將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備及加工方法與流程

2023-06-18 20:20:12

本發明涉及增減材製造領域，具體為一種將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備及加工方法。

背景技術：

金屬零件的傳統製造工藝主要是通過車削、銑削等機械減材加工方式對材料進行去除，從而最終得到滿足質量和精度要求的零件，不僅浪費材料而且難以加工出複雜曲面的零件；增材製造則是將三維實體離散為若干個二維平面，通過逐層疊加材料進行生產，最終形成三維零件，能夠有效的減少原材料的浪費，並且可以加工任意形狀的複雜零件，缺點是工件的表面質量較差，精度也難以達到要求。採用增減材複合製造將二者結合起來，在增材製造一定層數後引入減材工藝，實時對沉積材料進行高精度的減材加工，彌補了純增材工件表面質量差，尺寸精度低的問題，同時又能成形傳統減材工藝不能製造的複雜幾何形狀零件。因此是一種發展潛力巨大的加工方法。

增減材複合製造工藝中的增材製造過程是利用高能束熔化金屬成形材料，它以高能移動熱源沿著規劃好的路徑逐步進行掃描，剛完成增材成形後的材料溫度較高，而出於生產效率的考量，後續減材加工往往需要在增材成形材料尚有與熱的條件下進行加工，這種增材殘與的溫度場在減材過程中會加劇刀具的磨損。另外由於傳統切削液會影響增材製造過程，因此在整個增減材成形過程中不能使用切削液，使得切削產生的熱量不能被及時帶走，進一步提高了刀具切削刃的溫升，這些問題都嚴重影響後續減材過程中刀具的使用壽命以及工件的加工精度與表面質量。

超聲切削的優點在於：

1)切削溫度低。超聲切削過程中刀具前刀面不是始終與工件保持接觸狀態，而是處於有規律的接觸、分離狀態，刀具與工件的作用時間佔總切削時間的三分之一左右，這將使刀具和工件都有更多時間進行散熱，降低了切削溫度。

2)切削力小：超聲切削將連續切削力變成了脈衝切削力，可以減少切削變形區的塑性變形和摩擦，從而降低切削力。

3)加工質量好：超聲切削中刀具的有規律強迫振動取代了刀具和工件無規律的自激振動，使切削過程更加穩定，積削瘤不易產生，加工質量好，工件殘與應力低。

針對上述現有技術中所存在的問題，研究設計一種新型的將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備及加工方法，從而克服現有技術中所存在的問題是十分必要的。

技術實現要素：

鑑於上述現有技術中所存在的問題，本發明的目的是研究設計一種新型的將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備及加工方法。來解決現有技術中存在的諸多問題，有效提高刀具壽命，提高減材後的工件表面質量，解決一般增減材製造技術中的刀具壽命問題。

本發明的技術解決方案是這樣實現的：

本發明所述的超聲波輔助切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備，其特徵在於所述的設備包括：刀具、刀庫、主軸、床身、雷射發生器、送粉裝置、噴嘴託架、基板、工作檯、熔覆噴頭和超聲切削裝置；所述的主軸裝於床身上部，增材製造時，主軸下部安裝熔覆噴頭，減材加工時，主軸的下部裝有刀具，在主軸與刀具之間裝有超聲切削裝置；在主軸的下方床身上裝有可繞水平軸線和豎直軸線旋轉的搖籃式工作檯；工作檯上安裝有基板，在基板上進行增減材複合製造；噴嘴託架裝於床身上，位於主軸工作檯的一側，噴嘴託架用於放置熔覆噴頭，熔覆噴頭與外部的雷射發生器和送粉裝置相連接；工作檯的另一側裝有刀庫，刀具裝於刀庫內。

本發明所述的床身上部在x、y、z三個方向均設置有滑動導軌，主軸可沿滑動導軌滑動。

本發明所述的超聲切削裝置包括：超聲發生器、超聲換能器和變幅杆；超聲發生器裝於主軸上；超聲換能器與變幅杆和刀具裝於一體，減材加工時，一同裝於主軸的下部。

本發明所述將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備的加工方法為：

a、增材製造：主軸由噴嘴託架上取下熔覆噴頭，利用高能束與cad/cam技術相結合，在熔覆噴頭處將粉料熔化，並在基板上按照設定的掃描路徑進行一定層數的增材製造工件，增材一定層數後，通過控制系統控制噴嘴託架將熔覆噴頭卸下；

b、減材加工：將刀具由刀庫中取出安裝在主軸上，主軸沿床身上部的x、y、z三個方向的滑動導軌滑動，通過超聲切削裝置配合刀具採用超聲切削的方式對工件進行減材加工；減材加工結束，取下刀具放入刀庫中；

c、循環加工：循環重複上述a、b步驟，直至完成整個工件的加工。

本發明所述的增材製造材料為金屬或陶瓷，材料形狀為粉粒或絲狀；增材過程為送粉式；增材層數為單層或多層。

本發明所述的高能束包括：雷射束、電子束、電弧或離子束。

本發明所述的超聲切削的形式可以是一維振動、二維(橢圓)振動或三維振動；超聲振動頻率可以根據切削參數、工件材料和零件實時溫度等進行調整。

本發明所述的超聲切削可以施加在刀具上也可以施加在工件上。

本發明所述的超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

本發明所述的刀具為硬質合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

本發明的優點是顯而易見的，主要表現在：

1、本發明將超聲切削應用於送粉式式增減材複合製造過程中可顯著提高增減材複合製造中刀具的使用壽命,解決了增減材複合製造技術中的刀具壽命問題。

2、本發明可使加工過程更加穩定，進而顯著提高工件的精度和質量，能夠實現各種複雜曲面零件的加工。

本發明具有結構新穎、加工簡便、穩定性高、刀具使用壽命高，工件加工精度高、適用於各種高難度工件加工等優點，其大批量投入市場必將產生積極的社會效益和顯著的經濟效益。

附圖說明

本發明共有5幅附圖,其中：

附圖1為本發明增材加工狀態結構示意圖；

附圖2為附圖1a部放大視圖；

附圖3為本發明減材加工狀態結構示意圖；

附圖4為附圖3b部放大視圖；

附圖5為超聲切削裝置結構示意圖。

在圖中：1、刀具2、刀庫3、主軸4、雷射發生器5、送粉裝置6、噴嘴託架7、工件8、基板9、工作檯10、熔覆噴頭11、超聲發生器12、超聲換能器13、變幅杆。

具體實施方式

本發明的具體實施例如附圖所示，超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備包括：刀具1、刀庫2、主軸3、床身、雷射發生器4、送粉裝置5、噴嘴託架6、基板8、工作檯9、熔覆噴頭10和超聲切削裝置；所述的主軸3裝於床身上部，增材製造時，主軸3的下部裝有熔覆噴頭10，減材加工時，主軸3的下部裝有刀具1，在主軸3與刀具1之間裝有超聲切削裝置；在主軸3的下方床身上裝有可繞水平軸線和豎直軸線旋轉的搖籃式工作檯9；工作檯9上安裝有基板8，工件7的增減材複合製造在基板8上進行；噴嘴託架6裝於床身上，位於工作檯9的一側，噴嘴託架6用於放置熔覆噴頭10，熔覆噴頭10與外部的雷射發生器4和送粉裝置5相連接；工作檯9的另一側裝有刀庫2，刀具1裝於刀庫2內。

床身上部在x、y、z三個方向均設置有滑動導軌，主軸3可沿滑動導軌滑動。

超聲切削裝置包括：超聲發生器11、超聲換能器12和變幅杆13；超聲發生器11裝於主軸3上；超聲換能器12與變幅杆13和刀具1裝於一體，在減材時，與刀具一同裝於主軸3的下部。

將超聲切削應用於送粉式增減材複合製造中的設備的加工方法為：

a、增材製造：主軸3由噴嘴託架6上取下熔覆噴頭10，利用高能束與cad/cam技術相結合，在熔覆噴頭10處將粉料熔化，並在基板8上按照設定的掃描路徑進行一定層數的增材製造工件7，增材一定層數後，通過控制系統控制噴嘴託架6將熔覆噴頭10卸下；

b、減材加工：將刀具1由刀庫2中取出安裝在主軸3上，主軸3沿床身上部的三向滑動導軌滑動，通過超聲切削裝置配合刀具採用超聲切削的方式對工件7進行減材加工；減材加工結束，取下刀具1放入刀庫2中；

c、循環加工：循環重複上述a、b步驟，直至完成整個工件7的加工。

增材製造材料為金屬或陶瓷，材料形狀為粉粒或絲狀；增材過程為送粉式；增材層數為單層或多層。

高能束包括：雷射束、電子束、電弧或離子束。

超聲切削的形式可以是一維振動、二維橢圓振動或三維振動；超聲振動頻率可以根據切削參數、工件材料和零件實時溫度等進行調整。

超聲切削可以施加在刀具上也可以施加在工件上。

超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

刀具1為硬質合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

以上所述，僅為本發明的較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，所有熟悉本技術領域的技術人員在本發明公開的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其本發明的構思加以等同替換或改變均應涵蓋在本發明的保護範圍之內。