CN1476956A - 一种快速制造方法及其装置 - Google Patents

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周世权
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华中科技大学
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Abstract

本发明公开了一种快速制造方法,其步骤:(1)采用三维CAD软件构造所需零件的三维实体模型;(2)采用分层切片软件技术将三维实体模型切成层状薄片型三维微小实体,每层厚度为1.0-2.0mm;(3)采用CAM软件生成轮廓加工路径,控制熔丝枪按照轮廓加工路径分二层逐层进行实体扫描,使金属丝材熔化堆积成形;(4)每堆积成形二层后,启动电主轴进行轮廓切削加工;(5)熔丝枪和电主轴在Z轴方向上升二层的距离或工作台下降二层的距离;(6)重复步骤(3)、(4)和(5),直到任务完成。其装置包括位于三轴联动数控机床(3)上的熔丝枪(1)和电主轴(2),控制系统(10)控制熔丝枪(1)和电主轴(2)交替工作。采用本发明进行金属零件或模具的成形加工,具有高效率、低成本和高精度直接成形金属零件或模具的特点。

Description

一种快速制造方法及其装置
技术领域
本发明属于快速制造技术,具体涉及一种快速制造方法,它利用金属液体堆积与高速微切削复合实现快速制造;本发明还提供了该方法的实现装置。
现有的快速原型技术有如下局限性:(1)加工周期还较长。一个较为复杂的零件,往往需要几十小时或几天。究其原因,在加工过程中,每一层沉积厚度只有0.2mm以下,且还要沉积一定尺寸的支撑材料,使加工周期较长,耗材增多。(2)加工精度较差。由于是自由熔融态成形,层间内外表面出现明显的台阶,随着层厚的增加,台阶越明显。当层厚为0.254mm时,平均表面粗糙度Ra=15-53μm。(3)成本较高。所用原材料价格太高,250-458美元/kg,是不锈钢的100倍左右。(4)零件强度低。由于所用材料为高分子材料,层间熔合较差,导致所获得的原型零件强度较低。(5)不能直接得到金属零件或模具。由于该技术的成本高,加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求,暂时阻碍了RP技术的推广普及。
为实现上述发明目的,一种快速制造方法,包括以下步骤:(1)采用三维CAD软件构造所需零件的三维实体模型;(2)采用分层切片软件技术将三维实体模型切成层状薄片型三维微小实体,每层厚度为1.0-2.0mm;(3)采用CAM软件生成轮廓加工路径,控制熔丝枪按照轮廓加工路径分二层逐层进行实体扫描,使金属丝材熔化堆积成形;(4)每堆积成形二层后,启动电主轴进行轮廓切削加工;(5)熔丝枪和电主轴在Z轴方向上升二层的距离或工作台下降二层的距离;(6)重复步骤(3)、(4)和(5),直到任务完成。
实现上述方法的装置,包括位于三轴联动数控机床(3)上的熔丝枪(1)和电主轴(2),控制系统(10)控制熔丝枪(1)和电主轴(2)交替工作。
采用本发明进行金属零件或模具的成形加工,具有高效率、低成本和高精度直接成形金属零件或模具的特点。其技术效果具体论述如下:(1)可直接一次成形金属零件或模具:与现有的FDM方法相比,本发明使用的原材料为金属丝,因此,所得原型为金属零件和模具,而不是一个高分子模型。
(2)成形速度快,成本低:与毛坯切除加工相比,本发明无须制造毛坯,采用增长成形与高速微切削技术,切除的材料很少;与FDM相比,本发明采用的金属丝价格只有FDM材料的1/100,而堆积的厚度是FDM的10倍左右。另外,所采用的熔丝枪和高速电主轴为通用设备,所以,系统建造和运行的费用比较低。
(3)零件的精度高:与现有的FDM方法相比,本发明采用金属液体堆积与高速微切削复合快速制造技术,而不是只用液体堆积。因此,可将液体堆积中形成的台阶消除,使所获制件具有低的表面粗糙度和高的尺寸和形状精度。
(4)可以在普通数控机床上加工:实现本发明所用设备既可以是研制的专用设备,也可以在一般机床上配备液体熔积系统和高速电主轴系统进行“金属液体的堆积和高速微切削”;可以采用常规切削加工的数控程序来驱动机床,也可以借用现有RP方法中典型的“分层”与“切片”程序,生成零件薄片,使熔丝枪按照轮廓填充薄片全部“实面”,高速电主轴则只进行轮廓表面加工。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图2所示的装置中,熔丝枪1选用逆变式熔化极氩弧堆焊机,可熔化0.8-2.0mm的金属丝,熔化的金属液体快速沉积和凝固形成零件的实体层。电主轴2为高速主轴和陶瓷铣刀一体化设备,转速可达40000转/分,走刀速度可达500m/min,用来对沉积和凝固形成零件的实体层进行高速轮廓加工。熔丝枪1和电主轴2被安装在三轴联动数控机床3上,数控机床3包括由X方向驱动装置4,Y方向驱动装置5和6,Z方向驱动装置7和8以及控制系统10组成。调整数控机床3,使熔丝枪1和电主轴2交替进行沉积和加工,启动控制系统10,即可获得所设计零件的实体9。
图3为对三维零件进行加工的示意图,先用三维CAD软件设计该零件并转化为面化模型,然后通过计算机切片软件将面化模型分层为一系列薄片12(图3-1),选择与工作基底11接触的最底层薄片,并将熔丝枪1对准轮廓线,启动所述模型的堆积和加工程序,首先进行液体堆积(图3-2),然后进行轮廓加工(图3-3),逐层扫描每个截面,最后得到一个完整的金属零件或模具的三维实体(图3-4)。
本发明采用的金属丝材12直径一般为0.8-2.0mm,材料可为铝、铜、钛等金属或合金,低碳钢和低碳合金钢等。
实施例:1、设备:①机床选用金依钛数控工作台,②熔丝枪选用NB250型,③电主轴选用瑞士IBAG公司生产的电主轴,④机床控制系统为PIV计算机一台;2、丝材:市售不锈钢焊丝一圈,直径1.2mm;3、加工目的:获得一块φ20mm×20mm的圆柱体;4、实施步骤:①采用Solidworks2001设计一个φ20mm×20mm的立体图形并转化为面化模型,如图4所示;②对上述面化模型从垂直于Z轴方向进行分层处理,每一层厚度为:1mm,处理结果如图5所示,图5-1为下底层,图5-2为第二层,图5-3为第十九层,图5-4为上底层;
③按轮廓扫描设计走刀路线,熔丝枪的走刀路线如图6所示,图6-1为下底层,图6-2为第二层,图6-3为第十九层,图6-4为上底层;电主轴刀具的走刀路线如图7所示,图7-1为第二层,图7-2为第四层,图7-3为第十八层,图7-4为上底层;并以相对坐标系用MasterCAM8.0软件设计加工程序,将熔丝枪和电主轴刀具定位在圆柱体下底层的外轮廓线上。
④调整熔体堆积、电主轴参数和数控工作台运动速度,在熔化极氩弧焊机控制面板上将电流调整为150A,在数控工作台控制面板上将电主轴转速调整为25000转/min,熔体堆积速度调整为4m/min,高速电主轴加工速度调整为10m/min。
⑤将基底不锈钢板材固定于数控工作台上,启动数控系统,输入用MasterCAM8.0软件设计加工程序,加工结果如图4所示。
本发明装置的控制系统10的控制总流程图如图8所示,其中的切片分层,CAM设计和模拟堆积、模拟高速加工部分与现有技术相同,故本发明没有再作具体说明。
本发明对计算机数控加工技术、液态金属逐层堆焊与分层快速制造技术的交叉应用将有十分重要的理论意义和现实意义,对降低RP技术及设备的成本,提高金属零件的制造速度和制造精度,降低制件成本具有良好的经济和实用价值,在制造业将有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.一种快速制造方法,包括以下步骤:(1)采用三维CAD软件构造所需零件的三维实体模型;(2)采用分层切片软件技术将三维实体模型切成层状薄片型三维微小实体,每层厚度为1.0-2.0mm;(3)采用CAM软件生成轮廓加工路径,控制熔丝枪按照轮廓加工路径分二层逐层进行实体扫描,使金属丝材熔化堆积成形;(4)每堆积成形二层后,启动电主轴进行轮廓切削加工;(5)熔丝枪和电主轴在Z轴方向上升二层的距离或工作台下降二层的距离;(6)重复步骤(3)、(4)和(5),直到任务完成。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述金属丝材的直径为0.8-2.0mm。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的装置,其特征在于:该装置包括位于三轴联动数控机床(3)上的熔丝枪(1)和电主轴(2),控制系统(10)控制熔丝枪(1)和电主轴(2)交替工作。
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