CN110744354B - 确定增减材复合制造中交替时机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明确定增减材复合制造中交替时机的方法，涉及金属增减材复合制造技术领域，尤其涉及一种确定增减材复合制造中交替时机的方法。本发明增材方式为铺粉式，减材铣削方式为三轴数控铣；确定增减材复合制造中交替时机的方法步骤包括：步骤1、获取刀轨；步骤2、建立刀具空间坐标模型；步骤3、提取待加工面密集点云；步骤4、碰撞分析；步骤5、确定最佳交替时机；步骤6、加工实施。本发明的技术方案解决了现有技术中的现有加工方法中存在增减材切换次数多，效率低，如采用较大的固定增材层数，无法保证对于复杂轮廓的刀具可达性等问题。

Description

确定增减材复合制造中交替时机的方法
技术领域
本发明涉及金属增减材复合制造技术领域，尤其涉及一种确定增减材复合制造中交替时机的方法。
背景技术
传统制造方法难以加工深凹槽、深孔、大拐点、封闭腔体结构、倒扣面等特征，而新兴的多种增材制造方式扩大了可加工特征的范畴，其中选区激光熔化成形尤其适用于加工精密曲面零件，但单纯增材成形的零件表面一般具有台阶效应、粉末粘接和球化等缺陷。
通过将增材制造与减材制造两种工艺进行复合，即采用交替成形及加工的工艺，先通过高能束扫描来熔化/凝固一定层数的金属粉末，后进行铣削加工，减材完成再次进行增材成形。这样不仅可以提高表面精度，还能够改善复杂增材零件后处理加工中的刀具可达性问题。
然而在现有的增减材工艺中，通常将增减材交替的时机即单次连续增材高度设置为固定参数，没有根据零件特征判断各处最大连续增材层数来提高增减材复合制造的效率。如华中科技大学所申请专利(一种金属零件的增减材复合制造装备及方法，公开号：CN106735216A)中并没有对增减材交替时机做阐述；沙迪克株式会社所申请专利(层叠造形装置，公开号：CN107363259A)中提及：“每当形成规定数的烧结层就利用旋转切削刀具对烧结层表面进行切削加工”。还有的做法是先根据零件轮廓将零件大体分成几块，对于每块采用不同的连续增材高度，但该种做法只能实现定性，不能做到定量，没有从根本上避免后续减材加工中的干涉问题，未达到效益最大化。
采用固定的烧结层数即增材层数进行增减材复合制造，难以实现刀具可达性及加工效率的协同控制，对于既包含空间曲面等复杂轮廓，又包含竖直面等简单轮廓的零件，采用较小的固定增材层数，可保证刀具可达性，但由于增减材切换次数多，效率低；采用较大的固定增材层数，不能保证对于复杂轮廓的刀具可达性。
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的确定增减材复合制造中交替时机的方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
根据上述现有技术提出的现有加工方法中存在增减材切换次数多，效率低，如采用较大的固定增材层数，无法保证对于复杂轮廓的刀具可达性等技术问题，而提供一种确定增减材复合制造中交替时机的方法。本发明需要先根据零件轮廓特征进行减材路径规划，在满足不干涉加工的前提下，确定不同区域的最大连续增材层数，即确定增材与减材加工成形的交替时机，从而实现刀具可达性及加工效率最大化的协同控制。
本发明采用的技术手段如下：
一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其中增材方式为铺粉式，减材铣削方式为三轴数控铣；其特征在于，所述的确定增减材复合制造中交替时机的方法步骤包括：
步骤1、获取刀轨：将所要成形零件的三维模型导入数控仿真加工软件，设定所用刀具参数，根据零件表面精度要求，确定切削参数，生成刀轨，输出刀具中心轨迹的坐标文件；
步骤2、建立刀具空间坐标模型：依据所选刀具尺寸参数，利用步骤1中所得刀具中心轨迹的坐标文件，将加工过程中整体刀具所处空间位置以坐标形式表述；
步骤3、提取待加工面密集点云：提取零件待减材加工表面的点云数据，提取密度以能完整表征几何轮廓特征为原则，提取完成后导出点云x、y、z坐标的文本格式文件；
步骤4、碰撞分析：将所得加工表面点云坐标与刀具模型空间坐标进行碰撞条件判断，沿+Z方向依次记干涉点为P1到Pn；
步骤5、确定最佳交替时机：第i次连续增材所达高度要小于Pi点Z向坐标值，第i次减材加工也要在到达Pi位置前终止，之后进行第i+1次的增材成形；这样沿+Z方向，依次确定每次增减材的交替时机，将零件划分成n个成形区域，记为A1到An。
步骤6、加工实施：按照步骤5中划分出的n个成形区域，自下而上依次完成Ai区域的增材与减材加工；即先使用高能束逐层扫描/烧结粉末，增材成形出Ai区域内零件三维特征，后对Ai区域内拟加工表面进行减材加工，使其达到所需表面质量与尺寸精度；完成后再进行Ai+1区域的增材与减材成形。需要注意，相邻的两次减材区域在刀具轴向上要存在重合刀轨，保证表面质量顺滑；减材加工的刀具轴向进给量与增材成形余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
进一步地，步骤1中进行减材路径规划前，要根据零件轮廓种类和表面加工精度要求，在圆鼻刀、T形刀、成形球刀、鼓形刀及仿形刀中选择刀具进行加工。
进一步地，圆鼻刀主要用于加工零件中与基板平行的上表面和与基板垂直的侧面，以确保大进给量；相同条件下，T形刀的让刀空间大于成形球刀，但T形刀加工表面残高小；而由于减材过程中存在的台阶效应，用成形球刀加工轮廓的精度相较T形刀好；当加工靠近底面的侧壁轮廓时，采用鼓形刀。
进一步地，确定交替时机后，相邻的两次减材区域在刀具轴向上要存在重合刀轨，保证表面质量顺滑；减材加工的刀具轴向进给量与增材成形余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的确定增减材复合制造中交替时机的方法，通过为三轴增减材系统的连续增材层数选取提供依据，可确定增材与减材的最佳交替时机，最小化增材与减材的交替次数，减少成形加工过程中的增减材切换时间，缩短金属增减材复合制造整体加工周期，提升增减材复合制造设备生产制造效率，在保证精度的前提下达到加工效益最大化；
2、本发明提供的确定增减材复合制造中交替时机的方法，通过将增材与减材参数设定相结合，可实现根据曲面零件的几何形貌动态调整两参数，确保过程中的刀具可达性和轮廓加工完整性；
3、本发明提供的确定增减材复合制造中交替时机的方法，通过为复合增减材制造工艺的制订提供具体方法和理论依据，缩短了工艺制订时间和加工周期，并保证了复杂曲面轮廓的加工精度和零件各部位粗糙度的一致性。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的现有加工方法中存在增减材切换次数多，效率低，如采用较大的固定增材层数，无法保证对于复杂轮廓的刀具可达性等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明确定增减材复合制造中交替时机的方法流程图；
图2为本发明所述的T形刀加工倒扣面时干涉位置判断示意图；
图3为本发明圆鼻刀的相应参数示意图；
图4为本发明T形刀的相应参数示意图；
图5为本发明成形球刀的相应参数示意图；
图6为本发明鼓形刀的相应参数示意图；
图7为本发明实施例的选区激光熔化成形曲面零件轴侧图；
图8为本发明实施例的选区激光熔化成形曲面零件剖面图；
图9为本发明实施例的加工零件内表面刀轨示意图；
图10为本发明实施例的加工零件外表面刀轨示意图；
图11为本发明实施例的刀具中心轨迹的坐标文本文件的部分内容；
图12为本发明实施例的零件减材加工表面的点云提取图；
图13为本发明实施例的零件减材加工表面的点云数据文件的部分内容；
图14为本发明实施例的增减材制造分区域图。
图中：D、刀具直径H、刀刃厚度L、刀具避空长度T、刀刃数R、刀尖圆角半径。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图所示，本发明提供了一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其中增材方式为铺粉式，减材铣削方式为三轴数控铣；其特征在于，所述的确定增减材复合制造中交替时机的方法步骤包括：
步骤1、获取刀轨：将所要成形零件的三维模型导入数控仿真加工软件，设定所用刀具参数，根据零件表面精度要求，确定切削参数，生成刀轨，输出刀具中心轨迹的坐标文件；
步骤2、建立刀具空间坐标模型：依据所选刀具尺寸参数，利用步骤1中所得刀具中心轨迹的坐标文件，将加工过程中整体刀具所处空间位置以坐标形式表述；
步骤3、提取待加工面密集点云：提取零件待减材加工表面的点云数据，提取密度以能完整表征几何轮廓特征为原则，提取完成后导出点云x、y、z坐标的文本格式文件；
步骤4、碰撞分析：将所得加工表面点云坐标与刀具模型空间坐标进行碰撞条件判断，沿+Z方向依次记干涉点为P1到Pn；
步骤5、确定最佳交替时机：第i次连续增材所达高度要小于Pi点Z向坐标值，第i次减材加工也要在到达Pi位置前终止，之后进行第i+1次的增材成形；这样沿+Z方向，依次确定每次增减材的交替时机，将零件划分成n个成形区域，记为A1到An。
步骤6、加工实施：按照步骤5中划分出的n个成形区域，自下而上依次完成Ai区域的增材与减材加工；即先使用高能束逐层扫描/烧结粉末，增材成形出Ai区域内零件三维特征，后对Ai区域内拟加工表面进行减材加工，使其达到所需表面质量与尺寸精度。
步骤1中进行减材路径规划前，要根据零件轮廓种类和表面加工精度要求，在圆鼻刀、T形刀、成形球刀、鼓形刀及仿形刀中选择刀具进行加工。
圆鼻刀主要用于加工零件中与基板平行的上表面和与基板垂直的侧面，以确保大进给量；相同条件下，T形刀的让刀空间大于成形球刀，但T形刀加工表面残高小；而由于减材过程中存在的台阶效应，用成形球刀加工轮廓的精度相较T形刀好；当加工靠近底面的侧壁轮廓时，采用鼓形刀。
确定交替时机后，相邻的两次减材区域在刀具轴向上要存在重合刀轨，保证表面质量顺滑；减材加工的刀具轴向进给量与增材成形余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
实施例1
本发明具体实施例的等轴侧图如附图3中所示，预识别零件特征后发现：该零件的内腔深宽比较大，含有圆锥面及多种曲率的曲面特征，难以用传统机加工方式来进行加工，适合采用增减材复合制造的方式来成形。
本实施例零件材料预定为马氏体不锈钢，激光功率设置为350W，扫描速度1000mm/s；铺粉层厚度依据各处轮廓的复杂程度进行调整，如附图4中A、B两处。A处为扩径处，B处为缩径处，两处轮廓在垂直方向上的斜率变化较明显，故在A、B处的铺粉层厚应小一些。
如附图1中所示，先将零件三维模形导入数控仿真加工软件，判断零件轮廓特征以斜面及曲面为主，可选用附图5中的成形球刀来加工，设置相应切削参数，生成刀轨，得到加工零件内表面的刀轨如附图9中所示，加工零件外表面的刀轨如附图10中所示；然后选择三轴数控铣类形的后处理器，输出刀具中心轨迹的坐标文本文件，文件部分内容如附图11中所示。
再提取零件减材加工表面的点云数据，如附图12中所示，而后导出点云x、y、z坐标的文本格式文件，文件部分内容如附图13中所示。同时，依据所选成形球刀的尺寸参数，利用前面所得刀具中心轨迹的坐标文件，将加工过程中刀具整体在空间的位置以坐标形式表述；
将所得加工表面点云坐标与刀具模型空间坐标进行碰撞条件判断，沿+Z方向依次记干涉点为P1到Pn；第i次连续增材所达高度要小于Pi点Z向坐标值，第i次减材加工也要在到达i位置前终止，之后进行第i+1次的增材成形；这样沿着+Z方向，依次确定每次增减材的交替时机，将零件划分成N个成形区域；最终将零件分成如图10中所示的A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10十个部分。
自下而上依次完成A1～A10区域的增材与减材加工；即先使用高能束逐层扫描/烧结粉末，增材成型出Ai区域内零件三维特征，后对Ai区域内拟加工表面进行减材加工，使其达到所需表面质量与尺寸精度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其中增材方式为铺粉式，减材铣削方式为三轴数控铣；其特征在于，所述的确定增减材复合制造中交替时机的方法步骤包括：
步骤1、获取刀轨：将所要成形零件的三维模型导入数控仿真加工软件，设定所用刀具参数，根据零件表面精度要求，确定切削参数，生成刀轨，输出刀具中心轨迹的坐标文件；
步骤2、建立刀具空间坐标模型：依据所选刀具尺寸参数，利用步骤1中所得刀具中心轨迹的坐标文件，将加工过程中整体刀具所处空间位置以坐标形式表述；
步骤3、提取待加工面密集点云：提取零件待减材加工表面的点云数据，提取密度以能完整表征几何轮廓特征为原则，提取完成后导出点云x、y、z坐标的文本格式文件；
步骤4、碰撞分析：将所得加工表面点云坐标与刀具模型空间坐标进行碰撞条件判断，沿+Z方向依次记干涉点为P1到Pn；
步骤5、确定最佳交替时机：第i次连续增材所达高度要小于Pi点Z向坐标值，第i次减材加工也要在到达Pi位置前终止，之后进行第i+1次的增材成形；这样沿+Z方向，依次确定每次增减材的交替时机，将零件划分成n个成形区域，记为A1到An；
步骤6、加工实施：按照步骤5中划分出的n个成形区域，自下而上依次完成Ai区域的增材与减材加工；即先使用高能束逐层扫描/烧结粉末，增材成形出Ai区域内零件三维特征，后对Ai区域内拟加工表面进行减材加工，使其达到所需表面质量与尺寸精度。
2.根据权利要求1所述的一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其特征在于：步骤1中进行减材路径规划前，要根据零件轮廓种类和表面加工精度要求，在圆鼻刀、T形刀、成形球刀、鼓形刀及仿形刀中选择刀具进行加工。
3.根据权利要求2所述的一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其特征在于：圆鼻刀主要用于加工零件中与基板平行的上表面和与基板垂直的侧面，以确保大进给量；相同条件下，T形刀的让刀空间大于成形球刀，但T形刀加工表面残高小；而由于减材过程中存在的台阶效应，用成形球刀加工轮廓的精度相较T形刀好；当加工靠近底面的侧壁轮廓时，采用鼓形刀。
4.根据权利要求1所述的一种确定增减材复合制造中交替时机的方法，其特征在于：确定交替时机后，相邻的两次减材区域在刀具轴向上要存在重合刀轨，保证表面质量顺滑；减材加工的刀具轴向进给量与增材成形余量可以控制零件尺寸精度和表面质量。
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GR01 Patent grant
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