CN103886166B - 一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法，由零件结构几何特征分析与加工工艺分解、加工轨迹规划与仿真和粉末激光烧结的增材制造与数控切削加工混合的复杂结构零件加工一体化制造三个步骤组成。本发明结合数字化制造、数控切削加工及先进增材制造技术，通过零件几何特征分析确定结构复杂度与制造方式，制定分解加工工艺，利用数字化制造技术实现去除与增材制造的加工轨迹规划与仿真，采用先进粉末激光烧结的增材制造与数控切削加工混合的一体化加工实现复杂结构零件的制造，这是一种高效、高精度的复杂结构零件加工制造的新方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用增材制造与数控切削去除混合的加工技术实现复杂结构零件的高效加工方法，尤其涉及了一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与数控切削混合的加工方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，制造业作为现代工业的基础，制造技术发展前沿呈现了一个明显趋势，即追求短流程、低消耗、高柔性、环境友好、成形与组织性能控制一体化的先进制造技术。这种趋势反映的是需求的极限化要求，即同时满足多方面高端需求。这种极限化的需求在很多领域反映出来，尤以航空航天领域为典型，航空航天领域加工制造技术前沿需求是兼顾高精度、高性能、高柔性与快速反应，成形结构十分复杂的金属零部件。尽管各种传统加工技术都尽力发挥近于极限，但由于其各自技术原理所带来的本质性限制，难以满足极限化需求，成为制约航空航天整体制造技术发展瓶颈。面对航空航天制造领域多尺度、高精度、多品种、小批量的生产特点，提高零件质量、降低成本及快速反应是航空航天制造企业应对市场竞争和行业发展的重要手段，而提升装备先进制造能力方面将发挥着重要角色。随着航空航天领域的新型材料、高精加工、复杂装配的需求也对先进制造技术水平与制造理念提出了新的要求，需要对先进制造技术进行不断发展与整合，探索与突破应用中面临的各项关键技术，从而实现航空航天制造领域的不断创新。
尽管目前先进增材制造技术能够满足航空航天零件及装备研制的低成本、短周期需求，增材制造技术对零件结构尺寸不敏感，可以制造超大、超厚及复杂型腔等特殊结构，但增材制造技术的加工效率还无法与去除加工相媲美，也造成零件制造的成本增高。基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法将增材制造与去除加工进行有机结合，充分发挥增材制造与去除加工的优势，取长补短，是解决航空航天复杂结构件制造的重要技术手段，特别是对解决结构复杂、加工精度高的航空航天发动机结构零部件制造难题提供了新方法，符合航空航天领域先进制造技术发展的迫切需求。在航空航天技术的时代背景下，航空航天制造领域创新性技术发展对航空航天制造企业生产模式转型升级、装备先进制造能力提升具有十分重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法，结合数字化制造、数控切削加工及先进增材制造技术，通过零件几何特征分析确定结构复杂度与制造方式，制定分解加工工艺，利用数字化制造技术实现去除与增材制造的加工轨迹规划与仿真，采用先进粉末激光烧结的增材制造与数控切削加工混合的一体化加工实现复杂结构零件的制造，这是一种高效、高精度的复杂结构零件加工制造的新方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法，由零件结构几何特征分析与加工工艺分解、加工轨迹规划与仿真和粉末激光烧结的增材制造与数控切削加工混合的复杂结构零件加工一体化制造三个步骤组成，具体步骤如下：
首先，通过Solidworks 或Pro/E数字化三维造型软件对复杂零件结构的数字化三维几何模型进行几何特征分析与结构分解，并以加工效率、加工精度与几何尺寸特性为约束条件，建立基于零件几何特征的制造复杂度分析模型，并依据该模型确定零件加工工艺顺序与制造方式。
其次，依据制定的零件加工工艺顺序与制造方式，采用Solidworks 或Pro/E软件的CAM辅助制造仿真模块分析数控切削单元的刀具运动轨迹路径与增材制造的粉末供给与激光烧结同轴单元的运动轨迹路径，进行数控切削与增材制造的加工轨迹规划与干涉检查仿真分析。
最后，经过加工轨迹规划与干涉检查仿真分析后，由CAM辅助制造仿真单元直接生成数控切削与增材制造的轨迹运动数控代码，并由增材制造与去除加工协调统一数控系统控制数控切削单元完成零件几何特征简单规则结构部分的加工，待数控切削加工完成后，控制增材制造单元完成零件几何特征复杂结构部分的制造。
本发明中，采用零件几何特征分析与制造工艺分解，零件几何特征简单规则结构部分由去除加工完成，并保留足够的增材制造余量，几何特征简单规则结构主要由点、直线、圆弧等几何特征构造。
本发明中，采用增材制造方法任意实现零件的几何特征复杂结构部分的制造，并准确控制增材制造的加工尺寸与精度。
本发明中，采用统一数控系统控制数控切削单元与增材制造单元，保证去除加工与增材制造工艺的协调统一性。
本发明中，复杂结构零件几何特征分解，零件几何特征简单规则结构部分由数控切削单元完成。
本发明中，复杂结构零件几何特征分解，零件几何特征复杂结构部分由增材制造单元完成。
本发明中，数控切削单元与增材制造单元采用统一的控制系统，且保证去除加工与增材制造工艺的协调统一性。
本发明中，采用的增材制造单元可实现粉末供给与激光烧结保持同轴，激光聚焦在粉末供给的末端。
本发明利用零件结构的数字化模型的几何特征分析与制造工艺分解，实现了复杂结构零件的高效加工，基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的加工方法将零件结构拆解为几何特征简单规则结构部分与复杂部分，综合去除加工与增材制造技术进行零件制造的混合加工方法，它结合了去除加工制造与增材制造技术的长处，同时兼顾了加工效率与加工质量的需求，降低了复杂结构零件的加工成本和拓宽了增材制造技术的实际应用范围。
附图说明
图1为零件的去除加工与增材制造混合的加工示意图；
图2为基于零件结构几何特征分析的加工工艺分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，基于零件结构几何特征分解的去除加工与增材制造混合的加工方法是利用计算机数字化软件对零件结构的数字化三维几何模型1进行几何特征分析与结构分解，将零件结构拆分为几何特征简单规则结构与复杂结构部分，并以加工效率、加工精度与几何尺寸特性为约束条件，建立基于零件几何特征的制造复杂度分析模型，并依据该模型确定零件加工工艺顺序与制造方式。图中的CAM辅助制造仿真单元2将按照已分解的加工工艺与制造方式分析数控切削单元15的刀具6运动轨迹路径与增材制造单元14的粉末供给与激光烧结同轴单元11的运动轨迹路径，完成数控切削与增材制造的加工轨迹规划与干涉检查仿真分析。CAM辅助制造仿真单元2生成数控切削与增材制造工艺的数控代码，由统一数控系统3控制数控切削单元15完成零件几何特征简单规则结构部分的加工，完成数控切削加工后，控制增材制造单元14完成零件几何特征复杂结构部分的制造。
具体实施方式二：本实施方式的具体实施包括三个部分：零件结构几何特征分析与加工工艺分解、加工轨迹规划与仿真和粉末激光烧结的增材制造与数控切削加工混合的复杂结构零件一体化加工。
一、零件结构几何特征分析与加工工艺分解
步骤 1：利用数字化软件对复杂零件结构的数字化三维几何模型1进行几何特征分析，将零件拆分为几何特征简单规则结构部分与复杂结构部分，几何特征简单规则结构主要由点、直线、圆弧等几何特征构造（如图2所示）；
步骤 2：以加工效率、加工精度与几何尺寸特性为约束条件，建立基于零件几何结构特征的制造复杂度分析模型；
步骤 3：依据零件制造复杂度分析模型，最终确定零件的几何特征简单规则结构与复杂结构的加工工艺。
二、加工轨迹规划与仿真
步骤 1：利用CAM辅助制造仿真单元2将按照已分解零件几何特征简单规则结构的加工工艺过程分析数控切削单元15的刀具6运动轨迹路径，实现数控切削加工轨迹仿真；
步骤 2：在零件几何特征简单规则结构加工仿真基础上，利用CAM辅助制造仿真单元2按照零件复杂结构的加工工艺过程分析增材制造单元14的粉末供给与激光烧结同轴单元11的运动轨迹路径，实现增材制造过程的加工轨迹仿真；
步骤 3 ：以满足工效率和加工质量为准则，利用CAM辅助制造仿真单元2对去除加工与与增材制造工艺的最佳加工轨迹进行规划与干涉检查分析。
三、数控切削加工与粉末激光烧结的增材制造混合的复杂结构零件一体化加工
步骤 1 ：去除加工与增材制造工艺轨迹规划后，由CAM辅助制造仿真单元2生成去除加工与增材制造工艺的数控代码，包括去除加工工艺数控代码与增材制造工艺数控代码，并将工艺数控代码下传到统一数控系统3中；
步骤 2 ：统一数控系统3控制数控切削单元15的换刀、切削参数、刀具轨迹及加工条件等，完成零件几何特征简单规则结构部分的加工；
步骤 3 ：完成零件几何特征简单规则结构部分的加工后，统一数控系统3控制增材制造单元14的粉末供给参数、激光烧结参数与运动轨迹，完成零件几何特征复杂结构部分的增材制造。
Claims (2)
1.一种基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
首先，对复杂零件结构的数字化三维几何模型进行几何特征分析与结构分解，并以加工效率、加工精度与几何尺寸特性为约束条件，建立基于零件几何特征的制造复杂度分析模型，并依据制造复杂度分析模型确定零件加工工艺顺序与制造方式；
其次，依据制定的零件加工工艺顺序与制造方式，采用CAM辅助制造仿真单元分析数控切削单元的刀具运动轨迹路径与增材制造的粉末供给与激光烧结同轴单元的运动轨迹路径，进行数控切削与增材制造的加工轨迹规划与干涉检查仿真分析；
最后，经过加工轨迹规划与干涉检查仿真分析后，由CAM辅助制造仿真单元直接生成数控切削与增材制造的轨迹运动数控代码，并由增材制造与去除加工协调统一数控系统控制数控切削单元完成零件几何特征简单规则结构部分的加工，待数控切削加工完成后，控制增材制造单元完成零件几何特征复杂结构部分的制造。
2.根据权利要求1所述的基于零件结构几何特征分解的增材制造与去除加工混合的高效加工方法，其特征在于所述增材制造单元的粉末供给与激光烧结保持同轴，且激光聚焦在粉末供给的末端。
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