CN106271411B - 金属材料三维成形系统复合铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属材料三维成形系统复合铣削方案。本发明提供了一种方案、系统和其相应的装置,能够实现高效率的进行三维成形物的制造，而且还能同时对成形物进行一次铣削加工，这样可以减少后期的加工的工序缩短制造周期节约资金。并且本方案通用性好可以用于各种数控运动系统的升级和改造，使其升级后,可而具备金属材料三维成形的能力和对三维成形物的后续加工能力。

Description

金属材料三维成形系统复合铣削方法

技术领域

本发明是一种用于金属材料三维增材成形领域的成形方法和机械，具体是一种三维成形热熔系统复合铣削整形的方法以及配套的系统和机械结构。

背景技术

近年来随着科学的进步，“三维制造技术”得到了快速蓬勃的发展，现在的技术己经可以直接制造金属部件，但是所生产出的部件由于密度低，组织内有空隙或杂渣，无法与传统切削制造出的同样零件相媲美。而且机器造价高维护程序复杂也是其缺点，LMD激光金属沉积，DMD直接金属沉积等方法制造的三维成形物往往表面有强烈的层次感这是其制造原理和三维切片软件导致的，一般的处理方法都是在制造完成后进行整体铣制，这不仅使制造成本升高还使制造周期延长。

发明内容

本发明提供了一种方法、系统和其相应的装置，能够实现高效率的进行三维成形物的增材制造，而且还能同时对成形物进行一次铣削加工，这样可以减少后期加工的工序缩短制造周期节约资金。并且本方法通用性好可以用于各种数控运动系统的升级和改造，使其升级后，可具备金属材料三维成形的能力和对三维成形物的后续加工能力。

整个系统由数控运动系统带动，可以选择多种多样的数控运动系统，如机械臂、多轴加工中心、数控铣床等多种数控运动系统。

本发明使用的三维成形耗材为金属丝，由于金属丝制备工艺相对简单、制造速度快、价格便宜、来源广，可以很大程度的降低三维成形物的制造成本。

为了达到上述的目的，本发明设计了相应的三维模型处理工艺，成形铣制工艺，其中成形铣制工艺还包括热熔成形工艺、成形工序和铣制工序的切换方法、相应的机械结构，以下为其详细叙述，三维模型处理工艺为：将一个三维模型分成内外轮廓模型和内实体模型，将内外轮廓模型作为铣制路径，将内实体作为成形头的成形路径，分别生成STL文件，然后再将两个文件合成一个文件后进行切片生成控制代码。

在具备控制代码以后，将代码导入数控运动系统进行成形铣制工艺。

成形铣制工艺为：在控制代码的控制下反复，有顺序的进行成形工序和铣制工序两个步骤，直到三维成形物完全制作完成。先成形一层或多层再进行铣制，铣制工序中铣刀会沿着成形物的轮廓走一圈，在铣制过程开始时，控制器会控制电机下降到位，并使电机转动，铣刀会移动铣制位置。铣刀由电机驱动开始转动，控制器会将吸屑器打开，通过吸屑口将金属屑吸除，在铣制工序完成时吸屑器会关闭，铣刀会停止运动，铣头的铣刀会移动到不妨碍成形头继续进行成形工序的位置。

其中成形头工作步骤为当开始进行成形工序时，效应器移动到指定位置，送丝轮电极转动将金属丝送入成形头当金属丝通过料管进入铜管线圈的加热范围时，会被铜管线圈产生的高速变化的磁场所加热，铜管线圈中有流动的水给铜管线圈降温，当金属丝被成形头内的铜管线圈加热热熔后继续运动穿过料管运动到成形台时送丝轮电极与成形台形成通路，热熔的金属丝被再次加热，如果成形台上有正在制造的三维成形物，当热熔的金属丝接触到三维成形物上一次成形的表面时，上一次成形的表面会被再次热熔，新输送来的金属材料会和己经成形的金属材料紧密的结合为一体，在进行第二次热熔时电阻焊焊机的电能以脉冲方式输出，通过调节脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度这三个量控制成形效果。两次热熔的加热方式根据其特点进行调整，通过组合不同的加热方法以达到不同的效果比如成形头使用电阻加热法而成形表面采用电弧加热法这样可以达到对感应加热法不敏感金属的加工。在以上步骤进行的同时冷气喷口会源源不断的喷出低温的惰性气体，通过控制冷却速度的方法配合第二次热熔，通过快速冷却，使正在沉积的金属层表面冷却至半熔融状态，而内部完全热熔使之与接触面完全熔合。并且这种方法还能使热熔的金属液在成形表面上不会四处流动，提高了成形精度。在成形工序的两个过程中，通过红外传感器对加热效果进行检测，反馈的数据用于调节两个加热步骤所输出的能量大小。

成形和铣制切换方法的步骤为：当成形工序完成时成形头停止工作并将金属丝回抽2至7毫米，并减小成形头内的加热功率，效应器将铣头移至开始走刀的位置，当控制模块接收到开始铣制的控制信号时，铣头上的电磁铁通电与限位器配合将电机下降到位，然后同时控制电机转动和吸屑器工作，在铣制时产生的金属屑会四处飞溅，由于吸屑器在铣制过程中的工作，加工时产生的金属屑会经由吸屑口和吸屑管被吸入吸屑器收集起来，数控运动平台连接效应器控制铣刀的行径路径进行铣制。当铣制工序完成时电磁铁断电，电机上升归位并关闭电机运转和吸屑器的运转铣制工序结束。铣制工序结束后由控制代码决定是否继续进行成形工序。

机械结构：成形头和铣头一起固定在称为效应器的平台上，效应器连接着数控运动系统，通过效应器上成形头和铣头互相切换高低位置以切换成形工序和铣制工序，当进行成形工序时电磁铁不通电不吸合限位器，铣刀高于成形头，铣刀的位置不能接触到三维成形物，当铣制工序时，电磁铁通电吸合限位器，电磁铁通电配合限位器，将电机下降到铣制位置，这时铣刀的位置低于成形头，可以接触到三维成形物。由于使用铣刀和成形头上下切换和位置移动的方法进行铣制工序和成形工序的切换，效应器可以与数控加工平台自由连接或分离，在三维成形物完全成形后，数控运动系统可以自动卸下效应器从刀库中安装上其他功能模块继续进行精加工。

所述效应器是一个固定有成形头、铣头的金属平台，可以和各种数控机械平台进行连接以达到自由移动的目的。

所述的红外传感器是一个红外摄像机，拥有热成像和温度探测功能，能探测金属丝在两个加热步骤中的温度。

所述成形头由料管、散热器、铜管线圈、冷气喷口组成。

所述料管是一种耐高温材料制成的管状物体。

所述散热器用于固定料管以及发散成形头热量的金属散热器。

所述冷气喷口是一种用于喷出冷却气体的喷口，安装在成形头上。

所述铣头由电机、固定器、铣刀、限位器、电磁铁、吸屑口组成。

所述成形模块由成形头、感应加热系统、电阻力口热系统、冷却系统、散热器、料管组成。

所述感应加热系统包括感应加热机、铜管线圈、导电水管组成，当物料到达铜管线圈产生的磁场范围内时物料会被热熔。

所述感应加热机是一种包含有能产生高频交变电流的电路和水冷装置的感应加热模块。

所述的铜管线圈是一个螺旋缠绕在成形头上的空心铜管，用来产生高速变化的强磁场以加热金属物料，内部可以通过水流降温。

所述导电水管是一种软管其内层可以通水，外层可以导通电流，表面有绝缘层，用于连接感应加热机与铜管线圈。

所述电阻加热系统包括电阻焊焊机、送丝轮电极、成形台，送丝轮电极接触金属丝，当物料到达成形台时，电路形成闭合回路产生热量再一次热熔金属物料。

所述电阻焊焊机是一种电焊器材，利用电能由金属物料的电阻直接将电能转化为热能热熔金属物料，用于金属材料三维增材成形工序的二次热熔。

所述送丝轮电极是一种用于将金属丝送入成形头的装置，同时也使金属丝通电，其动力来自数控运动系统控制的步进电机或伺服电机。

所述成形台是一种承载三维成形物的金属板或金属台，可以安装在各种数控运动平台上如数控铣床、数控加工中心。

所述冷却系统包括供气和气体冷却机、气管、冷气喷口，通过喷出低温惰性气体使热熔的金属冷却，并保护金属物料不被氧化。

所述供气和气体冷却机是一种可以喷出低温惰性气体的装置。

所述气管是导气的管道，用于连接供气和气体冷却机和冷气喷口。

所述冷气喷口安装在成形头上用于喷出低温惰性气体，用于给成形部位降温和提供保护气体环境。

所述铣制模块由电机、固定器、铣刀、吸屑口、控制器、电磁铁、吸屑器、限位器、吸屑管组成。

所述电机是用于驱动铣刀运动的主轴电机，通过固定器固定连接铣刀。

所述固定器是一种用于连接电机和铣刀的夹具。

所述铣刀是一种用于切削三维金属成形物的刀具。

所述吸屑口是固定在电机上包裹铣刀的吸尘口，是一种用于吸除铣制所产生的金属碎屑。

所述控制器是由一个PLC和多个继电器组成，是用于控制铣制过程中电机、电磁铁、吸屑器工作的一种控制模块，控制器的控制信号由数控运动系统提供。

所述电磁铁是一种用于控制铣刀位置的装置。

所述吸屑器是一种类似吸尘器的装置，用于提供负压和收集金属屑。

所述限位器是用于配合电磁铁控制铣刀位置的装置。

所述吸屑管是用于连接吸屑口和吸屑器的软管。

所述数控运动系统是各种铣床，加工中心，机械臂等。

所述刀库是数控运动系统中自动存放各种加工用的刀具的装置。

有益效果：本发明综合了三维增材成形与铣制两个工艺并且做到了模块化，部件可以快速更换，也能适用于各种数控设备的改造升级，使其拥有三维增材成形制造的能力。独特的设计使其拥有非常强的适配性可以用于各种三维加工平台和多轴加工平台，使用独特的热熔方法使其造价便宜并且维护简单方便。

附图说明

图1为本发明的机械结构示意图。

图2为本发明的三维模型处理工艺。

图3为本发明的成形和铣制工序的切换方法示意图。

图4为本发明的铣制模块结构示意图。

图5为本发明的成形模块结构示意图。

图6为本发明与数控运动系统的结合实例图。

图7为本发明的工作流程示意图。

图中：1效应器 2成形模块 3铣制模块 4成形头 5铣头 6成形台 7红外传感器 8散热器9料管 10感应加热机 11铜管线圈 12电阻焊焊机 13送丝轮电极 14供气和气体冷却机 15气管 16冷气喷口 17电机 18铣刀 19固定器 20控制器 21电磁铁 22限位器 23吸屑器 24吸屑管 25吸屑口 26导电水管 27金属丝 28数控运动系统 29刀库。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在进行成形前先对模型做处理，为了生动形象结合图2来描述三维模型处理工艺：本发明设计了相应的三维模型处理工艺、成形铣制工艺。其中成形铣制工艺还包括热熔成形工艺、成形工序和铣制工序的切换方法、相应的机械结构，以下为其详细叙述：三维模型处理工艺为：将一个三维模型分成内外轮廓模型和内实体模型，将内外轮廓模型作为铣制路径，将内实体作为4成形头的成形路径，分别生成STL文件，然后再将两个文件合成一个文件后进行切片生成控制代码。

在具备控制代码以后，将代码导入28数控运动系统进行成形铣制工艺。

结合图7对成形铣制工艺进行说明：在控制代码的控制下反复，有顺序的进行成形工序和铣制工序两个步骤即4成形头和5铣头反复交替工作，直到三维成形物完全制作完成。先成形一层或多层再进行铣制，铣制工序中18铣刀会沿着成形物的轮廓走一圈，在铣制过程开始时，20控制器会控制17电机下降到位，并使17电机转动18铣刀会移动铣制位置。18铣刀由17电机驱动开始转动，20控制器会将23吸屑器打开通过25吸屑口将金属屑吸除，在铣制工序完成时23吸屑器会关闭，18铣刀会停止运动，5铣头的18铣刀会移动到不妨碍4成形头继续进行成形工序的位置。

其中图5为4成形头工作步骤具体为：成形工序是在6成形台上进行的，当开始进行成形工序时，l效应器将4成形头移动到指定的成形位置，13送丝轮电极转动将27金属丝送入4成形头，当27金属丝通过9料管进入11'Fl同管线圈的加热范围时，会被11'Fl同管线圈产生的高速变化的磁场所加热，11铜管线圈的能量是由10感应加热机提供的，11铜管线圈中有流动的水给11铜管线圈降温，11铜管线圈的水流是由26导电水管提供的，当27金属丝被4成形头内的11铜管线圈加热热熔后继续运动，穿过9料管运动到成形台时，13送丝轮电极与成形台形成通路，热熔的27金属丝被再次加热，如果成形台上有正在制造的三维成形物，当热熔的27金属丝接触到三维成形物上一次成形的表面时，上一次成形的表面会被再次热熔，新输送来的金属材料会和己经成形的金属材料紧密的结合为一体，在进行第二次热熔时12电阻焊焊机的电能以脉冲方式输出，通过调节脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度这三个量控制成形效果。在以上步骤进行的同时14供气和气体冷却机会通过16气管和冷气喷口源源不断的喷出低温的惰性气体，通过控制冷却速度的方法配合第二次热熔，通过快速冷却，使正在沉积的金属层表面冷却至半熔融状态，而内部完全热熔使之与接触面完全熔合。并且这种方法还能使热熔的金属液在成形表面上不会四处流动，提高了成形精度。在成形工序的两个过程中，通过7红外传感器对加热效果进行检测，反馈的数据用于调节两个加热步骤所输出的能量大小。

结合图1、图3、图4、图5和图7对成形和铣制切换方法的步骤进行说明当成形工序完成时，4成形头停止工作并将27金属丝回抽2至7毫米，并减小4成形头内的加热功率，l效应器将5铣头移至开始走刀的位置，当控制模块接收到开始铣制的控制信号时，5铣头上的21电磁铁通电与22限位器配合将17电机下降到位，然后同时控制17电机转动和23吸屑器工作，在铣制时产生的金属屑会四处飞溅，由于23吸屑器在铣制过程中的工作，加工时产生的金属屑会经由25吸屑口和24吸屑管被吸入23吸屑器收集起来，数控运动平台连接l效应器控制18铣刀的行径路径进行铣制。当铣制工序完成时21电磁铁断电，17电机上升归位并关闭17电机运转和23吸屑器的运转，铣制工序结束。铣制工序结束后由控制代码决定是否继续进行成形工序。

结合图1图6对机械结构进行说明：4成形头和5铣头一起固定在称为1效应器的平台上，l效应器连接着28数控运动系统，通过1效应器上4成形头和5铣头互相切换高低位置以切换成形工序和铣制工序，当进行成形工序时21电磁铁不通电不吸合22限位器，18铣刀高于4成形头，18铣刀的位置不能接触到三维成形物，当铣制工序时，21电磁铁通电吸合22限位器，21电磁铁通电配合22限位器，将17电机下降到铣制位置，这时18铣刀的位置低于4成形头，可以接触到三维成形物。由于使用18铣刀和4成形头上下切换和位置移动的方法进行铣制工序和成形工序的切换，l效应器可以与数控加工平台自由连接或分离，在三维成形物完全成形后，28数控运动系统可以自动卸下l效应器，从29刀库中安装上其他功能模块继续进行精加工。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.金属材料三维成形系统复合铣削方法，设计了相应的三维模型处理工艺，成形铣制工艺，其中成形铣制工艺还包括热熔成形工艺、成形工序和铣制工序的切换方法、相应的机械结构；

三维模型处理工艺为：将一个三维模型分成内外轮廓模型和内实体模型，将内外轮廓模型作为铣制路径，将内实体作为成形头的成形路径，分别生成STL文件，然后再将两个文件合成一个文件后进行切片生成控制代码，在具备控制代码以后，将代码导入数控运动系统进行成形铣制工艺，成形铣制工艺为：在控制代码的控制下反复，有顺序的进行成形工序和铣制工序两个步骤，直到三维成形物完全制作完成，先成形一层或多层再进行铣制，铣制工序中铣刀会沿着成形物的轮廓走一圈，在铣制过程开始时，控制器会控制电机下降到位，并使电机转动，铣刀会移动到铣制位置，铣刀由电机驱动开始转动，控制器会将吸屑器打开，通过吸屑口将金属屑吸除，在铣制工序完成时吸屑器会关闭，铣刀会停止运动，铣头的铣刀会移动到不妨碍成形头继续进行成形工序的位置；其中成形头工作步骤为：当开始进行成形工序时，效应器移动到指定位置，送丝轮电极转动将金属丝送入成形头，当金属丝通过料管进入铜管线圈的加热范围时，会被铜管线圈产生的高速变化的磁场所加热，铜管线圈中有流动的水给铜管线圈降温，当金属丝被成形头内的铜管线圈加热熔化后继续运动穿过料管运动到成形台时送丝轮电极与成形台形成通路，热熔的金属丝被再次加热，如果成形台上有正在制造的三维成形物，当热熔的金属丝接触到三维成形物上一次成形的表面时，上一次成形的表面会被再次热熔，新输送来的金属材料会和己经成形的金属材料紧密的结合为一体，在进行第二次热熔时电阻焊焊机的电能以脉冲方式输出，通过调节脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度这三个量控制成形效果，在以上步骤进行的同时冷气喷口会源源不断的喷出低温的惰性气体，通过控制冷却速度的方法配合第二次热熔，通过快速冷却，使正在沉积的金属层表面冷却至半熔融状态，而内部完全热熔使之与接触面完全熔合，并且这种方法还能使热熔的金属液在成形表面上不会四处流动，提高了成形精度，在成形工序的两个过程中，通过红外传感器对加热效果进行检测，反馈的数据用于调节两个加热步骤所输出的能量大小；

成形和铣制切换方法的步骤为当成形工序完成时成形头停止工作并将金属丝回抽2至7毫米，并减小成形头内的加热功率，效应器将铣头移至开始走刀的位置，当控制模块接收到开始铣制的控制信号时，铣头上的电磁铁通电与限位器配合将电机下降到位，然后同时控制电机转动和吸屑器工作，在铣制时产生的金属屑会四处飞溅，由于吸屑器在铣制过程中的工作，加工时产生的金属屑会经由吸屑口和吸屑管被吸入吸屑器收集起来，数控运动平台连接效应器控制铣刀的行径路径进行铣制，当铣制工序完成时电磁铁断电，电机上升归位并关闭电机运转和吸屑器的运转铣制工序结束，铣制工序结束后由控制代码决定是否继续进行成形工序；

机械结构：成形头和铣头一起固定在称为效应器的平台上，效应器连接着数控运动系统，通过效应器上成形头和铣头互相切换高低位置以切换成形工序和铣制工序，当进行成形工序时电磁铁不通电不吸合限位器，铣刀高于成形头，铣刀的位置不能接触到三维成形物，当铣制工序时，电磁铁通电吸合限位器，电磁铁通电配合限位器，将电机下降到铣制位置，这时铣刀的位置低于成形头，可以接触到三维成形物，由于使用铣刀和成形头上下切换和位置移动的方法进行铣制工序和成形工序的切换，效应器可以与数控加工平台自由连接或分离，在三维成形物完全成形后，数控运动系统可以自动卸下效应器从刀库中安装上其他功能模块继续进行精加工。

2.根据权利要求l所述金属材料三维成形系统复合铣削方法，其特征在于，所述成形工序中，对金属丝进行了两次热熔，一次在成形头内，一次在成形表面，两次热熔的加热方式根据其特点进行调整；两次热熔的加热方式采用不同的加热方法，上述不同的加热方式可以选择如下加热方式，即激光、等离子、电子束、电阻焊、电弧加热熔化方式。

3.根据权利要求1所述金属材料三维成形系统复合铣削方法，其特征在于成形头和铣头一起固定在称为效应器的平台上，使用铣刀和成形头上下切换和位置移动的方法进行铣制工序和成形工序的切换，效应器可以与数控加工平台自由连接或分离，在三维成形物完全成形后，数控运动系统可以自动卸下效应器从刀库中安装上其他功能模块继续进行精加工，在其进行铣制工序和成形工序的切换时使铣头进行上下运动，或者使成形头上下运动，或者成形头和铣头都可以进行上下运动的方式进行切换。

4.根据权利要求l所述金属材料三维成形系统复合铣削方法，其特征在于，通过红外传感器对加热效果进行检测，反馈的数据用于调节两个加热步骤所输出的能量大小，系统中安装有红外探测装置用于控制成形工序，由于红外探测装置是有探测温度功能的红外摄像机，在其整个工序中都可以进行对加工成形过程的监视。

5.根据权利要求l所述金属材料三维成形系统复合铣削方法，其特征在于，通过红外传感器对加热效果进行检测，反馈的数据用于调节两个加热步骤所输出的能量大小，成形头内使用的感应加热系统可以通过调整磁场变化的频率和磁场强度以及系统的电压电流进行调节，成形表面的热熔是由电阻焊焊机或者电弧焊焊机过程可以通过调节脉冲频率、脉冲能量、脉冲宽度这三个量控制成形效果。