CN108145164B - 一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法 - Google Patents

一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,在增减材交替分层制造过程中,通过预判断零件在加工过程中是否会产生切削干涉或者切削力过大的现象,而决定继续打印下一层或者进行切削加工,直至加工到零件加工代码的终点,完成加工。利用本发明可以为五轴增材CAM系统的三维打印系统的打印层数提供选取依据,寻找最佳切削时机,从而解决用长刀具加工零件深孔容易产生干涉现象的问题,避免切削力过大对加工刀具和零件的损坏,提高深孔零件内孔表面质量,提升生产制造效率。

Description

一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法
技术领域
本发明涉及增减材制造领域,特别是涉及一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法。
背景技术
对于需要切削加工的深孔、内腔等特征,若采用传统制造方法一般需要使用长刀具切削深孔、利用五轴自由度探入内腔。但长刀具有切削刚性差的问题,利用五轴装备加工内腔极易发生全局干涉。
增材制造技术在实现内部复杂结构方面具有传统切削加工无法比拟的优势。然而,当前几种成熟的增材制造技术原理,在成形精度和表面粗糙度上都存在先天性缺陷,短期内无法达到减材制造的质量水平。因此,当前金属增材制造技术直接应用也仅限于尺寸精度要求低、无配合要求、不关心表面粗糙度的特定类型零部件。当前增材制造设备和工艺尚无法满足对零件精度和表面粗糙度有较高要求的应用场合,必须配合切削加工进行后处理。
若将增材制造与减材制造两种工艺进行复合,在复杂结构实现上发挥增材制造的优势,在几何精度和表面质量上用切削加工进行提高,预期具有良好的互补效应。
增减材复合加工,即在同一台设备上完成毛坯的增材堆积和减材粗精加工,使一个工艺性极差、几乎无法在任何一台设备上完成的零件加工成为可能,使产品设计的自由性得到进一步解放。在增减材复合制造工艺中,为了最大程度发挥增减材复合制造的装备优势,还需要根据零件对象特征和复合制造技术特点设计新工艺。
采用增减材交替分层制造工艺,在增材制造完成若干层以后,进行切削加工,继而再次实施增材制造,交替进行,可以很大程度上解决易切削干涉类零件的加工制造问题,解决长刀具切屑内腔、深孔的低刚度问题,并且提升了刀具的使用寿命。同时通过增减材交替分层制造能够加工出内腔、深孔表面质量很好的复杂金属零件。
现有的增减材制造工艺,普遍采用提前设定好增材与减材制造的来回切换时间,在实际加工过程中,无法避免加工中的干涉现象和切削力过大等不利情况。
发明内容
本发明提供一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,寻找最佳切削时机,避免干涉现象和切削力过大等不利情况,提高加工效率,保证加工的安全性与可靠性。
一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,包括以下步骤:
步骤1,确定三维打印设备与切削刀具的初始参数,将STL模型与刀具模型导入到CAM系统。
步骤2,室内恒温条件下,使平台处于水平位置,打印出零件的1层,记录打印时间。
步骤3,判断再打印一层是否会由于尺寸过大产生切削干涉,如果是,执行步骤5;如果否,执行步骤4。
步骤4,判断再打印一层是否会造成干式切削的切削力过大,如果否,返回步骤2;如果是,执行步骤5。
步骤5,等待三维打印出来的零件凝固,监测零件的温度变化,使零件自然冷却到切削刀具适应的温度范围。
步骤6,使用确定型号的刀具,在确定的转速、确定的进给量、确定的进刀位置进行干式切削加工,并通过CAM系统中的力传感器读取此时刀具的受力F。
步骤7,判断是否到了零件加工代码终点,如果否,返回步骤2;如果是,记录时刻,并执行步骤8。
步骤8,使用粗糙轮廓仪测量内孔的表面粗糙度R0,计算出零件加工完成的总时间为T;零件加工完成。
其中,步骤1中,所述的初始参数为打印设备的材料成分、喷头温度、出丝直径、出丝速度以及切削刀具的型号与转速。
步骤2中,所述平台安装在六轴机器人的手臂上,通过控制六轴机器人手臂运动使平台能够在增材工位与减材工位来回移动。三维打印第一层必然不会产生干涉和切削力过大的情况,故预判断可以从下一层打印开始。
步骤3中,所述的判断具体方法为:通过CAM系统在电脑模型中自动打印出下一层仿真,并分析刀具在切削时是否会发生切削干涉现象。通过CAM系统分析,对实际加工生产有预判断作用,避免不利情况的出现。
步骤4中,所述的判断具体方法为:通过CAM系统在电脑模型中自动打印出下一层仿真,并分析刀具在切削时是否会发生切削力过大。CAM系统为保证机械臂的刚性以及考虑刀具的变形问题,对于刀具的受力会有一个最大值限定。在CAM系统中进行预加工过程,刀具的受力不能超过这个阀值。
步骤5中,采用红外探测仪监测零件的温度变化。由于刚打印出来的零件温度高,而刀具的耐热度是有限的,所以必须等到温度降到刀具适应的最高温度以下才能开始加工,且材料的温度对加工的零件的表面粗糙度有很大影响,所以要通过红外热成像仪分析选取最佳温度进行切削加工。
步骤6中,由于需要交替增减材复合制造,所以切削时不能使用切削液冷却刀具;通过安装在机械臂上的六维力传感器可以读取到零件受到的力,在CAM系统中可以在线实时显示刀具的实际受力情况。
本发明通过是否产生干涉、零件切削时是否受力过大两个因素来控制每次增材制造时目标打印层数N;在切削时不发生干涉现象、切削力不会过大的的条件下,智能选取最优打印层数,缩短零件成型时间,提高生产效率,避免不利情况。同时反馈零件加工的时间、零件表面粗糙度、刀具在加工过程中的实时受力情况、零件每次打印的层数等数据,为下一次的智能制造提供大数据支持。
附图说明
图1为本发明所述一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示,一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,包括以下步骤:
S01,本次实验使用的打印材料为钛合金,实验的室温保持在25℃左右,选取好刀具类型为硬质合金YG6,设定好打印设备的喷头温度、出丝速度、出丝直径、刀具进给量、刀具转速后,这些参数在整个实验过程中不再变化;导入STL模型到CAM系统,对加工参数进行初始化。
S02,将一块金属板件安装固定在平台上,平台处于六轴机器人的机械臂上面,而机械臂可以在增材工位与减材工位之间来回移动。
S03,通过减材制造在金属板件上面切削出一个高精度基准平面,并在切削前记录下时间。
S04,机械臂带着平台上的金属板从减材工位移动到增材工位。
S05,在金属板件上三维打印出零件的一层。
S06,CAM系统进行智能分析,预判断再打印一层是否会产生切削干涉,如果不会,继续第7步;如果会,跳至第8步。
S07,CAM系统进行智能分析,预判断再打印一层是否会导致切削力过大,而损坏刀具和零件、降低零件精度。如果不会,返回至第5步;如果会,继续第8步。
实验中的CAM系统是一套智能建模分析的系统,在每次打印之前需要预判断分析时,软件系统首先会在电脑模型中自动打印一层仿真,然后程序分析,如果结果产生干涉或者切削力过大,就会判定实际加工中不应该再打印,并且系统中模型也会返回至没有打印这一层时的模型;如果结果没有产生干涉或者切削力过大,就会判定实际加工中应该打印,并且系统模型中也会打印这一层。
S08,等待打印出来的零件凝固、自然冷却。通过红外热成像仪测量零件温度,等待温度降低到刀具适应的最高温度以下。
S09,机械臂带着平台上的金属板从增材工位移动到减材工位。
S10,按照确定型号的刀具,在确定的转速、确定的进给量、确定的进刀位置、以及恒温的室内温度下进行干式切削加工,并通过六维力传感器读取此时刀具的受力。
S11,判断此时是否完成零件的全部加工,如果否,返回至第5步,如果是,零件加工完全完成,记录下此时的时间。
S12,使用粗糙轮廓仪测量内孔的表面粗糙度,通过CAM系统分析,采集零件加工的总时间、刀具在实际加工过程中的实时受力以及每次打印的层数等数据。
S13,分析在最优打印层数的情况下的加工时间、刀具受力、表面粗糙度数据,将其导入数据库,为下一次的智能制造提供大数据支持。
通过智能选取最优打印层数,可以减少增材与减材制造的来回切换时间,大大提高加工效率。同时能避免加工中的干涉现象和切削力过大情况,确保了加工过程的安全和有效,提升了加工制造的表面质量,提高了实际生产中的效益。

Claims (6)

1.一种增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,确定三维打印设备与切削刀具的初始参数,将STL模型与刀具模型导入到CAM系统;
步骤2,室内恒温条件下,使平台处于水平位置,打印出零件的1层,记录打印时间;
步骤3,判断再打印一层是否会由于尺寸过大产生切削干涉,如果是,执行步骤5;如果否,执行步骤4;
步骤4,判断再打印一层是否会造成干式切削的切削力过大,如果否,返回步骤2;如果是,执行步骤5;
步骤5,等待三维打印出来的零件凝固,监测零件的温度变化,使零件自然冷却到切削刀具适应的温度范围内;
步骤6,使用确定型号的切削刀具,在确定的转速、确定的进给量、确定的进刀位置进行干式切削加工,并通过CAM系统中的力传感器读取此时切削刀具的受力F;
步骤7,判断是否到了零件加工代码终点,如果否,返回步骤2;如果是,记录时间,并执行步骤8;
步骤8,使用粗糙轮廓仪测量内孔的表面粗糙度R0,计算出零件加工完成的总时间为T;零件加工完成。
2.根据权利要求1所述的增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,步骤1中,所述的初始参数为打印设备的材料成分、喷头温度、出丝直径、出丝速度以及切削刀具的型号与转速。
3.根据权利要求1所述的增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,步骤2中,所述平台安装在六轴机器人的手臂上,通过控制六轴机器人手臂运动使平台能够在增材工位与减材工位来回移动。
4.根据权利要求1所述的增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,步骤3中,所述的判断具体方法为:通过CAM系统在电脑模型中自动打印出下一层仿真,并分析切削刀具在切削时是否会发生切削干涉现象。
5.根据权利要求1所述的增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,步骤4中,所述的判断具体方法为:通过CAM系统在电脑模型中自动打印出下一层仿真,并分析切削刀具在切削时是否会切削力过大。
6.根据权利要求1所述的增减材制造过程中切削加工时机的选取方法,其特征在于,步骤5中,采用红外热成像仪监测零件的温度变化。
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