CN110052713A - 零件增减材复合制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零件增减材复合制造工艺，包括以下步骤，(1)导入待制造零件的STL格式三维模型至零件增减材制造系统，零件增减材制造系统以达到成型零件的工艺要求为目的对待制造零件的的三维模型进行模型分析，并根据模型分析结果制定LENS增材制造方案和激光抛光减材制造方案；(2)基于LENS增材制造方案对待制造零件进行逐层增材；(3)基于制定的激光抛光减材制造方案对N层增材零件进行抛光减材；(4)依次循环步骤(2)和步骤(3)，直至成型至成型零件。基于本发明的增减材复合制造工艺可以在同一台设备上实现零件的增材制造和减材制造，快速实现对结构复杂的零件的精密成型与加工，加工时间短、加工效率高、表面精度高。

Description

零件增减材复合制造工艺
技术领域
本发明涉及智能制造装备技术领域，具体涉及一种零件增减材复合制造工艺，用于复杂零件的高精度加工。
背景技术
随着科学技术的进步，增材制造技术得到了飞速的发展，在复杂零件制造方面相对于传统加工方式展现出了巨大优势。增减材复合制造技术具有制造周期短、自动化高、耗材少等优点，使得这项技术得到了越来越广泛的应用。
但是目前这项技术仍然存在成形精度较低、工艺性能较差等缺点，难以对复杂零件内部结构进行精加工，同时由于增材制造已成型结构冷却后存在遗留“增材供料”结构导致复杂零件表面质量较差，在利用増材制造技术完成零件成形后往往需要利用车削、铣削、磨削等减材制造方法进行精细加工，以获得零件较高成形精度与工艺性能。
然而，对于传统的增减材制造设备，往往将增减材制造分为不同设备进行处理，对于利用増材制造技术得到的成形零件进行减材时，需要对产品进行移位减材，不但给减材带来了困难，而且二次装夹、定位也会影响成形零件的加工精度和表面质量；而对于现有的增减材一体化设备，在对成形零件进行减材制造时，大多采用简单的边增边减或先增后减的方式，无法对复杂零件内部结构进行精加工，同时无法根据零件不同结构的精度需求制定相应的增减材复合制造方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种零件增减材复合制造工艺，增材制造钱制定增减材制造方案，增材制造过程中对已成型结构进行实时减材精加工，以此来提高复杂零件的工艺性能、成型精度和加工效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种零件增减材复合制造工艺，包括以下步骤，
(1)导入待制造零件的STL格式三维模型和成型零件的工艺要求至零件增减材制造系统，所述零件增减材制造系统以达到成型零件的工艺要求为目的对待制造零件的的三维模型进行模型分析，并根据模型分析结果制定所述待制造零件的增减材制造方案；所述增减材制造方案包括LENS增材制造方案和激光抛光减材制造方案；
(2)基于制定的所述LENS增材制造方案对待制造零件进行逐层增材；所述增材制造方案包括各层的增材厚度、增材方向，以及各层的增材路径；
(3)零件逐层增材至第N层时，基于制定的激光抛光减材制造方案对第一层至第N层的N层增材零件进行抛光减材；所述激光抛光减材制造方案包括所述N层增材零件的抛光方式和N层增材零件的抛光路径；所述抛光方式包括不抛光、对所述N层增材零件的外表面进行激光抛光、对所述N层增材零件的内表面进行激光抛光、对所述N层增材零件的内表面和外表面进行激光抛光；
(4)依次循环步骤(2)和步骤(3)，直至成型至所述成型零件。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中制定LENS增材制造方案的步骤包括，
(1.1)使用分解算法对导入的三维模型切片处理，通过网格区域划分将零件分解为多个子结构；分解后的每个子结构都对应一个子结构STL格式文件，每个子结构STL格式文件内都包含有一个外表面子结构STL格式文件、一个内表面子结构STL格式文件和一个内部子结构STL格式文件；外表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的外表面所在的位置信息；内表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的内表面所在的位置信息；内部子结构STL格式文件中包含有当前子结构内部增材部位所在的位置信息；
(1.2)根据LENS增材制造工艺特点和各子结构的几何特性，建立零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系；以及零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系；
(1.3)根据零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系和零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系建立多目标优化模型，采用非支配排序遗传算法优化求解所述多目标模型，获得LENS增材制造方案。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中对制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
分解后所有子结构的外表面子结构STL格式文件和内表面子结构STL格式文件均存储至子结构表面数据库中，并对应每个外表面子结构STL格式文件和内表面子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码；分解后所有子结构的内部子结构STL格式文件均存储至内部子结构数据库中，并对应每个内部子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
所述零件增减材制造系统根据抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状和抛光工艺参数对成型零件质量和抛光效率的综合影响，建立工况优先级与零件表面结构之间的映射关系(y,x)，该映射关系(y,x)具有分别与抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状相关的映射参数；
其中，y为零件表面结构；
x为工况优先级。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
(1-1)所述零件增减材制造系统以工况优先级为依据，基于工况优先级与成型零件表面结构之间的映射关系(y,x)确定零件表面结构；
(1-2)基于模态识别技术分析步骤(1-1)获得的零件表面结构，获得零件表面结构的位置代码；
(1-3)在子结构表面数据库中搜索与步骤(1-2)获得的位置代码相匹配的外表面子结构STL格式文件或/和内表面子结构STL格式文件，确定零件激光抛光的位置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述模型分析结果包括各子结构的形状特征、分层方向和分层厚度；根据各子结构的形状特征制定各层的增材路径；根据各子结构的分层方向制定各层的增材方向；根据各子结构的分层厚度制定各层的增材厚度。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
根据所述成型零件的表面粗糙度工艺要求确定所述N层增材零件表面的抛光方式。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述成型零件的工艺要求包括成型精度、工艺性能和制造成本。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括步骤(5)
(5)对成型零件已成型结构冷却后遗留的用于增材供料的结构进行数控减材。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述零件增减材制造系统根据模型分析结果制定所述待制造零件的数控减材制造方案；所述数控减材制造方案包括数控机床刀具运动轨迹或/和工作台运动轨迹。
本发明的有益效果：
一、基于本发明的增减材复合制造工艺可以在同一台设备上实现零件的增材制造和减材制造，快速实现对结构复杂的零件的精密成型与加工，相较于传统的加工方式，具有加工时间短、加工效率高的特点，相较于单独的增材制造方式，具有表面精度高的特点；
二、在零件制造开始前，将零件三维模型导入系统，通过分析获得增减材复合制造方案；在零件制造过程中，根据所获得的增材制造最优方案，选择增材制造的成型方向和分层厚度；根据所获得的增减材制造交替进行的时序方案，对增材制造的每N层已成型结构选择不同的减材方式，即不需要抛光、内表面抛光、外表面抛光和内外表面抛光，这一边增边减，先增后减的制造方式，既保证了零件的成型质量，有能提高成型效率，有效降低零件的加工成本。
三、在增材制造过程中，每增材制造N层，利用激光抛光减材制造技术对已经增材N层的零件内外表面进行三维尺度的实时精加工，从而解决复杂零件内部结构精度难以改善的问题，提高复杂零件的工艺性能和成型精度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例公开一种用于成型复杂零件的零件增减材复合制造工艺，包括以下步骤，
(1)制定增减材制造方案：
创建待制造零件的STL格式三维模型，将该三维模型和成型零件的工艺要求导入增减材制造系统，上述零件增减材制造系统以达到成型零件的工艺要求为目的对待制造零件的的三维模型进行模型分析，根据模型分析结果制定上述待制造零件的增减材制造方案；上述增减材制造方案包括LENS增材制造方案、激光抛光减材制造方案和数控减材制造方案。
具体的，上述增材制造方案包括各层的增材厚度、增材方向，以及各层的增材路径；上述激光抛光减材制造方案包括增材零件的抛光方式和增材零件的抛光路径；上述抛光方式包括不抛光、对增材零件的外表面进行激光抛光、对增材零件的内表面进行激光抛光、对增材零件的内表面和外表面进行激光抛光；上述数控减材制造方案包括数控机床刀具运动轨迹或/和工作台运动轨迹上述成型零件的工艺要求包括成型精度、工艺性能和制造成本。
具体的，上述增减材制造系统对导入的三维模型进行模型分析的方法包括：
该增减材制造系统使用分解算法对导入的三维模型切片处理，通过网格区域划分将零件分解为多个子结构；分解后的每个子结构都对应一个子结构STL格式文件，每个子结构STL格式文件内都包含有一个外表面子结构STL格式文件、一个内表面子结构STL格式文件和一个内部子结构STL格式文件；外表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的外表面所在的位置信息；内表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的内表面所在的位置信息；内部子结构STL格式文件中包含有当前子结构内部增材部位所在的位置信息。本实施例技术方案中，上述分解算法在设计原则上兼顾子结构的可制造性、整体结构功能性、子结构制造高效性以及相邻子结构间的可缝合性。
分解后所有子结构的外表面子结构STL格式文件和内表面子结构STL格式文件均存储至子结构表面数据库中，并对应每个外表面子结构STL格式文件和每个内表面子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码；分解后所有子结构的内部子结构STL格式文件均存储至内部子结构数据库中，并对应每个内部子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码。
上述增减材制造系统对导入的三维模型进行以上的模型分析后确定待制造零件各子结构的形状特征、分层方向和分层厚度。
该零件增减材制造系统根据抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状和抛光工艺参数对成型零件质量和抛光效率的综合影响，建立工况优先级与零件表面结构之间的映射关系(y,x)，该映射关系(y,x)具有分别与抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状相关的映射参数；其中，y为零件表面结构；x为工况优先级。
根据以上模型分析结果制定LENS增材制造方案的步骤包括：
根据各子结构的形状特征制定各层的增材路径；
根据各子结构的分层方向制定各层的增材方向；
根据各子结构的分层厚度制定各层的增材厚度。以此制定LENS增材制造方案。
进一步的，为了最优化LENS增材制造方案，本实施例技术方案中，制定LENS增材制造方案还包括以下步骤：
(1.2)根据LENS增材制造工艺特点和各子结构的几何特性，建立零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系；以及零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系；
(1.3)根据零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系和零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系建立多目标优化模型，采用非支配排序遗传算法优化求解上述多目标模型，获得LENS增材制造方案。依次能够解决LENS增材制造过程中成型质量和成型效率的权衡选择问题，生成增材制造最优方案。
根据模型分析结果制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
(1-1)上述零件增减材制造系统以工况优先级为依据，基于工况优先级与成型零件表面结构之间的映射关系(y,x)确定零件表面结构；
(1-2)基于模态识别技术分析步骤(1-1)获得的零件表面结构，获得零件表面结构的位置代码；
(1-3)在子结构表面数据库中搜索与步骤(1-2)获得的位置代码相匹配的外表面子结构STL格式文件或/和内表面子结构STL格式文件，确定零件激光抛光的位置，获得激光抛光减材制造方案。
(2)增材制造零件
根据以上制定的LENS增材制造方案逐层增材制造零件，增材制造时每次开始零件增材制造的初始层为第一层。
(3)增材制造过程中对已经增材成型的零件进行减材制造
零件逐层增材至第N层时，此处的N优选40～60；比如N取50时，当逐层增材至第50层时，启动以上制定的激光抛光减材制造方案，沿规划路径对第一周期的50层增材零件的整体进行抛光减材制造，抛光减材去除零件表面粗糙部分。
(4)周期循环增减材制造
以上，增材制造N层为一个周期，一个周期结束后依次循环步骤(2)和步骤(3)，直至根据制定的LENS增材制造方案和激光抛光减材制造方案增减材制造成型至上述成型零件。
(5)增材制造结束后的数控减材
增减材获得成型零件后，启动以上制定的数控减材制造方案，沿规划路径对成型零件已成型结构冷却后遗留的用于增材供料的结构进行多轴数控减材制造，对复杂零件已成型结构的表面粗糙部分进行铣削、车削、磨削等精细加工。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种零件增减材复合制造工艺，其特征在于：包括以下步骤，
(1)导入待制造零件的STL格式三维模型和成型零件的工艺要求至零件增减材制造系统，所述零件增减材制造系统以达到成型零件的工艺要求为目的对待制造零件的的三维模型进行模型分析，并根据模型分析结果制定所述待制造零件的增减材制造方案；所述增减材制造方案包括LENS增材制造方案和激光抛光减材制造方案；
(2)基于制定的所述LENS增材制造方案对待制造零件进行逐层增材；所述增材制造方案包括各层的增材厚度、增材方向，以及各层的增材路径；
(3)零件逐层增材至第N层时，基于制定的激光抛光减材制造方案对第一层至第N层的N层增材零件进行抛光减材；所述激光抛光减材制造方案包括所述N层增材零件的抛光方式和N层增材零件的抛光路径；所述抛光方式包括不抛光、对所述N层增材零件的外表面进行激光抛光、对所述N层增材零件的内表面进行激光抛光、对所述N层增材零件的内表面和外表面进行激光抛光；
(4)依次循环步骤(2)和步骤(3)，直至成型至所述成型零件。
2.如权利要求1所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：步骤(1)中制定LENS增材制造方案的步骤包括，
(1.1)使用分解算法对导入的三维模型切片处理，通过网格区域划分将零件分解为多个子结构；分解后的每个子结构都对应一个子结构STL格式文件，每个子结构STL格式文件内都包含有一个外表面子结构STL格式文件、一个内表面子结构STL格式文件和一个内部子结构STL格式文件；外表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的外表面所在的位置信息；内表面子结构STL格式文件中包含有当前子结构需要增材和减材的内表面所在的位置信息；内部子结构STL格式文件中包含有当前子结构内部增材部位所在的位置信息；
(1.2)根据LENS增材制造工艺特点和各子结构的几何特性，建立零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系；以及零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系；
(1.3)根据零件成型质量与成型方向、分层厚度的函数关系和零件成型效率与成型方向、分层厚度的函数关系建立多目标优化模型，采用非支配排序遗传算法优化求解所述多目标模型，获得LENS增材制造方案。
3.如权利要求2所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：步骤(1)中对制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
分解后所有子结构的外表面子结构STL格式文件和内表面子结构STL格式文件均存储至子结构表面数据库中，并对应每个外表面子结构STL格式文件和内表面子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码；分解后所有子结构的内部子结构STL格式文件均存储至内部子结构数据库中，并对应每个内部子结构STL格式文件均生成一个唯一的位置代码。
4.如权利要求3所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
所述零件增减材制造系统根据抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状和抛光工艺参数对成型零件质量和抛光效率的综合影响，建立工况优先级与零件表面结构之间的映射关系(y,x)，该映射关系(y,x)具有分别与抛光面区域大小、抛光面空间方位、抛光面空间形状相关的映射参数；
其中，y为零件表面结构；
x为工况优先级。
5.如权利要求4所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
(1-1)所述零件增减材制造系统以工况优先级为依据，基于工况优先级与成型零件表面结构之间的映射关系(y,x)确定零件表面结构；
(1-2)基于模态识别技术分析步骤(1-1)获得的零件表面结构，获得零件表面结构的位置代码；
(1-3)在子结构表面数据库中搜索与步骤(1-2)获得的位置代码相匹配的外表面子结构STL格式文件或/和内表面子结构STL格式文件，确定零件激光抛光的位置。
6.如权利要求1所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：所述模型分析结果包括各子结构的形状特征、分层方向和分层厚度；根据各子结构的形状特征制定各层的增材路径；根据各子结构的分层方向制定各层的增材方向；根据各子结构的分层厚度制定各层的增材厚度。
7.如权利要求1所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：步骤(1)中制定激光抛光减材制造方案的步骤包括，
根据所述成型零件的表面粗糙度工艺要求确定所述N层增材零件表面的抛光方式。
8.如权利要求1所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：所述成型零件的工艺要求包括成型精度、工艺性能和制造成本。
9.如权利要求1～8任一项所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：其还包括步骤(5)
(5)对成型零件已成型结构冷却后遗留的用于增材供料的结构进行数控减材。
10.如权利要求9所述的零件增减材复合制造工艺，其特征在于：所述零件增减材制造系统根据模型分析结果制定所述待制造零件的数控减材制造方案；所述数控减材制造方案包括数控机床刀具运动轨迹或/和工作台运动轨迹。
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