CN101474803A

CN101474803A - 消失模线切割数控加工成形机

Info

Publication number: CN101474803A
Application number: CNA2009100605450A
Authority: CN
Inventors: 叶春生; 樊自田; 莫健华; 黄重九; 黄小毛
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: CN101474803B

Abstract

消失模数控线切割加工成形机，属于自动化机械加工设备，克服现有消失模数控加工设备的成形速度低、功能单一的问题。本发明由机械部分和控制部分组成，机械部分包括机架、托盘、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、X轴左圆柱导轨、X轴右圆柱导轨、Y轴圆柱导轨、Z轴圆柱导轨、主轴电机、主轴；机架右侧固定有托架，Z方向竖梁两端固定上、下悬臂，上、下悬臂的端点之间连接下料切割线；主轴端部装有安装板，安装板上固定有左、右支撑臂，左、右支撑臂的端点之间连接加工切割线。本发明结构紧凑，功能齐全，经济实用，集下料、分块加工等功能于一体，快速、经济、自动/半自动的完成中小批量消失模模样的制作，还可以用于中小批量加工制作泡沫垫。

Description

消失模线切割数控加工成形机

技术领域

本发明属于自动化机械加工设备，具体涉及一种基于线切割加工的消失模数控成形机，能够在计算机控制下完成消失模模样制作过程中的下料、加工成形等功能。

背景技术

消失模铸造技术包括基于模具发泡成形的消失模铸造技术LFC、基于泡沫板材加工成形的消失模铸造技术FMC，是一项近无余量、精确成形的工艺，具有容易实现清洁生产和为铸件结构设计提供充分自由度等优点，被铸造界的权威人士称为“代表21世纪的铸造新技术”，“使铸造技术在与其他成形方法和替代材料的竞争中立于不败之地的一张王牌”。

消失模铸造主要工艺过程如下：制作模样，模片及浇注系统黏合，喷(或浸)涂料，填砂、紧实，浇注，取出铸件。可以看出，消失模铸造每生产一个铸件就要消耗一个泡沫模样，模样是消失模铸造成败的关键，高质量的模样是得到高质量的消失模铸件的重要保证。因此模样制作是其工艺过程中一道至关重要的工序。

传统的模样成形方法主要是通过发泡模具和机械或人力手工切割制作的方式来完成，模具成形投入大，制作周期长，因此主要适合于中小型铸件的大批量生产。但是当今市场瞬息万变，客户对产品个性化的需求越来越需要经济的、适合于中小批量的模样制造技术。而人力手工切削加工费时费力，而且加工精度难以保证。机械加工则对于聚苯乙烯等孔状泡沫塑料难以胜任。

目前已有泡沫塑料模型成形方法及设备中，中国发明专利CN1481980A公开了一种聚苯乙烯泡沫塑料模型的快速成型方法及其数控加工设备。但是该发明本质上属于点加工，加工效率低，不适合大件大切削量的模型的加工成型。此外该发明只针对聚苯乙烯泡沫塑料，而且仅仅具有模型加工功能。

发明内容

本发明提供一种消失模数控线切割加工成形机，克服现有消失模数控加工设备的成形速度低、功能单一的问题，以完成消失模模样制作过程中的下料、分块加工等工序。

本发明的一种消失模数控线切割加工成形机，由机械部分和控制部分组成，机械部分包括机架、托盘、X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、X轴左圆柱导轨、X轴右圆柱导轨、Y轴圆柱导轨、Z轴圆柱导轨、主轴电机、主轴；所述机架为矩形立体框架，托盘位于机架内，X轴左、右圆柱导轨平行，分别位于机架上端的X方向的两边，X轴左、右圆柱导轨上分别穿有滑块，两滑块上固定有Y方向横梁；固定于机架上端左边后侧的X轴电机连接传动齿轮，机架上端左边前侧通过轴承支座装有配合齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于X轴左圆柱导轨上的滑块；所述Y方向横梁上装有Y轴圆柱导轨，Y方向横梁的两端分别装有Y轴电机和配合齿轮，Y轴电机连接传动齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于Y轴圆柱导轨上的滑块，该滑块上固定有Z方向竖梁；所述Z方向竖梁上装有Z轴圆柱导轨，Z方向竖梁的两端分别装有Z轴电机和配合齿轮，Z轴电机连接传动齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于Z轴圆柱导轨上的滑块，该滑块上固定有主轴电机，主轴电机与主轴连接，其特征在于：

所述机架右侧固定有托架，所述Z方向竖梁的两端分别固定上悬臂和下悬臂，上、下悬臂的端点之间连接有下料切割线；

所述主轴端部装有安装板，安装板上固定有左支撑臂和右支撑臂，左、右支撑臂的端点之间连接有加工切割线；

所述下料切割线和加工切割线为用于加热的电阻丝或者内置电阻丝的金属管材。

所述的消失模数控线切割加工成形机，所述控制部分包括运动控制模块和工艺模块，运动控制模块控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、主轴电机的脉冲信号，下料切割线、加工切割线的电源开关量，完成直线、圆弧和空间曲线的插补运动；工艺模块负责三维模型的分割，排样，下料切割轨迹和加工切割轨迹的生成和G代码转换及输出；

所述加工切割线可以是直线、折线、圆弧或者任意形状平面曲线中的一种。

本发明中的加工切割线两端点间的距离可以根据不同待加工零件的大小、结构特征及精度要求选取。

本发明中的主轴电机应选用具有精确定位功能的电机，如步进电机、伺服电机或带有编码器位置反馈的其他电机，以保证切割线在空中摆出一定的位置姿态。

本发明在主轴电机旋转一定角度后给定加工切割线一种空间位置姿态，然后在主轴电机静止的情况下，加工切割线在三轴运动系统带动下完成“线加工”；在主轴电机的高速旋转带动下，加工切割线可以变成具有传统意义上刀具的外形，如圆刀，方刀或尖刀，这样可以在三轴运动系统带动下完成一定精度下的“点加工”。

本发明通过CNC控制下料切割线进行切割下料，加工切割线进行模样的线切割去除加工成形，特别适合中小批量消失模模样的加工制作。还可以用于产品泡沫垫的中小批量加工制作。

工作时，首先利用计算机专用软件将待制作复杂模样三维CAD模型分割成设备可成形的简单模块，然后针对每一简单模块，进行排样、下料加工轨迹和成形加工轨迹的生成以及G代码转换及输出，再采用本发明，分别安装不同形状“线刀具”，如直线状切割线刀具、圆弧状切割线刀具和折线状切割线刀具，在主轴旋转或静止状况下，完成下料、模块粗加工、精加工等工序。最后人工进行涂料和模块的粘结组合。

本发明结构紧凑，功能齐全，经济实用，集下料、分块加工等功能于一体，快速、经济、自动/半自动的完成中小批量消失模模样的制作，还可以用于中小批量加工制作产品的泡沫垫。

附图说明

图1是本发明的机械部分总体结构示意图；

图2(a)、图2(b)是下料切割线和加工切割线的截面示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)是加工切割线的外形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明由机械部分和控制部分组成，机械部分包括机架1、托盘2、X轴电机9、Y轴电机8、Z轴电机7、X轴左圆柱导轨16、X轴右圆柱导轨17、Y轴圆柱导轨18、Z轴圆柱导轨15、主轴电机21、主轴26；所述机架1为矩形立体框架，托盘2位于机架1内，X轴左圆柱导轨16和X轴右圆柱导轨17平行，分别位于机架1上端的X方向的两边，X轴左圆柱导轨16和X轴右圆柱导轨17上分别穿有滑块，两滑块上固定有Y方向横梁；固定于机架1上端左边后侧的X轴电机9连接传动齿轮11，机架1上端左边前侧通过轴承支座10装有配合齿轮12，传动齿轮11和配合齿轮12上张紧齿形皮带13，齿形皮带13连接穿于X轴左圆柱导轨16上的滑块14；所述Y方向横梁上装有Y轴圆柱导轨18，Y方向横梁的两端分别装有Y轴电机8和配合齿轮12，Y轴电机8连接传动齿轮11，传动齿轮11和配合齿轮12上张紧齿形皮带13，齿形皮带13连接穿于Y轴圆柱导轨18上的滑块14，该滑块14上固定有Z方向竖梁；所述Z方向竖梁上装有Z轴圆柱导轨15，Z方向竖梁的两端分别装有Z轴电机7和配合齿轮12，Z轴电机7连接传动齿轮11，传动齿轮11和配合齿轮12上张紧齿形皮带13，齿形皮带13连接穿于Z轴圆柱导轨15上的滑块14，该滑块14上固定有主轴电机21，主轴电机21与主轴26连接；

机架1右侧固定有托架3，所述Z方向竖梁的两端分别固定上悬臂19和下悬臂20，上、下悬臂的端点之间连接有下料切割线6；

主轴26端部装有安装板25，安装板25上固定有左支撑臂23和右支撑臂24，左、右支撑臂的端点之间连接有加工切割线22；

Z方向竖梁的下端可以固定主轴支座27，主轴26穿过主轴支座27，防止抖动。

XYZ三轴运动系统采用圆柱导轨导向，皮带轮传动，极大的降低设备成本，以保证经济性。工作时，由X轴电机9、Y轴电机8、Z轴电机7分别带动传动齿轮11转动，在配合齿轮12配合下，带动齿形皮带13运动，然后分别带动滑块14在X轴左圆柱导轨16、X轴右圆柱导轨17、Y轴圆柱导轨18、Z轴圆柱导轨15上做直线往复运动。整个过程先后经历齿轮圆周运动→皮带直线运动→滑块直线往复运动几个转化过程。三轴单向运动合成后构成加工切割线22的空间直线插补运动。主轴运动系统同样采用具有精确定位功能的步进电机或伺服电机作为主轴电机21，带动主轴26及加工切割线22旋转，保证加工切割线在空中的位姿。

图2(a)、图2(b)是下料切割线和加工切割线的截面示意图；本发明中的下料切割线和加工切割线是一种具有一定刚性的加热电阻丝，或是内置加热电阻丝的金属管材。加热电阻丝的特征是在保证能够提供给成形加工足够热量条件下，尽量保证截面积最小；图2(a)所示金属管材的特征截面是圆形，图2(b)所示金属管材的特征截面是棱形，在保证容纳下电阻丝的条件下，尽量保证截面积最小，圆形管材截面半径一般在0.3～10mm，棱形管材截面边长一般在0.3～10mm。切割线的截面积越小，成形加工所需的切削力就越小，越有利于成形加工的进行。

图3(a)所示加工切割线是直线形状；图3(b)所示加工切割线是直线形状；图3(c)所示加工切割线是圆弧形状；图3(d)所示加工切割线是任意形状的平面曲线。

控制部分包括运动控制模块和工艺模块，采用微处理器实现，运动控制模块控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、主轴电机的脉冲信号，下料切割线、加工切割线的电源开关量，完成直线、圆弧和空间曲线的插补运动；工艺模块负责三维模型的分割，排样，下料切割轨迹和加工切割轨迹的生成和G代码转换及输出。

对于结构复杂的零件要进行分块处理，与简单结构零件对应，复杂结构零件是指加工中需要翻转的零件；由于翻转后很难精确定位，故采取分块加工然后粘结的措施。实际零件尺寸超过板料允许成形的最大零件尺寸往往也是需要分块加工的重要原因。

Claims

1.一种消失模数控线切割加工成形机，由机械部分和控制部分组成，机械部分包括机架(1)、托盘(2)、X轴电机(9)、Y轴电机(8)、Z轴电机(7)、X轴左圆柱导轨(16)、X轴右圆柱导轨(17)、Y轴圆柱导轨(18)、Z轴圆柱导轨(15)、主轴电机(21)、主轴(26)；所述机架(1)为矩形立体框架，托盘(2)位于机架(1)内，X轴左、右圆柱导轨平行，分别位于机架(1)上端的X方向的两边，X轴左、右圆柱导轨上分别穿有滑块，两滑块上固定有Y方向横梁；固定于机架(1)上端左边后侧的X轴电机(9)连接传动齿轮，机架(1)上端左边前侧通过轴承支座装有配合齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于X轴左圆柱导轨(16)上的滑块；所述Y方向横梁上装有Y轴圆柱导轨(18)，Y方向横梁的两端分别装有Y轴电机(8)和配合齿轮，Y轴电机(8)连接传动齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于Y轴圆柱导轨(18)上的滑块，该滑块上固定有Z方向竖梁；所述Z方向竖梁上装有Z轴圆柱导轨(15)，Z方向竖梁的两端分别装有Z轴电机(7)和配合齿轮，Z轴电机(7)连接传动齿轮，传动齿轮和配合齿轮上张紧齿形皮带，齿形皮带连接穿于Z轴圆柱导轨(15)上的滑块，该滑块上固定有主轴电机(21)，主轴电机(21)与主轴(26)连接，其特征在于：

所述机架(1)右侧固定有托架(3)，所述Z方向竖梁的两端分别固定上悬臂(19)和下悬臂(20)，上、下悬臂的端点之间连接有下料切割线(6)；

所述主轴(26)端部装有安装板(25)，安装板(25)上固定有左支撑臂(23)和右支撑臂(24)，左、右支撑臂的端点之间连接有加工切割线(22)；

所述下料切割线(6)和加工切割线(22)为用于加热的电阻丝或者内置电阻丝的金属管材。

2.如权利要求1所述的消失模数控线切割加工成形机，其特征在于：

所述控制部分包括运动控制模块和工艺模块，运动控制模块控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、主轴电机的脉冲信号，下料切割线、加工切割线的电源开关量，完成直线、圆弧和空间曲线的插补运动；工艺模块负责三维模型的分割，排样，下料切割轨迹和加工切割轨迹的生成和G代码转换及输出；

所述加工切割线是直线、折线、圆弧或者任意形状平面曲线中的一种。