一種復雜零件的高速精密加工方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種復雜零件的高速精密加工方法，包括：獲取待加工零件的CAD模型，基于分層切片方法獲得實體的切片輪廓，再采用基于活性邊表法的輪廓填充算法獲得實體輪廓填充路徑，根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向獲得該位置的磨頭工作的位置參數及局部加工軌跡，并將各個局部加工軌跡連結，以生成磨頭研磨加工路徑，采用金屬粉末材料用激光束沿實體輪廓填充路徑進行激光熔化加工零件單層毛坯，再采用磨頭沿研磨加工路徑加工獲得精加工制件，研磨產生的碎屑可直接供下層制造使用，由此逐層制造直至零件加工完成。本發明能夠解決現有精密加工方法難以自動加工表面形狀復雜、具備內流道特征的復雜機械零件的技術問題。
【專利說明】一種復雜零件的高速精密加工方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬零件直接制造【技術領域】，更具體地，涉及一種復雜零件的高速精密加工方法和裝置。
【背景技術】
[0002]隨著生產和科學技術的發展，許多工業部門，尤其是國防、航天、電子等工業，要求產品向高精度、高速度、大功率、耐高溫、耐高壓、小型化等方向發展，產品零件所使用的材料愈來愈難加工，形狀和結構愈來愈復雜，很多零件內部還具有各種結構特征如內流道等，且要求的精度愈來愈高，表面粗糙度愈來愈小，常用的、傳統的加工方法已不能滿足需要。精密加工是在嚴格控制的環境條件下，使用精密加工機械和精密量具和量儀來實現的。
[0003]現有的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產率高、表面質量好、使用范圍廣等特點；精密切削，也稱金剛石刀具切削，用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，比一般切削加工精度要高I?2個等級；珩磨，用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復運動，加工后的表面粗糙度可達Ra0.4?0.1微米，最好可到Ra0.025微米，主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬；精密研磨，通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及磨具相互機械摩擦，使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法；拋光，是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一種微細加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加工等。
[0004]然而，對于表面形狀復雜、帶有內流道的復雜機械零件而言，傳統精密加工方法由于機械刀具無法逼近，零件后處理一般無法進行數控自動加工。而人工后處理雖然可以改善表面光潔度，但無法精確控制尺寸精度，也難以處理類似內流道等實體內部結構表面。采用電化學加工方法加工精密模具速度緩慢，且數控編程復雜。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種復雜零件的高速精密自動加工方法和裝置，其目的在于解決現有精密加工方法難以自動加工表面形狀復雜、帶有內流道的復雜機械零件，且無法精確控制尺寸精度和表面粗糙度的技術問題。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種復雜零件的高速精密加工裝置，包括粉床、鋪粉輥、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，粉床與加工裝置的機身連接，升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊，升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件，并可升降，鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動，用于輸送粉末材料到粉床中，并將粉床中的粉末材料鋪平，激光器固定在加工裝置的機身上，并能在通電后發射出高能激光束，光路聚焦器固定在加工裝置的機身上，并設置于掃描振鏡和激光器之間，用于聚焦激光器的光斑，使光斑能量密度達到能夠熔化粉末材料的要求，掃描振鏡固定在加工裝置的機身上，并可改變激光器的激光束在粉床上聚焦的位置，磨頭安裝在磨頭主軸的頂端，磨頭主軸與多軸聯動系統連接，并可隨多軸聯動系統在6個自由度內運動，以驅動磨頭旋轉，進而對成型制件進行研磨，多軸聯動系統固定在加工裝置的機身上，并驅動磨頭運動。
[0007]優選地，粉末材料是由金屬材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
[0008]優選地，激光器的光斑直徑為100微米至500微米。
[0009]優選地，多軸聯動系統用于在激光器工作時，將磨頭和磨頭主軸移動到粉床的邊緣，并保持靜止狀態，在激光器停止工作后，多軸聯動系統用于將磨頭和磨頭主軸移動到成型制件的上方開始研磨工作。
[0010]按照本發明的另一方面，提供了一種復雜零件的高速精密加工方法，包括以下步驟:
[0011](I)獲取待加工零件的CAD模型，基于分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層；
[0012](2)根據CAD模型中各個三角形面片的連接關系，查找與分層切片相交的三角形序列，并根據這些三角形序列依次將三角形面片與切片平面的交線首尾連接，以獲得實體的切片輪廓；
[0013](3)采用基于活性邊表法的輪廓填充算法對實體的切片輪廓進行處理，以獲得實體輪廓填充路徑；
[0014](4)根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的磨頭工作的位置參數及局部加工軌跡，并將各個局部加工軌跡連結，以生成外輪廓的磨頭研磨加工路徑。
[0015](5)利用鋪粉輥在粉床表面均勻地鋪上一層金屬粉末，其厚度為50微米至200微米;
[0016](6)根據步驟(3)中生成的實體輪廓填充路徑驅動掃描振鏡在粉床上掃描，以對粉床上的金屬粉末進行激光熔化；
[0017](7)將激光熔化后的金屬粉末進行自然冷卻，以形成CAD模型的實體部分毛坯；
[0018](8)根據步驟(3)中生成的外輪廓磨頭研磨加工路徑驅動磨頭主軸運動，以對CAD模型的實體部分毛坯的邊緣進行高速研磨精加工；
[0019](9)在研磨加工完畢后，將粉床降低一定的高度，并重復上述步驟(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最頂層為止，從而得到整個零件。
[0020]優選地，切片后的層厚度為50微米至200微米。
[0021]優選地，步驟(6)中的熔化溫度為1000至2000攝氏度。
[0022]優選地，步驟(9)中粉床降低的高度與步驟(I)中切片后的層厚度相等，且為50微米至200微米。
[0023]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0024]1、本發明由于采用分層制造零件各層毛坯并精細研磨的方式，規避了復雜零件加工過程中的刀具干涉問題，可以用統一的方法全自動加工任意復雜形狀的三維模型，因此能夠克服現有精密加工裝置難以加工任意復雜(特別是含有內流道特征)的三維模型的問題。
[0025]2、本發明由于采用了逐層研磨的方式，并且磨頭進給量小(微米級別)，所以制得的零件尺寸精度高，表面質量好。
[0026]3、本發明由于采用了多軸聯動系統控制磨頭的運動，因此制得的零件在除下表面之外的所有外表面和除上表面之外所有內表面均具備高表面質量，顯著減少了對制件進行人工后處理的勞動量。
[0027]4、本發明由于采用高速磨削的技術，高速研磨產生的廢料直接作為激光熔化成形的原材料，因此不僅節約材料，且不存在廢料吸附、回收等問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明復雜零件的高速精密加工裝置的結構示意圖。
[0029]圖2是本發明復雜零件的高速精密加工方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0031]本發明的思路在于，將待成形零件沿指定方向分成若干一定層厚(具體為50微米至200微米)的細層，采用選擇性激光熔化技術加工每一細層的毛坯，然后變換工位，采用高速研磨技術將該層毛坯研磨精加工為滿足尺寸精度與表面粗糙度要求的零件實體，如此逐層往復堆疊制造，直到將整個零件加工完畢。
[0032]如圖1所示，本發明復雜零件的高速精密加工裝置包括粉床1、鋪粉輥2、升降工作缸3、激光器4、光路聚焦器5、掃描振鏡6、磨頭7、磨頭主軸8、多軸聯動系統9、以及粉末材料10。
[0033]粉床I與加工裝置的機身連接。
[0034]升降工作缸3設置于粉床I的下部，且其下端面與粉床I的上表面平齊，升降工作缸3內裝有粉末材料10和成型制件11，并可升降。
[0035]粉末材料10是由金屬材料制成，并且是加工成型制件11的原材料。
[0036]鋪粉輥2設置于粉床I的上端面，并在粉床I的左右來回滾動，用于輸送粉末材料10到粉床I中，并將粉床I中的粉末材料10鋪平。
[0037]激光器4固定在加工裝置的機身上，并能在通電后發射出高能激光束。在本實施方式中，激光器4是功率為200W?1000W光纖激光器。
[0038]光路聚焦器5固定在加工裝置的機身上,設置于掃描振鏡6和激光器4之間，并將激光器4的光斑聚焦到指定大小(光斑直徑通常為100微米至500微米)，使光斑能量密度達到能夠熔化粉末材料10的要求。
[0039]掃描振鏡6固定在加工裝置的機身上，并可改變激光器4的激光束在粉床I上聚焦的位置。[0040]磨頭7安裝在磨頭主軸8的頂端，磨頭主軸8與多軸聯動系統9連接，并可隨多軸聯動系統在6個自由度內運動，以驅動磨頭7旋轉，進而對成型制件11進行研磨。在本實施方式中，磨頭主軸8使用轉速為20000rpm的機械主軸。
[0041]多軸聯動系統9固定在加工裝置的機身上，并驅動磨頭7運動。多軸聯動系統9在激光器4工作時，將磨頭7和磨頭主軸8移動到粉床I的邊緣，并保持靜止狀態；在激光器4停止工作后，多軸聯動系統9將磨頭I和磨頭主軸8移動到成型制件11的上方開始研磨工作，不會對激光束的作用產生干涉。在本實施方式中，多軸聯動系統具有3至6軸。
[0042]以下描述本發明的工作原理:
[0043]首先，激光器4在通電后發射出高能激光束，光路聚焦器5將激光器4的光斑聚焦到指定大小，掃描振鏡6控制經過光路聚焦器5聚焦后的激光器光束照射在粉床I上待成型區域的粉末材料10上，從而金屬粉末10快速熔化并凝固在一起，在照射完一層粉末材料10后，位于激光器4和粉床I中間的磨頭7運動到成型制件11的上方指定位置，開始對成型制件11輪廓進行高速研磨，研磨結束后，磨頭7自動退回到初始位置，其后，升降工作缸3下降一定距離，鋪粉輥2在已成型的粉末材料層之上鋪展一定層厚(具體為50微米至200微米)的粉末材料10，然后，重復上述照射和研磨過程，直至所有三維CAD模型的切片層全部掃描和研磨完畢為止，最后制件打印完畢。
[0044]如圖2所示，本發明復雜零件的高速精密加工方法是應用在上述高速精密加工系統中，且包括以下步驟:
[0045](I)獲取待加工零件的CAD模型(其通常為STL文件)，基于分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層，切片后的層厚度為50微米至200微米；
[0046](2)根據CAD模型中各個三角形面片的連接關系(拓撲特征)，查找與分層切片相交的三角形序列(按照鄰接關系排列)，并根據這些三角形序列依次將三角形面片與切片平面的交線首尾連接，以獲得實體的切片輪廓；
[0047](3)采用基于活性邊表法的輪廓填充算法對實體的切片輪廓進行處理，以獲得實體輪廓填充路徑；
[0048](4)根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的磨頭工作的位置參數及局部加工軌跡，并將各個局部加工軌跡連結，以生成外輪廓的磨頭研磨加工路徑。
[0049]此外，在本步驟過程中，由于待加工區域為平面，且平面上部無其他實體，因此幾乎不需要考慮磨頭的干涉問題，其加工軌跡采用簡單的幾何偏置算法即可實現。
[0050](5)利用鋪粉輥在粉床表面均勻地鋪上一層金屬粉末，其厚度為50微米至200微米;
[0051](6)根據步驟(3)中生成的實體輪廓填充路徑驅動掃描振鏡在粉床上掃描，以對粉床上的金屬粉末進行激光熔化，熔化溫度為1000至2000攝氏度；
[0052](7)將激光熔化后的金屬粉末進行自然冷卻，以形成CAD模型的實體部分毛坯；
[0053](8)根據步驟(3)中生成的外輪廓磨頭研磨加工路徑驅動磨頭主軸運動，以對CAD模型的實體部分毛坯的邊緣進行高速研磨精加工；
[0054]本步驟還能夠去除由于球化效應及臺階效應造成的零件表面尺寸和精度誤差。
[0055]此外，在本步驟的過程中，研磨精加工產生的金屬粉末落入粉床中，從而成為步驟(5)中使用的原料，進而提高了原料利用率，并且在生產過程中不會產生廢料污染環境。
[0056](9)在研磨加工完畢后，將粉床降低一定的高度，并重復上述步驟(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最頂層為止，從而得到整個零件；粉床降低的高度與步驟(I)中切片后的層厚度相等，且為50微米至200微米。
[0057]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種復雜零件的高速精密加工裝置，包括粉床、鋪粉輥、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，其特征在于， 粉床與加工裝置的機身連接； 升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊； 升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件，并可升降； 鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動，用于輸送粉末材料到粉床中，并將粉床中的粉末材料鋪平； 激光器固定在加工裝置的機身上，并能在通電后發射出高能激光束； 光路聚焦器固定在加工裝置的機身上，并設置于掃描振鏡和激光器之間，用于聚焦激光器的光斑，使光斑能量密度達到能夠熔化粉末材料的要求； 掃描振鏡固定在加工裝置的機身上，并可改變激光器的激光束在粉床上聚焦的位置； 磨頭安裝在磨頭主軸的頂端； 磨頭主軸與多軸聯動系統連接，并可隨多軸聯動系統在6個自由度內運動，以驅動磨頭旋轉，進而對成型制件進行研磨； 多軸聯動系統固定在加工裝置的機身上，并驅動磨頭運動。
2.根據權利要求1所述的高速精密加工裝置，其特征在于，粉末材料是由金屬材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
3.根據權利要求1所述的高速精密加工裝置，其特征在于，激光器的光斑直徑為100微米至500微米。
4.根據權利要求1所述的高速精密加工裝置，其特征在于，多軸聯動系統用于在激光器工作時，將磨頭和磨頭主軸移動到粉床的邊緣，并保持靜止狀態，在激光器停止工作后，多軸聯動系統用于將磨頭和磨頭主軸移動到成型制件的上方開始研磨工作。
5.一種根據權利要求1至4所述高速精密加工系統的復雜零件的高速精密加工方法，包括以下步驟: (1)獲取待加工零件的CAD模型，基于分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層； (2)根據CAD模型中各個三角形面片的連接關系，查找與分層切片相交的三角形序列，并根據這些三角形序列依次將三角形面片與切片平面的交線首尾連接，以獲得實體的切片輪廓； (3)采用基于活性邊表法的輪廓填充算法對實體的切片輪廓進行處理，以獲得實體輪廓填充路徑； (4)根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的磨頭工作的位置參數及局部加工軌跡，并將各個局部加工軌跡連結，以生成外輪廓的磨頭研磨加工路徑。 (5)利用鋪粉輥在粉床表面均勻地鋪上一層金屬粉末，其厚度為50微米至200微米； (6)根據步驟(3)中生成的實體輪廓填充路徑驅動掃描振鏡在粉床上掃描，以對粉床上的金屬粉末進行激光熔化； (7)將激光熔化后的金屬粉末進行自然冷卻，以形成CAD模型的實體部分毛坯； (8)根據步驟(3)中生成的外輪廓磨頭研磨加工路徑驅動磨頭主軸運動，以對CAD模型的實體部分毛坯的邊緣進行高速研磨精加工； (9)在研磨加工完畢后，將粉床降低一定的高度，并重復上述步驟(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最頂層為止，從而得到整個零件。
6.根據權利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，切片后的層厚度為50微米至200微米。
7.根據權利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，步驟(6)中的熔化溫度為1000至2000攝氏度。
8.根據權利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，步驟(9)中粉床降低的高度與步驟(1)中切片后的層厚`度相等，且為50微米至200微米。
【文檔編號】B22F3/24GK103521767SQ201310398911
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】史玉升, 張李超, 賈和平, 夏偉 申請人:華中科技大學, 江蘇九鈺機械有限公司