椎体状，其大径端311通过内螺纹连接所述安装部12，其小径端312通过卡接孔安装所述工具头32。所述工具头座31内开设有适于容纳超声波变幅杆42的第二空腔；所述超声波变幅杆42适于穿过第二空腔，以与工具头32接触。工具头座为可拆卸结构，通过内螺纹的连接方式与外壳连接，利于更换工具头，提高应用范围。
见图1，所述工具头32为球形，可以在卡接孔内自由活动，也可以通过超声波的作用产生超声机械振动，同时结合人工使工具头32在工件表面进行超声滚压，使工具头32在超声滚压时与超声波变幅杆42抵触，以通过超声波变幅杆42调整超声波换能器41与工具头32之间的负载匹配，工具头通过接触超声变幅杆参与超声波机械振动，可以减小谐振阻抗，提高超声波的传输效率，利于实现对工件表面进行超声滚压，使工件表面塑性变形更加均匀，降低表面粗糙度，达到表面光整加工目的，提高耐磨度等机械性能。
本案中，手持式表面光整加工装置对3D打印金属零件进行表面光整加工的具体过程如下：
先通过人工握住手柄(即手持部)手持装置，以一定静压力使工具头与工件表面接触；然后打开超声波发生器，超声波发生器与超声波换能器相连，调节超声波发生器与超声波换能器的频率一致，超声波发生器把工频交流电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作。超声波换能器将输入的电功率转换成机械功率即超声波，再传递出去，通过超声波变幅杆将超声能量集中在较小的面积上聚能，实现高频振动。超声波变幅杆与球状工具头接触，使工具头产生超声机械振动。当持式表面光整加工装置对3D打印金属零件表面的缺陷处进行接触扫描时，利用工具头以一定静压力对3D打印金属零件表面挤压的同时，对工件表面进行超声波的滚压冲击强化，将超声机械振动和超声波冲击强化结合，使工具头在工件表面形成超声滚压动作，使工件表面塑性变形更加均匀，降低表面粗糙度，达到表面光整加工目的，提高耐磨度等机械性能。
综上所述，本发明的手持式表面光整加工装置利用超声波高频振动原理，使超声波发生器产生超声信号经超声波换能器和超声波变幅杆的转换和放大作用，使工具头产生超声波振动，在工具头静压力和冲击力的作用下，以一定静压力对3D打印金属零件表面挤压的同时，对工件表面进行超声波的冲击强化，通过微小的塑性变形使表面凹凸缺陷趋于平整，使表面粗糙度降低，残余应力降低。将外壳设计为枪式结构，不需对零件进行夹紧，可通过手持式表面光整加工装置对零件表面进行平、仰、俯等多位置光整加工，使用灵活方便，适用于形状简单或复杂零件；与此同时，工具头也为可更换的球状工具头，不仅适用于平面或曲面零件的光整加工而且提高了装置的使用率，节约成本。因此，本案的手持式表面光整加工装置不仅可以改善3D打印金属零件的表面粗糙度，优化3D打印金属零件耐磨性、耐蚀性、疲劳强度等，而且手持式加工，使用简单方便，不需要对零件使用夹紧装置。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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