CN107052340A - 将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法 - Google Patents

将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增减材制造领域，具体为一种将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法。工作台装于床身前部中间位置并水平设置，工作台内有成型腔，成型腔可沿竖直方向上下移动，成型腔内可安装基板，增减材复合制造在基板上进行；所述的铺粉装置安装在工作台上，位于工作台的一端；激光发生器与激光扫描***固定于床身前部的正上方；供粉装置位于床身外侧；刀库位于床身前部一侧，刀库内装有刀具；所述的主轴装于床身前部，可沿X、Y、Z三个方向的滑动导轨滑动，增材制造时主轴位于工作台一端，减材加工时主轴移动至工作台正上方，主轴下部安装刀具，刀具与主轴之间安装有超声切削装置；所述的粉末回收装置设置于工作台的下部。

Description

将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工 方法
技术领域
本发明涉及增减材制造领域，具体为一种将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法。
背景技术
金属零件的传统制造工艺主要是通过车削、铣削等机械减材加工方式对原材料进行去除，最终得到满足质量和精度要求的零件，不仅浪费材料而且难以加工出复杂曲面的零件；增材制造则是将三维实体离散为若干个二维平面，通过逐层叠加材料进行生产，最终形成三维零件，能够有效的减少原材料的浪费，并且可以加工任意形状的复杂零件，缺点是工件的表面质量较差，精度也难以达到要求。采用增减材复合制造将二者结合起来，在增材制造一定层数后引入减材工艺，实时对沉积材料进行高精度的减材加工，弥补了纯增材工件表面质量差，尺寸精度低的问题，同时又能成形传统减材工艺不能制造的复杂几何形状零件。因此是一种发展潜力巨大的加工方法。
增减材复合制造工艺中的增材制造过程是利用高能束熔化金属成形材料，它以高能移动热源沿着规划好的路径逐步进行扫描，刚完成增材成形后的材料温度较高，而出于生产效率的考量，后续减材加工往往需要在增材成形材料尚有余热的条件下进行加工，这种增材残余的温度场在减材过程中会加剧刀具的磨损。另外由于传统切削液会影响增材制造过程，因此在整个增减材成形过程中不能使用切削液，使得切削产生的热量不能被及时带走，进一步提高了刀具切削刃的温升，这些问题都严重影响后续减材过程中刀具的使用寿命以及工件的加工精度与表面质量。
超声切削的优点在于：
1)切削温度低。超声切削过程中刀具前刀面不是始终与工件保持接触状态，而是处于有规律的接触、分离状态，刀具与工件的作用时间占总切削时间的三分之一左右，这将使刀具和工件都有更多时间进行散热，降低了切削温度。
2)切削力小：超声切削将连续切削力变成了脉冲切削力，可以减少切削变形区的塑性变形和摩擦，从而降低切削力。
3)加工质量好：超声切削中刀具的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规
律的自激振动，使切削过程更加稳定，积削瘤不易产生，加工质量好，工件残与应力低。
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备及加工方法。用以解决现有技术中存在的诸多问题，有效提高刀具寿命，提高减材后的工件表面质量，解决增减材制造技术中的刀具寿命问题。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
本发明所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备，其特征在于所述的设备包括：刀具、刀库、工作台、床身、主轴、激光扫描***、激光发生器、供粉装置、铺粉装置、超声切削装置和粉末回收装置；所述的工作台装于床身前部中间位置并水平设置，工作台内有成型腔，成型腔可沿竖直方向上下移动，成型腔内可安装基板，增减材复合制造在基板上进行；所述的铺粉装置安装在工作台上，位于工作台的一端；激光发生器与激光扫描***固定于床身前部的正上方；供粉装置位于床身外侧；刀库位于床身前部一侧，刀库内装有刀具；所述的主轴装于床身前部，可沿X、Y、Z三个方向的滑动导轨滑动，增材制造时主轴位于工作台一端，减材加工时主轴移动至工作台正上方，主轴下部安装刀具，刀具与主轴之间安装有超声切削装置；所述的粉末回收装置设置于工作台的下部。
本发明所述的铺粉装置包括：刮板、传感器和粉槽；粉槽通过导轨装于工作台的上部，并可沿工作台横向移动；装于粉槽侧部的刮板均匀的将粉槽中的金属粉末均匀的铺到工作台内的成型腔上；设置于粉槽内的传感器对粉槽内的粉量进行监测，当粉料少于一定值时，传感器发出信号，供粉装置对粉槽供粉；工件制造完成后，从粉末回收装置中回收粉末。
本发明所述的超声切削装置包括：超声发生器、超声换能器、变幅杆；超声发生器安装在主轴上，减材加工过程中超声换能器与变幅杆和刀具装于一体一同装在主轴的下部；减材加工时由刀库中选取刀具装于减材机构上，超声切削装置位于减材机构与刀具之间，根据工艺要求将一定的频率和振动形式施加在刀具上，超声振动的频率可以根据加工工艺要求进行调节。
本发明所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法为：
(1)增材过程：
A、铺粉：由粉槽沿导轨油工作台的一端向另一端移动铺粉，金属粉末经刮板均匀的铺在工作台和成型腔上；
B、增材制造：利用各种高能束，与CAD/CAM技术相结合，按照规划的路径，逐层沉积材料——激光发生器发射的激光通过激光扫描***控制，使其按照规划的扫描轨迹在基板上进行扫描，熔化金属粉末；
C、持续增材：完成一次上述B步骤的打印后，控制***控制成型腔下降一个图层厚度，再次重复上述步骤A对成型腔进行铺粉；
(2)、减材制造：在持续进行了若干层的增材制造后，根据工艺要求，利用超声切削的方式对已沉积层进行必要的减材加工，提高工件的尺寸精度和表面质量；
(3)、在减材完成后，再次进行增材过程，增材、减材循环进行完成整个加工过程。
本发明所述的增材制造材料为金属或陶瓷，材料形状为粉粒或丝状；增材过程为送粉式；增材层数为单层或多层。
本发明所述的高能束包括：激光束、电子束、电弧或离子束。
本发明所述的超声切削的形式可以是一维振动、二维(椭圆)振动或三维振动；超声振动频率可以根据切削参数、工件材料和零件实时温度等进行调整。
本发明所述的超声切削可以施加在刀具上也可以施加在工件上。
本发明所述的超声切削的切削方式为车削、铣削或磨削。
本发明所述的刀具为硬质合金刀具、陶瓷刀具、PCD刀具或CBN刀具。
本发明的优点是显而易见的，主要表现在：
1、本发明将超声辅助切削应用于铺粉式增减材复合制造过程中可显著提高增减材复合制造中刀具的使用寿命,解决增减材复合制造技术中的刀具寿命问题。
2、本发明可使加工过程更加稳定，进而显著提高工件的加工精度和质量，能够实现各种复杂曲面零件的加工。
本发明具有结构新颖、加工简便、稳定性高、刀具使用寿命高，工件加工精度高、适用于各种高难度工件加工等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。
附图说明
本发明共有3幅附图,其中：
附图1为本发明增材制造状态结构示意图；
附图2为本发明减材加工状态结构示意图；
附图3为本发明超声切削装置装配示意图。
在图中：1、刀具 2、刀库 3、工作台 4、成型腔 5、超声切削装置6、工作台 7、激光扫描*** 8、激光发生器 9、供粉装置 10、刮板 11、传感器 12、粉槽 13、工件 14、粉末回收装置 15、超声发生器 16、超声换能器 17、变幅杆。
具体实施方式
本发明的具体实施例如附图所示，将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备包括：刀具1、刀库2、工作台3、床身、主轴6、激光扫描***7、激光发生器8、供粉装置9、铺粉装置、超声切削装置5和粉末回收装置14；所述的工作台3装于床身前部中间位置并水平设置，工作台3内有成型腔4，成型腔4可沿竖直方向上下移动，成型腔4内可安装基板，增减材复合制造在基板上进行；所述的铺粉装置安装在工作台3上，位于工作台3的一端；激光发生器8与激光扫描***7固定于床身前部的正上方；供粉装置9位于床身外侧；刀库2位于床身前部一侧，刀库2内装有刀具1；所述的主轴6装于床身前部，可沿X、Y、Z三个方向的滑动导轨滑动，增材制造时主轴6位于工作台3一端，减材加工时主轴6移动至工作台6正上方，主轴6下部安装刀具1，刀具1与主轴6之间安装有超声切削装置5；所述的粉末回收装置14设置于工作台3的下部。
铺粉装置包括：刮板10、传感器11和粉槽12；粉槽12通过导轨装于工作台3的上部，并可沿工作台3横向移动；装于粉槽12侧部的刮板10均匀的将粉槽12中的金属粉末均匀的铺到工作台3内的成型腔4上；设置于粉槽12内的传感器11对粉槽12内的粉量进行监测，当粉料少于一定值时，传感器11发出信号，供粉装置9对粉槽12供粉；工件制造完成后，从粉末回收装置14中回收粉末。
超声切削装置5包括：超声发生器15、超声换能器16、变幅杆17；超声发生器15安装在主轴6上，减材加工过程中超声换能器16与变幅杆17和刀具1装于一体一同装在主轴6的下部；减材加工时由刀库2中选取刀具1装于减材机构上，超声切削装置5位于减材机构与刀具1之间，根据工艺要求将一定的频率和振动形式施加在刀具1上，超声振动的频率可以根据加工工艺要求进行调节。
将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法为：
1增材过程：
A、铺粉：由粉槽12沿导轨油工作台3的一端向另一端移动铺粉，金属粉末经刮板10均匀的铺在工作台3和成型腔4上；
B、增材制造：利用各种高能束，与CAD/CAM技术相结合，按照规划的路径，逐层沉积材料——激光发生器8发射的激光通过激光扫描***7控制，使其按照规划的扫描轨迹在基板上进行扫描，熔化金属粉末；
C、持续增材：完成一次上述B步骤的打印后，控制***控制成型腔4下降一个图层厚度，再次重复上述步骤A对成型腔4进行铺粉；
2、减材制造：在持续进行了若干层的增材制造后，根据工艺要求，利用超声切削的方式对已沉积层进行必要的减材加工，提高工件13的尺寸精度和表面质量；
3、在减材完成后，再次进行增材过程，增材、减材循环进行完成整个加工过程。
增材制造材料为金属或陶瓷，材料形状为粉粒或丝状；增材过程为送粉式；增材层数为单层或多层。
高能束包括：激光束、电子束、电弧或离子束。
超声切削的形式可以是一维振动、二维椭圆振动或三维振动；超声振动频率可以根据切削参数、工件材料和零件实时温度等进行调整。
超声切削可以施加在刀具1上也可以施加在工件13上。
超声切削的切削方式为车削、铣削或磨削。
刀具1为硬质合金刀具、陶瓷刀具、PCD刀具或CBN刀具。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备，其特征在于所述的设备包括：刀具(1)、刀库(2)、工作台(3)、床身、主轴(6)、激光扫描***(7)、激光发生器(8)、供粉装置(9)、铺粉装置、超声切削装置(5)和粉末回收装置(14)；所述的工作台(3)装于床身前部中间位置并水平设置，工作台(3)内有成型腔(4)，成型腔(4)可沿竖直方向上下移动，成型腔(4)内可安装基板，增减材复合制造在基板上进行；所述的铺粉装置安装在工作台(3)上，位于工作台(3)的一端；激光发生器(8)与激光扫描***(7)固定于床身前部的正上方；供粉装置(9)位于床身外侧；刀库(2)位于床身前部一侧，刀库(2)内装有刀具(1)；所述的主轴(6)装于床身前部，可沿X、Y、Z三个方向的滑动导轨滑动，增材制造时主轴(6)位于工作台(3)一端，减材加工时主轴(6)移动至工作台(6)正上方，主轴(6)下部安装刀具(1)，刀具(1)与主轴(6)之间安装有超声切削装置(5)；所述的粉末回收装置(14)设置于工作台(3)的下部。
2.根据权利要求1所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备，其特征在于所述的铺粉装置包括：刮板(10)、传感器(11)和粉槽(12)；粉槽(12)通过导轨装于工作台(3)的上部，并可沿工作台(3)横向移动；装于粉槽(12)侧部的刮板(10)均匀的将粉槽(12)中的金属粉末均匀的铺到工作台(3)内的成型腔(4)上；设置于粉槽(12)内的传感器(11)对粉槽(12)内的粉量进行监测，当粉料少于一定值时，传感器(11)发出信号，供粉装置(9)对粉槽(12)供粉；工件制造完成后，从粉末回收装置(14)中回收粉末。
3.根据权利要求3所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备，其特征在于所述的超声切削装置(5)包括：超声发生器(15)、超声换能器(16)、变幅杆(17)；超声发生器(15)安装在主轴(6)上，减材加工过程中超声换能器(16)与变幅杆(17)和刀具(1)装于一体一同装在主轴(6)的下部。
4.权利要求1所述将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法为：
(1)增材过程：
A、铺粉：由粉槽(12)沿导轨油工作台(3)的一端向另一端移动铺粉，金属粉末经刮板(10)均匀的铺在工作台(3)和成型腔(4)上；
B、增材制造：利用各种高能束，与CAD/CAM技术相结合，按照规划的路径，逐层沉积材料——激光发生器(8)发射的激光通过激光扫描***(7)控制，使其按照规划的扫描轨迹在基板上进行扫描，熔化金属粉末；
C、持续增材：完成一次上述B步骤的打印后，控制***控制成型腔(4)下降一个图层厚度，再次重复上述步骤A对成型腔(4)进行铺粉；
(2)、减材制造：在持续进行了若干层的增材制造后，根据工艺要求，利用超声切削的方式对已沉积层进行必要的减材加工，提高工件(13)的尺寸精度和表面质量；
(3)、在减材完成后，再次进行增材过程，增材、减材循环进行完成整个加工过程。
5.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的增材制造材料为金属或陶瓷，材料形状为粉粒或丝状；增材过程为送粉式；增材层数为单层或多层。
6.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的高能束包括：激光束、电子束、电弧或离子束。
7.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的超声切削的形式可以是一维振动、二维(椭圆)振动或三维振动；超声振动频率可以根据切削参数、工件材料和零件实时温度等进行调整。
8.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的超声切削可以施加在刀具(1)上也可以施加在工件(13)上。
9.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的超声切削的切削方式为车削、铣削或磨削。
10.根据权利要求4所述的将超声切削应用于铺粉式增减材复合制造中的设备的加工方法，其特征在于：所述的刀具(1)为硬质合金刀具、陶瓷刀具、PCD刀具或CBN刀具。
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