CN109759587B - 一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，先对三维悬垂结构件的模型数据进行分层离散，得到悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据，再对内外轮廓数据进行分段处理，使得增材制造过程在按每段数据加工时相对稳定；在加工过程中对工件进行平移或转动，使工件姿态不断变化，以保证悬垂结构的加工方向始终竖直向上，使熔池处于稳定状态，从而实现小倾角结构无支撑高质量的增材制造。本发明可实现金属悬垂结构件无辅助支撑状态下的增材制造，不需要设计悬垂结构的支架，直接对悬垂结构件进行增材制造，省却了去除支架的机加工过程，材料利用率和加工效率得到提高。

Description

一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法。

背景技术

支撑结构辅助成形是悬垂结构件增材制造应用最广泛的一种方法，支撑的添加方式对零件成形质量有着很大的影响，特别是零件含有倾斜角度较小的悬垂特征结构时，可有效抑制多种成形缺陷的产生。支撑辅助成形通过添加金属支撑结构固定悬垂区域，并进行热量传递，保证成形过程的稳定，加工之后采用去除支撑、表面打磨或者机加工的方法保证悬垂面质量和形状精度。该方法虽然能够改善悬垂特征结构件的成形质量，但是仍存在很多问题。添加的支撑结构是否合理直接影响成形过程，需要对支撑结构进行参数化设计，如在关键区域进行支撑结构的优化设计，使得支撑结构满足成形要求的同时，降低后处理难度。支撑结构与零件接触地方处连接强度不够，一旦悬垂区域面积过大，导致试件出现塌陷或位移现象。支撑结构很难去除，比如在成形件内部的支撑结构就无法去除干净，另外对支撑面成形质量影响很大，如果是一些结构件的关键部位，会造成后续使用过程中装配失败、或者机械性能不够。

传统铺粉式增材制造，借助粉末层的支撑作用，可以实现倾角较大的悬垂结构件的无辅助支撑加工。当倾斜角度小于35°时，未添加辅助支撑结构的悬垂结构面的表面粗糙度值较大。当悬垂结构件倾斜角度小于30°时，铺粉式增材制造方法很难在没有辅助支撑的情况下完成对工件的成形。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有的悬垂结构在无辅助支撑结构的条件下，无法实现小倾角金属悬垂结构件的高质量快速成型，以达到提高加工效率和金属粉末利用率的问题。

发明内容：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，包括以下步骤：

对三维悬垂结构件的模型数据进行分层离散，得到悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据点；

求出各个内外轮廓数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线；

根据悬垂结构件的形状复杂程度和所求切线方向的变化快慢两个因素，分别采取水平竖直交替分段和适应工件形状分段的两种方法对工件模型进行分段；

针对所采取的分段方法对内外轮廓数据进行坐标变换处理，以加工原点为中心，使各点的加工方向都旋转至竖直向上；

根据处理后的三维数据信息对悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，得到工件增材制造所需的位姿和工艺数据；

将基底材料装夹固定在变位机上；

喷嘴沿着X、Y、Z方向运动，变位机相应地转动改变工件位姿，在工件各分段加工过程中，使加工方向始终竖直向上，熔池状态趋近稳定，直到整个悬垂结构件的增材制造过程完成。

所述各个内外轮廓数据点对应的曲面切线位于当前数据点所在竖直平面内，方向向上；

所述水平竖直交替分段方法是将工件分成水平和竖直的几段进行加工，第一段为竖直方向，第二段为水平方向，如此交替直至整个工件分段完成。第一段加工完成时，工件旋转90°，使第二段也转变成竖直方向加工，第二段加工完成后再反方向旋转90°，进行第三段的加工，如此往复直至工件加工完成；

所述适应工件形状的分段方法是将工件上各点处的切线都进行坐标变换，使其竖直向上，加工时不断调整工件姿态，使得加工方向沿着变换后的切线方向，即竖直向上加工；

所述变位机包括转动和摆动两个运动方式，基底材料装夹固定在变位机上，使得工件在加工过程中随变位机转动和摆动；

有益效果：本发明与现有技术相比：

悬垂结构件的增材制造目前采用最为广泛的方法是添加辅助支撑的方法。该方法需要针对零件形状结构进行辅助支撑的设计与优化。增材制造过程完成后，要对工件进行机加工以去除支撑结构。这种方法不仅费时费力，而且浪费材料。本发明方法在悬垂结构件的加工中不需要设计悬垂结构辅助支撑，直接按照零件形状结构进行增材制造，省却了去除辅助支撑的机加工过程。材料利用率得到了提高，同时也加快了零件增材制造的加工过程。

传统铺粉式增材制造，借助粉末层的支撑作用，可以实现倾角较大的悬垂结构件的无辅助支撑加工。当倾斜角度小于35°时，未添加辅助支撑结构的悬垂结构面的表面粗糙度值较大。由于铺粉式增材制造中粉末床或者工件只能上下移动，对于倾角较小的结构，仍要设置辅助支撑结构。本发明方法在增材制造过程中调整工件姿态，使熔池保持稳定，可在无辅助支撑结构的条件下，实现小倾角金属悬垂结构件的高质量快速成型。

附图说明

图1为本发明方法的原理图；

图2为本发明所求切线示意图；

图3为本发明的水平竖直交替和适应工件形状的分段方法；

图4为本发明实例1中水平竖直交替分段方法示意图；

图5为本发明实例2中薄壁件的分段示意图；

图6为本发明实例3中环形件的分段示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

对于厚度超过5mm的厚壁零件，参照图1、图2、图3和图4，一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，包括以下步骤：

对三维悬垂结构件的模型数据进行分层切片和轮廓离散，得到悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据；求出各个轮廓上数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线，该点处轮廓曲面的切平面与过该点曲面法线的竖直面的交线即为所求切线；根据悬垂结构件的形状复杂程度和所求切线方向的变化快慢两个因素，对内外轮廓数据进行分段处理，厚壁零件一般采用水平竖直交替分段方法。第一段为竖直方向，第二段为水平方向，如此交替直至整个工件分段完成；针对所采取的分段方法对内外轮廓数据进行坐标变换处理，以加工原点为中心，使各点的加工方向都旋转至竖直向上；根据处理后的三维数据对悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，得到工件增材制造所需的位姿和工艺数据，加工扫描方式为光栅式往复直线扫描、扫描间距1mm(1mm-2mm)、分层高度0.7mm(0.7mm-1mm)、激光功率700w、扫描速度4mm/s、送粉速率3g/min、辅助气体0.6Mpa；

将基底材料装夹固定在变位机上；喷嘴沿着X、Y、Z方向运动，变位机相应地转动改变工件位姿，第一段加工完成时，工件旋转90°，使第二段也转变成竖直方向加工，第二段加工完成后再反方向旋转90°，进行第三段的加工，在工件各分段加工过程中，使加工方向始终竖直向上，熔池状态趋近稳定，如此往复直到整个悬垂结构件的增材制造过程完成。

实施例2

对于厚度不超过5mm的薄壁零件，参照图1、图2、图3和图5，一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，包括以下步骤：

对三维悬垂结构件的模型数据进行分层切片和轮廓离散，得到悬垂结构件增材制造的基础数据；求出各个轮廓上数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线，该点处轮廓曲面的切平面与过该点曲面法线的竖直面的交线即为所求切线；根据悬垂结构件的形状复杂程度和所求切线方向的变化快慢两个因素，对内外轮廓数据进行分段处理，薄壁零件一般采用适应工件形状的分段方法。工件上各个位置点以切线方向为基准，以加工原点为中心，进行坐标变换，使每个位置处的切线都旋转为竖直向上，加工时不断调整工件姿态，使得加工方向沿着变换后的切线方向，即竖直向上加工。增材制造过程中激光头的方向始终和各点的切线方向保持一致，以使熔池处于稳定状态；根据处理后的三维数据对悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，得到工件增材制造所需的位姿和工艺数据，加工扫描方式为光栅式往复直线扫描、扫描间距1mm(1mm-2mm)、分层高度0.7mm(0.7mm-1mm)、激光功率700w、扫描速度4mm/s、送粉速率3g/min、辅助气体0.6Mpa；

将基底材料装夹固定在变位机上；喷嘴沿着X、Y、Z方向运动，变位机相应地转动改变工件位姿，激光头的方向始终和各点的切线方向保持一致，以使熔池处于稳定状态，如此往复直到整个悬垂结构件的增材制造过程完成。

实施例3

对于圆环型悬垂结构件，参照图1、图2、图3和图6，一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，包括以下步骤：

对三维悬垂结构件的模型数据进行分层切片和轮廓离散，得到悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据；沿着一条母线求出轮廓上数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线，该点处轮廓曲面的切平面与过该点曲面法线的竖直面的交线即为所求切线；根据悬垂结构件的形状复杂程度和所求切线方向的变化快慢两个因素，对内外轮廓数据进行分段处理，厚壁零件一般采用水平竖直交替分段方法。第一段为竖直方向，第二段为水平方向，如此交替直至整个工件分段完成；针对所采取的分段方法对内外轮廓数据进行坐标变换处理，以加工原点为中心，使各点的加工方向都旋转至竖直向上；薄壁零件一般采用适应工件形状的分段方法。工件上各个位置点以切线方向为基准，以加工原点为中心，进行坐标变换，使每个位置处的切线都旋转为竖直向上，加工时不断调整工件姿态，使得加工方向沿着变换后的切线方向，即竖直向上加工。根据处理后的三维数据对悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，加工扫描方式为沿圆周进行环形扫描、扫描间距1mm(1mm-2mm)、分层高度0.7mm(0.7mm-1mm)、激光功率700w、扫描速度4mm/s、送粉速率3g/min、辅助气体0.6Mpa；

将基底材料装夹固定在变位机上；根据不同的分段方法，采取不同的加工形式(参照实例1和实例2)，在工件各分段加工过程中，使加工方向始终竖直向上，熔池状态趋近稳定，如此往复直到整个悬垂结构件的增材制造过程完成。

Claims (1)

1.一种无辅助支撑加工金属悬垂结构件的增材制造方法，其特征在于，

对于厚度超过5mm的厚壁零件，包括以下步骤：

（11）对三维金属悬垂结构件的模型数据进行分层切片和轮廓离散，得到金属悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据；

（12）求出各个轮廓上数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线，该点处轮廓曲面的切平面与过该点曲面法线的竖直面的交线即为所求切线；

（13）采取水平竖直交替分段的方法对工件模型内外轮廓数据进行分段；第一段为竖直方向，第二段为水平方向，如此交替直至整个工件模型分段完成；

（14）针对所采取的分段方法对内外轮廓数据进行坐标变换处理，以加工原点为中心，使各点的加工方向都旋转至竖直向上；

（15）根据处理后的三维数据信息对金属悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，得到工件增材制造所需的位姿和工艺数据；加工扫描方式为光栅式往复直线扫描、扫描间距1mm、分层高度0.7mm、激光功率700w、扫描速度4mm/s、送粉速率3g/min、辅助气体0.6Mpa；

（16）将基底材料装夹固定在变位机上；

（17）喷嘴沿着X、Y、Z方向运动，变位机相应地转动改变工件位姿，第一段加工完成时，工件旋转90°，使第二段也转变成竖直方向加工，第二段加工完成后再反方向旋转90°，进行第三段的加工，在工件各分段加工过程中，使加工方向始终竖直向上，熔池状态趋近稳定，如此往复直到整个金属悬垂结构件的增材制造过程完成；

对于厚度不超过5mm的薄壁零件，包括以下步骤：

（21）对三维金属悬垂结构件的模型数据进行分层切片和轮廓离散，得到金属悬垂结构件增材制造的内外轮廓数据；

（22）求出各个轮廓上数据点所对应位置处曲面的一条方向向上的切线，该点处轮廓曲面的切平面与过该点曲面法线的竖直面的交线即为所求切线；

（23）采取适应工件形状分段的方法对工件模型内外轮廓数据进行分段；

（24）工件模型上各个位置点以切线方向为基准，以加工原点为中心，进行坐标变换，使每个位置处的切线都旋转为竖直向上，加工时不断调整工件姿态，使得加工方向沿着变换后的切线方向，即竖直向上加工；

（25）根据处理后的三维数据信息对金属悬垂结构件进行路径规划和工艺参数设定，得到工件增材制造所需的位姿和工艺数据；加工扫描方式为光栅式往复直线扫描、扫描间距1mm、分层高度0.7mm、激光功率700w、扫描速度4mm/s、送粉速率3g/min、辅助气体0.6Mpa；

（26）将基底材料装夹固定在变位机上；

（27）喷嘴沿着X、Y、Z方向运动，变位机相应地转动改变工件位姿，第一段加工完成时，工件旋转90°，激光头的方向始终和各点的切线方向保持一致，熔池处于稳定状态，如此往复直到整个金属悬垂结构件的增材制造过程完成。

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