CN103350321A - 一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法 - Google Patents

一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法 Download PDF

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张海鸥
谢仰
彭彦召
王桂兰
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华中科技大学
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    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,包括以下步骤:①建立金属零件CAD几何模型,并提取STL模型;②根据零件轮廓特征及复杂程度确定其制造方向,并进行零件增材制造的路径规划;③利用分层切片软件对STL模型进行合理切片,由计算机根据这些轮廓信息生成控制指令;④板料送料机构在控制指令的控制下送出设定宽度及厚度的板料并剪断;⑤在电阻焊或摩擦搅拌焊产生的热量及辊压作用下完成层与层之间的焊合,同时复合同工位铣削完成轮廓毛刺的去除;重复上述④至⑤过程,直至完成整个零件的成形加工,如未达到零件精度要求,可最后增加零件精加工步骤。本发明与现有技术相比,具有工序少、成型质量高、加工周期短、成本低等优点。

Description

ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属零件成形制造技术,具体为ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法。
背景技术
[0002]快速原型制造技术(Rapid Prototyping and Manufacturing,简称 RPM)起源于20世纪80年代末,由于其原理的独特之处和エ艺上的优势,快速原型制造技术从初试时功能验证的塑料、石蜡、纸等非金属原型快速成形技术,到直接或间接制备各种模具的快速制造技术,再到目前的快速金属零件快速制造技术,快速原型制造技术取得了快速的发展和实际的应用。在现阶段金属零件的快速制造技术大约有30多种,按照热源特点进行分类主要有激光快速成型技术,如选区激光熔融(Selective Laser Melting, SLM)、直接金属激光烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)和激光近形制造(Laser EngineeringNetShaping, LENS);电子束快速成形技术,如电子束熔融(Electron Beam Melting, EBM)和电子束实体自由成形(Electron Beam Freeform Fabrication, EBF3);等离子溶积快速成形技术,如等离子熔积直接制造(Plasma Powder Deposition Manufacturing,PPDM);电弧熔积快速成形技术,如电弧直接制造技术(Arc Direct Rapid PrototypingManufacturing, ADRPM)。
[0003] 不同的快速成形制造技术各有优劣,如:激光熔覆快速成形技木,由于全部材料都要经过固-液-固相变过程,导致体积变化大,残余应カ和变形大且需要大功率激光器设备,成本较高,熔积效率低;电子束快速成形技术,由于电子束对粉末的冲击大,不利于成形,而且成形过程须在真空室内进行,对硬件的要求高,运行成本高;激光束、等离子束、电弧成形的零件无支撑,复杂度受限;此外,由于制造精度不高且有弧光辐射。因此,限制了其エ业化应用范围。
[0004] 而现有的金属叠层实体制造快速成形方法,由于其加工与焊合在两个エ位上完成,エ序繁琐;加工是借助激光切割系统,设备成本较高;先以大于零件最大尺寸的板料整体铺出而后利用激光切割系统剔除大部分废料,材料利用率低;且大面积铺料会使电极与板料的接触面积大而致使电阻焊合电流功率密度较小,可焊合厚度很小、质量不高。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,不需要大功率激光器设备,具有成本低、成形质量高、加工周期短和无弧光辐射的优点。
[0006] 为实现上述发明目的,本发明提供的ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,包括下述步骤:
[0007] (I)根据金属零件的形状与尺寸选择板料的宽度与厚度,建立金属零件CAD几何模型,提取零件的STL模型;
[0008] (2)根据STL模型以及原料的宽度和厚度,由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,由计算机根据这些轮廓信息生成控制指令;
[0009] (3)板料送料机构根据控制指令按照金属零件的轮廓轨迹移动,或送料机构不动,工作台根据控制指令按金属零件的轮廓轨迹移动,送出与设定的轨迹宽度及厚度相同的金属板料;
[0010] (4)边送料边焊合,完成当前层与上一层的焊合,之后剪断板料;
[0011] (5)祛除零件轮廓毛刺,在焊合エ位上同步完成铣削加工;
[0012] (6)工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复上述步骤(3)至(5)的过程,直至完成整个零件的成形。
[0013] 作为上述技术方案改进,步骤(4)中,利用电阻焊或摩擦搅拌焊产生的热量及辊压作用完成当前层与上一层的焊合。
[0014] 本发明方法基于离散/堆积原理,根据零件轮廓特征逐层焊合(优选采用以电阻焊或摩擦搅拌焊、辊压装置分别作为焊合热源和辅助焊合机构),中间复合同步铣削轮廓毛刺功能,直至完成整个零件的成形加工。具体而言,本发明具有以下技术特点:
[0015] (I)所述方法是零件的成形与加工在一个エ位上完成。
[0016] (2)所述方法是根据零件轮廓特征合理的规划制造方向及路径并以此来送料并焊合成形。
[0017] (3)所述方法是在送料焊合成形的过程中复合同エ位铣削轮廓毛刺功能。
[0018] (4)优选采用电阻焊或摩擦搅拌焊合电流功率密度大,适合大型、高焊合质量零件的成形方法。
[0019] (5)所述是接近于固体成形,过程中不需要支撑,可以实现复杂形状零件的无支撑成形。
[0020] (6)所述方法不需要大功率激光、电子束、等离子束等熔融设备,具有成本低、效率高、无弧光辐射、劳动条件好等优点。
附图说明
[0021]图1是本发明实例提供的金属零件增材制造方法的实现过程示意图,其中,计算机1、板料送料机构2、板料剪断机构3、辊焊机构4、铣削加工装置5、可升降移动工作台6和板料7。
图2是实例2提供的基于零件实体制造的金属零件制造方法的实现过程示意图。
图3是实例3提供的基于零件实体制造的金属零件制造方法的实现过程示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进ー步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组
ロ o
[0023] 本发明实例提供的基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,包括以下步骤:
[0024] (I)根据金属零件的形状与尺寸选择板料的宽度与厚度,建立金属零件CAD几何模型,提取零件的STL模型;[0025] 考虑到本发明方法的焊合功率密度较大,故板料的厚度可以较厚,综合考虑加工效率,原则上为电阻焊及摩擦搅拌焊可焊合的厚度都可。
[0026] 板料的宽度应考虑金属零件的形状与焊合的功率,综合考虑加工效率,原则上为电阻焊及摩擦搅拌焊可焊合的宽度都可。
[0027] 所述金属板料可以是低碳钢、低合金钢、铝合金或者高温合金钢等所有适合电阻焊及摩擦搅拌焊的材料。
[0028] (2)根据STL模型以及原料的宽度和厚度,由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,由计算机根据这些轮廓信息生成控制指令;
[0029] 提取轮廓点集填充并生成轮廓控制信息的过程可由分层切片得到或者UG、Proe等传统CAM软件按照机加工零件横截面的逆过程得到。
[0030] (3)板料送料机构按照得到轨迹移动,或送料机构不动,工作台按轮廓轨迹移动,送出与设定的轨迹宽度及厚度相同的金属板料;
[0031] 根据零件的形状与宽度,完成零件的ー层送料可能需要一次或多次送料。对于零件宽度小于所用板料宽度形状的零件,通常可以ー层只需一次送料;对于零件宽度大于板料宽度或零件轮廓特征较复杂的零件,可能ー层需要多次送料,或者在零件宽度变化的多层成形过程中,有些层只需要一次送料,有些层需要多次送料。对于需要多次送料的零件,涉及每一层路径的规则,规则的总的原则是:在依据零件的轮廓送料的前提下,以减少废料余量与兼顾效率为原则决定送料次数的多少。
[0032] (4)利用电阻焊或摩擦搅拌焊产生的热量及辊压作用实现当前层与上一层的边送料边焊合,完成ー层的送料和焊合后剪断;
[0033] (5)祛除零件轮廓毛刺,在焊合エ位上同步完成铣削加工。
[0034] 由于焊合出来的零件只需祛除四周毛刺及少许余量,因此可不用采取激光等昂贵设备。在步骤4的边送料边焊合的过程中,铣削加工装置同时完成零件轮廓毛刺的祛除,实现焊合与铣削加工在同一エ位上完成。
[0035] (6)工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复上述步骤(3)至(5)的过程,直至完成整个零件的成形加工。
[0036] 如未达到零件精度要求,可最后增加零件精加工步骤。
[0037]实例:
[0038] 实例1:ー种图1所示的基于曲线轮廓特征的金属零件增材制造方法
[0039] 对这种宽度不变的单道曲线轮廓特征的零件制造:
[0040] 1、建立金属零件的CAD几何模型,提取零件的STL模型;
[0041] 2、金属零件模型的宽度为6.5mm,长度为100mm,考虑到有一定的毛还余量,可选择送出宽度为7mm的板料;根据电阻焊エ艺设计,采用厚度为2mm的金属板料,可得到形貌、组织及力学性能良好的零件。因此,采用宽度7mm、厚度2mm的金属板料作为焊合原料。
[0042] 3、由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,生成包含送料厚度2mm和长度IOOmm等制造信息且能被机床识别的G代码。此G代码能控制工作台按照规划的零件制造路径运动,即先控制单道零件的制造,在以此类推完成零件高度方向上的制造。
[0043] 4、板料送料机构在G代码控制指令作用下持续送出板料,同时,由电阻焊合机构将送出的板料与上一层板料辊压焊合。待G代码运行完毕时,板料恰送出长度为IOOmm的板料,此时板料送料机构停止送料,由剪断机构将板料剪断。
[0044] 5、由于焊合出来的零件只需祛除四周毛刺及少许余量,因此可不用采取激光等昂贵设备。在步骤4的边送料边焊合的过程中,由控制系统控制铣削加工装置同时完成零件轮廓毛刺的祛除,实现焊合与铣削加工在同一エ位上完成。
[0045] 6、将工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复步骤4到5的过程,直至完成零件的最終成形。如未达到零件精度要求,可最后增加零件精加工步骤。
[0046] 实例2、ー种图2所示的基于零件实体制造的金属零件制造方法
[0047] 对这种中间有孔洞、宽度较宽的金属零件制造:
[0048] 1、金属零件模型的外轮廓为宽度50臟,长度为100mm,中间孔洞直径为40mm,建立金属零件的CAD几何模型,提取零件的STL模型;
[0049] 2、采用宽度10mm、厚度Imm的金属板料作为焊合原料。
[0050] 3、根据STL模型以及原料的宽度和厚度,由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,生成能被机床识别的G代码。此G代码能控制工作台按照规划的零件制造路径运动,即先控制完成单层多道整个零件平面的制造,再控制完成零件高度方向上的制造。
[0051] 4、板料送料机构在G代码控制指令作用下持续送出板料,同时,由电阻焊合机构将送出的板料和上一层板料辊压焊合。
[0052] (I)第一道G代码运行完毕时,板料送出长度为IOOmm的板料,此时板料送料机构停止送料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0053] (2)从第二道开始,形成中间孔洞。第二道前段的G代码指令控制工作台运动,此时送出的板料长度为36.77mm,剪断;第二道后段的G代码运行完毕后,板料又送出长度为36.77mm的板料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0054] (3)第三道前段的G代码指令控制工作台运动,此时送出的板料长度为30.64mm,剪断;第三道后段的G代码运行完毕后,板料又送出长度为30.64mm的板料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0055] (4)第四道前段的G代码指令控制工作台运动,此时送出的板料长度为36.77mm,剪断;第四道后段的G代码运行完毕后,板料又送出长度为36.77mm的板料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0056] (5)第五道G代码指令控制工作台运动,此时送出的板料长度为100mm,由板料剪断机构将板料剪断。
[0057] 5、由于焊合出来的零件只需祛除四周毛刺及少许余量,因此可不用采取激光等昂贵设备。在步骤4的边送料边焊合的过程中,由控制系统控制铣削加工装置同时完成零件轮廓毛刺的祛除,实现焊合与铣削加工在同一エ位上完成。
[0058] 6、工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复步骤4到5的过程,直至完成零件的最終成形。如未达到零件精度要求,可最后增加零件精加工步骤。
[0059] 实施例3:—种图3所示的基于零件实体制造的金属零件制造方法
[0060] 对这种局部有凸台的金属零件制造:
[0061] 1、金属零件模型的外轮廓为宽度24mm,总长为150mm,两头局部长度分别为50mm,宽度为12mm,建立金属零件的CAD几何模型,提取零件的STL模型;
[0062] 2、采用宽度12mm、厚度3mm的金属板料作为焊合原料。[0063] 3、根据STL模型,以及原料的宽度和厚度,由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,生成能被机床识别的G代码。
[0064] G代码能控制工作台按照规划的零件制造路径运动,即先控制完成单层多道整个零件平面的制造,再控制完成零件高度方向上的制造。
[0065] 4、板料送料机构在G代码控制指令作用下持续送出板料,同时,由电阻焊合机构将送出的板料和上一层板料辊压焊合。
[0066] (I)第一道G代码运行完毕时,板料送出长度为IOOmm的板料,此时板料送料机构停止送料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0067] (2)第二道G代码,形成另外ー个凸台。待第二道G代码运行完毕时,板料送出长度为100_的板料,此时板料送料机构停止送料,由板料剪断机构将板料剪断。
[0068] 5、由于焊合出来的零件只需祛除四周毛刺及少许余量,因此可不用采取激光等昂贵设备。在步骤4的边送料边焊合的过程中,由控制系统控制铣削加工装置同时完成零件轮廓毛刺的祛除,实现焊合与铣削加工在同一エ位上完成。
[0069] 6、工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复步骤4到5的过程,直至完成零件的最終成形。如未达到零件精度要求,可最后增加零件精加工步骤。
[0070] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进ー步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其架构形式能够灵活多变,可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明由提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,包括以下步骤: (1)根据金属零件的形状与尺寸选择板料的宽度与厚度,建立金属零件CAD几何模型,提取零件的STL模型; (2)根据STL模型以及原料的宽度和厚度,由分层切片软件提取STL模型的轮廓点集并填充,由计算机根据这些轮廓信息生成控制指令; (3)板料送料机构根据控制指令按照金属零件的轮廓轨迹移动,或送料机构不动,工作台根据控制指令按金属零件的轮廓轨迹移动,送出与设定的轨迹宽度及厚度相同的金属板料; (4)边送料边焊合,完成当前层与上一层的焊合,之后剪断板料; (5)祛除零件轮廓毛刺,在焊合エ位上同步完成铣削加工; (6)工作台下降零件制造所需的ー个层厚,重复上述步骤(3)至(5)的过程,直至完成整个零件的成形。
2.根据权利要求1所述的ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,其特征在干,步骤(4)中,利用电阻焊或摩擦搅拌焊产生的热量及辊压作用完成当前层与上一层的焊ムロ o
3.根据权利要求1所述的ー种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法,其特征在干,所述板料的厚度和宽度为电阻焊及摩擦搅拌焊可焊合的厚度和宽度。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于轮廓特征的金属零件增材制造快速成形方法,其特征在干:所述金属零件材料包括低碳钢、低合金钢、铝合金或者高温合金钢在内的所有适合电阻焊及摩擦搅拌焊的材料。
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