CN115889809A - 一种蛤壳式零件的一体化3d打印成形及机加工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形及后续机加工艺方法，属于机械加工制造领域；所述成型方法中，基于蛤壳式零件建立3D打印零件模型，零件模型包括主壳体、副壳体、筋板和工艺柄，所述主壳体和副壳体合体即为蛤壳式零件毛坯，所述筋板是位于主壳体、副壳体之间分隔面的平板，将主壳体和副壳体连接为一体结构；所述工艺柄是沿筋板外缘周向设置的凸台结构，用于零件模型的定位；并采用了3D打印技术进行零件毛坯打印。加工工艺中采用工艺柄装夹定位，并通过工艺柄的加工零点定位，对主、副壳体进行一体化加工，得到粗加工零件；再进行线切割、铣工、钳工等加工得到成品蛤壳式零件。本发明解决了该类零件打印易变形、后续加工难度大的问题。

Description

一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形及机加工艺方法

技术领域

本发明属于机械加工制造领域，具体涉及一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形及后续机加工艺方法。

背景技术

蛤壳式零件为某型产品显示系统中的关键零件，该类零件通常包括一个主壳体和一个或多个副壳体零件，主、副壳体配合中间夹持镜片以起到转折光路的作用，如图1所示。传统的蛤壳式零件加工方法为采用板料通过铣削的方式分别加工主壳体与副壳体，然后进行装配，该加工方法去除材料多，加工工序长。另外，蛤壳式零件为异形薄壁类零件，加工过程中需多次进行热处理去应力，加工周期长，严重影响产品交付进度；且容易出现变形。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形与后续机加工艺方法，蛤壳式零件为异形薄壁壳体类零件，将激光选区熔化(SLM)金属3D打印技术应用于蛤壳式零件的加工中，该技术采用横向延伸纵向堆叠的成形方法，成形精度高，时间短，理论上可以快速成形任意形状的零件。采用3D打印的方式直接将蛤壳式零件打印成形，然后对装配面进行机加，可以极大的降低零件的加工周期，保证产品的顺利交付；并解决了该类零件打印易变形、后续加工难度大的问题。

本发明的技术方案是：一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，具体步骤如下：

步骤1：零件模型设计；

基于蛤壳式零件建立3D打印零件模型，所述零件模型包括主壳体、副壳体、筋板和工艺柄，所述主壳体和副壳体合体即为蛤壳式零件毛坯，所述筋板是位于主壳体、副壳体之间分隔面的平板，将主壳体和副壳体连接为一体结构；所述工艺柄是沿筋板外缘周向设置的凸台结构，用于零件模型的定位；

步骤2：零件模型的摆放；

将所述零件模型竖直摆放，并向主壳体的方向倾斜15°～20°；

步骤3：零件模型的3D打印；

基于步骤1和步骤2的设计，采用铺粉式激光选区熔化3D打印设备进行零件模型的成形打印，得到零件打印毛坯。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，主壳体和副壳体是蛤壳式零件毛坯被竖直平面分体的两部分结构，两者的水平方向上严格对正，保证后续机加过程中能够进行一体加工。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，筋板的厚度为4mm，工艺柄的厚度为10mm。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，零件模型的加工面贴1mm加工余量，支撑添加部位贴0.5mm的打磨量。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，所述零件模型上端的工艺柄设置有两个定位边，第一定位边平行于零件模型底边，第二定位边垂直于零件模型底边；所述零件模型的顶端为三边相互垂直构成的加工零点。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，将3D打印设置的零件支撑集中于副壳体上；由于副壳体为开放结构，支撑集中在副壳体上便于采用机加的方式去除。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，将零件模型的全部支撑设置于零件模型外部，支撑倾斜到筋板上，保证零件模型主体结构的完整性。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，3D打印设备参数设定为：激光功率1×1000W，光斑直径85um，扫描速度2m/s；并采用0.03mm的成形层厚度。

一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形后的机加工艺方法，具体步骤如下：

步骤1：将零件打印毛坯连同打印基板从成形仓中取出，清除零件上的粉末，需保证零件打印毛坯内部无粉末残留；

步骤2：将零件打印毛坯连同打印基板进行热处理，260℃，保温2小时，并在空气中冷却；

步骤3：通过线切割将基板从零件打印毛坯上去除，线切割路径紧贴基板的打印表面；通过第二定位边定位，靠平第一定位边，沿着零件模型底边线切割去除底端支撑；

步骤4：通过工艺柄装夹定位，并通过工艺柄的加工零点定位，对主、副壳体进行一体化加工；

步骤5：第二定位边定位，靠平第一定位边，通过线切割的方式沿筋板厚度方向的中间位置将两个主、副壳体分开；

步骤6：通过对分体后的工艺柄定位并找正分体后的主、副壳体，在分体后的主、副壳体与工装之间填充石膏作为辅助支撑，使用球头刀去除分体后的主、副壳体内部的支撑；

步骤7：使用铣刀在垂直筋板方向上以每层0.1mm的量逐层铣掉分体后的主、副壳体四周的筋板，直至主、副壳体与工艺柄分离；

步骤8：由钳工对粗加工零件表面进行打磨，去除加工残留并将打磨光滑，得到成品零件，即完成蛤壳式零件的加工。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，对主、副壳体上的装配面进行加工，从一个方向上一次性同时加工主、副壳体上的装配孔。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)3D打印与传统铣削方式各自存在不足。通过3D打印直接成形的零件需手工去除零件支撑和打磨支撑面，去除支撑与打磨的过程中会造成蛤壳式零件变形，3D打印直接成形零件得到的零件精度也不满足蛤壳式零件装配面的精度要求。通过传统铣削方式成形蛤壳式零件去除材料多，加工周期长。本发明将3D打印的增材制造方式与传统铣削加工的减材制造方式相结合，充分发挥各自的优势，避免各自的不足；

(2)蛤壳式零件传统铣削加工方式通过数控机床一件一件加工零件，占用机床设备资源较多。本发明将3D打印的增材制造方式与传统铣削加工的减材制造方式相结合，零件可进行批量打印成形，再通过五轴机床进行最后一步精加工即可，省去传统铣削加工方式开粗工序，占用机床设备资源少。本发明中设计的零件摆放方式使零件摆放占用基板面积最小，一板零件可以完成多个零件的成形。本发明加工方式相对于传统采用金属板料进行加工的方式加工费用更低；

(3)传统3D打印成形蛤壳式零件的方式为主、副壳体单独打印，然后单独加工，由于打印精度差异与找正误差的原因主、副壳体零件存在无法装配的风险。本发明中所涉及的主、副壳体零件一体化成形方法与后续机加工艺方法，主、副壳体一体打印共用一个工艺柄，此种设计方法有如下优势。首先，无需单独设置工艺柄，减少了3D打印过程中的材料用量。其次，后续机加时进行一体化机加，从一个方向上完成装配孔的加工，确保零件可以顺利进行装配。再次，根据零件的形状设定筋板厚度，零件装配孔加工完成后采用线切割的方式从筋板中间将主、副壳体切开，采用平面铣的方式铣掉筋板后零件自然掉落。发明中设计的筋板与工艺柄设计方法可以保证后续的机加工序的加工效率与加工精度；

(4)传统的铣削方法在零件修改后机加工艺中毛坯尺寸、加工顺序、数控程序均需修改，工作量大。本发明通过3D打印的方法成形零件，3D打印技术所见即所得的技术特点保证零件结构修改或者对类似的零件进行加工时只需对3D打印模型进行微量修改即可，其余加工工序无需变化，换产快速、方便；

(5)相较于传统3D打印方法，本发明在3D打印模型处理阶段即充分考虑了零件的后续机加需求。中间设置4mm筋板使主、副壳体零件可以通过线切割方式分开；筋板两侧设置10mm工艺柄将机加定位面限定到最小；根据零件模型底边在工艺柄上设置第一定位边、第二定位边，为后续机加提供装夹定位面；零件顶端设置相互垂直的三个直角边，作为零件加工时的加工坐标系零点。保证后续机加工序顺利进行。

附图说明

图1为蛤壳式零件与工艺柄设置示意图；(a)主壳体，(b)副壳体，(c)工艺柄设置；

图2为零件工艺柄设置方式示意图；

图3为零件摆放与3D打印支撑设置示意图；(a)主壳体，(b)零件模型摆放，(c)副壳体；

附图标记说明：1.主壳体、2.副壳体、3.筋板、4.工艺柄、5.第一定位边、6.第二定位边、7.零件模型底边。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1所示，本实施例提供一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形及后续机加工艺方法，具体步骤如下：

步骤一：零件模型设计；

蛤壳式零件外形如图1所示，为满足3D打印与机加工艺性还需对零件进行贴加工余量，设计筋板和工艺柄处理，如图2。具体如下：

步骤1：为零件模型的加工面贴1mm加工余量，后期由数控机床对加工面进行加工，保证相关精度。支撑添加部位贴0.5mm的打磨量，支撑去除后打磨零件光滑；

步骤2：将零件模型按照装配关系进行摆放，将蛤壳式零件毛坯沿竖直平面分体为两部分，得到主壳体1和副壳体2；主、副壳体零件在水平方向上严格对正，保证后续机加过程中可以进行一体加工。蛤壳式零件为异形薄壁壳体类零件，为了提高零件打印成功率，同时充分考虑后续机加过程中的线切割余量，两壳体装配面之间分开4mm设置筋板3，两零件均附着在筋板上，零件在筋板居中位置。筋板在3D打印成形时对零件形成保护，提供3D打印支撑设置时的支撑附着点降低支撑长度，提高零件的打印成功率，同时为后续机加工序提供充足余量。

步骤3：在筋板3上设置工艺柄4，工艺柄4设置为中间4mm厚筋板两侧增加10mm厚凸台的形式，10mm凸台为零件的定位边，通过凸台定位将零件的定位面限定到最小，以保证定位精度；

步骤4：工艺柄4的第一定位边5与零件模型底边7平行，与第二定位边6垂直。打印完成后可通过第二定位边6定位，靠平第一定位边，沿着零件模型底边7线切割切除底部支撑。通过此种方法不仅省去了钳工去除工艺柄的工序，而且方便后续对零件模型底边7的机械加工。整个零件加工完成后依然通过第二定位边6定位，靠平第一定位边，沿4mm筋板中间位置线切割分开主、副壳体零件；

步骤5：零件顶端设置相互垂直的三个直角边，作为零件加工时的加工坐标系零点。零件顶部打印质量高，找正加工坐标系的特征在零件的最顶端有利于提高零件的找正精度。

步骤二：零件模型的摆放与支撑添加

零件模型采用竖直摆放的方式，此种方式可以将主体零件上的支撑数量降到最少，也可以最小化基板占用面积，后期批产过程中一个基板上可以同时摆放多个零件，提高零件的3D打印效率。

根据零件形状将零件向主壳体的方向倾斜15°～20°的某个角度，保证3D打印设置的零件支撑集中在副壳体上，副壳体零件结构开放，支撑集中在副壳体上方便采用机加的方式去除支撑。同时，将零件的支撑全部设置到零件外部，支撑倾斜到筋板上，保证零件主体结构的完整性。

步骤三：零件模型的3D打印

采用铺粉式激光选区熔化(SLM)3D打印设备进行零件打印成形，得到零件打印毛坯。激光功率1×1000W，光斑直径85um，扫描速度2m/s，采用0.03mm的成形层厚度。

步骤四：机械加工

零件打印完成后需要进行清粉和热处理，通过线切割工序将零件打印毛坯从基板上去除，之后进入机加工序。具体工艺过程如下：

步骤1：将零件打印毛坯连同打印基板从成形仓中取出，清除零件上的粉末，需保证零件打印毛坯内部无粉末残留；

步骤2：将零件打印毛坯连同打印基板进行热处理，260℃，保温2小时，并在空气中冷却；

步骤3：通过线切割将基板从零件打印毛坯上去除，线切割路径紧贴基板的打印表面；通过第二定位边定位，靠平第一定位边，沿着零件模型底边线切割去除底端支撑；

步骤4：通过工艺柄装夹定位，并通过工艺柄的加工零点定位，对主、副壳体进行一体化加工；对主、副壳体上的装配面进行加工，从一个方向上一次性同时加工主、副壳体上的装配孔；

步骤5：第二定位边定位，靠平第一定位边，通过线切割的方式沿筋板厚度方向的中间位置将两个主、副壳体分开；

步骤6：通过对分体后的工艺柄定位并找正分体后的主、副壳体，在分体后的主、副壳体与工装之间填充石膏作为辅助支撑，使用球头刀去除分体后的主、副壳体内部的支撑；

步骤7：使用铣刀在垂直筋板方向上以每层0.1mm的量逐层铣掉分体后的主、副壳体四周的筋板，直至主、副壳体与工艺柄分离；

步骤8：由钳工对粗加工零件表面进行打磨，去除加工残留并将打磨光滑，得到成品零件，即完成蛤壳式零件的加工。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：零件模型设计；

基于蛤壳式零件建立3D打印零件模型，所述零件模型包括主壳体、副壳体、筋板和工艺柄，所述主壳体和副壳体合体即为蛤壳式零件毛坯，所述筋板是位于主壳体、副壳体之间分隔面的平板，将主壳体和副壳体连接为一体结构；所述工艺柄是沿筋板外缘周向设置的凸台结构，用于零件模型的定位；

步骤2：零件模型的摆放；

将所述零件模型竖直摆放，并向主壳体的方向倾斜15°～20°；

步骤3：零件模型的3D打印；

基于步骤1和步骤2的设计，采用铺粉式激光选区熔化3D打印设备进行零件模型的成形打印，得到零件打印毛坯。

2.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤1中，主壳体和副壳体是蛤壳式零件毛坯被竖直平面分体的两部分结构，两者的水平方向上严格对正，保证后续机加过程中能够进行一体加工。

3.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤1中，筋板的厚度为4mm，工艺柄的厚度为10mm。

4.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤1中，零件模型的加工面贴1mm加工余量，支撑添加部位贴0.5mm的打磨量。

5.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤1中，所述零件模型上端的工艺柄设置有两个定位边，第一定位边平行于零件模型底边，第二定位边垂直于零件模型底边；所述零件模型的顶端为三边相互垂直构成的加工零点。

6.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤2中，将3D打印设置的零件支撑集中于副壳体上；由于副壳体为开放结构，支撑集中在副壳体上便于采用机加的方式去除。

7.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤2中，将零件模型的全部支撑设置于零件模型外部，支撑倾斜到筋板上，保证零件模型主体结构的完整性。

8.根据权利要求1所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形方法，其特征在于：所述步骤3中，3D打印设备参数设定为：激光功率1×1000W，光斑直径85um，扫描速度2m/s；并采用0.03mm的成形层厚度。

9.一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形后的机加工艺方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：将零件打印毛坯连同打印基板从成形仓中取出，清除零件上的粉末，需保证零件打印毛坯内部无粉末残留；

步骤2：将零件打印毛坯连同打印基板进行热处理，260℃，保温2小时，并在空气中冷却；

步骤3：通过线切割将基板从零件打印毛坯上去除，线切割路径紧贴基板的打印表面；通过第二定位边定位，靠平第一定位边，沿着零件模型底边线切割去除底端支撑；

步骤4：通过工艺柄装夹定位，并通过工艺柄的加工零点定位，对主、副壳体进行一体化加工；

步骤5：第二定位边定位，靠平第一定位边，通过线切割的方式沿筋板厚度方向的中间位置将两个主、副壳体分开；

步骤6：通过对分体后的工艺柄定位并找正分体后的主、副壳体，在分体后的主、副壳体与工装之间填充石膏作为辅助支撑，使用球头刀去除分体后的主、副壳体内部的支撑；

步骤7：使用铣刀在垂直筋板方向上以每层0.1mm的量逐层铣掉分体后的主、副壳体四周的筋板，直至主、副壳体与工艺柄分离；

步骤8：由钳工对粗加工零件表面进行打磨，去除加工残留并将打磨光滑，得到成品零件，即完成蛤壳式零件的加工。

10.根据权利要求9所述一种蛤壳式零件的一体化3D打印成形后的机加工艺方法，其特征在于：所述步骤4中，对主、副壳体上的装配面进行加工，从一个方向上一次性同时加工主、副壳体上的装配孔。

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