一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法
2023-05-30 11:36:56 3
一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法
【專利摘要】一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法，由零件結構幾何特徵分析與加工工藝分解、加工軌跡規劃與仿真和粉末雷射燒結的增材製造與數控切削加工混合的複雜結構零件加工一體化製造三個步驟組成。本發明結合數位化製造、數控切削加工及先進增材製造技術，通過零件幾何特徵分析確定結構複雜度與製造方式，制定分解加工工藝，利用數位化製造技術實現去除與增材製造的加工軌跡規劃與仿真，採用先進粉末雷射燒結的增材製造與數控切削加工混合的一體化加工實現複雜結構零件的製造，這是一種高效、高精度的複雜結構零件加工製造的新方法。
【專利說明】一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用增材製造與數控切削去除混合的加工技術實現複雜結構零件的高效加工方法，尤其涉及了一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與數控切削混合的加工方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術的發展，製造業作為現代工業的基礎，製造技術發展前沿呈現了一個明顯趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環境友好、成形與組織性能控制一體化的先進位造技術。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領域反映出來，尤以航空航天領域為典型，航空航天領域加工製造技術前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應，成形結構十分複雜的金屬零部件。儘管各種傳統加工技術都盡力發揮近於極限，但由於其各自技術原理所帶來的本質性限制，難以滿足極限化需求，成為制約航空航天整體製造技術發展瓶頸。面對航空航天製造領域多尺度、高精度、多品種、小批量的生產特點，提高零件質量、降低成本及快速反應是航空航天製造企業應對市場競爭和行業發展的重要手段，而提升裝備先進位造能力方面將發揮著重要角色。隨著航空航天領域的新型材料、高精加工、複雜裝配的需求也對先進位造技術水平與製造理念提出了新的要求，需要對先進位造技術進行不斷發展與整合，探索與突破應用中面臨的各項關鍵技術，從而實現航空航天製造領域的不斷創新
儘管目前先進增材製造技術能夠滿足航空航天零件及裝備研製的低成本、短周期需求，增材製造技術對零件結構尺寸不敏感，可以製造超大、超厚及複雜型腔等特殊結構，但增材製造技術的加工效率還無法與去除加工相媲美，也造成零件製造的成本增高。基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法將增材製造與去除加工進行有機結合，充分發揮增材製造與去除加工的優勢，取長補短，是解決航空航天複雜結構件製造的重要技術手段，特別是對解決結構複雜、加工精度高的航空航天發動機結構零部件製造難題提供了新方法，符合航空航天領域先進位造技術發展的迫切需求。在航空航天技術的時代背景下，航空航天製造領域創新性技術發展對航空航天製造企業生產模式轉型升級、裝備先進位造能力提升具有十分重要的意義和價值。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於提供一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法，結合數位化製造、數控切削加工及先進增材製造技術，通過零件幾何特徵分析確定結構複雜度與製造方式，制定分解加工工藝，利用數位化製造技術實現去除與增材製造的加工軌跡規劃與仿真，採用先進粉末雷射燒結的增材製造與數控切削加工混合的一體化加工實現複雜結構零件的製造，這是一種高效、高精度的複雜結構零件加工製造的新方法。[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法，由零件結構幾何特徵分析與加工工藝分解、加工軌跡規劃與仿真和粉末雷射燒結的增材製造與數控切削加工混合的複雜結構零件加工一體化製造三個步驟組成，具體步驟如下:
首先，通過Solidworks或Pro/E數位化三維造型軟體對複雜零件結構的數位化三維幾何模型進行幾何特徵分析與結構分解，並以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基於零件幾何特徵的製造複雜度分析模型，並依據該模型確定零件加工工藝順序與製造方式。
[0005]其次，依據制定的零件加工工藝順序與製造方式，採用Solidworks或Pro/E軟體的CAM輔助製造仿真模塊分析數控切削單元的刀具運動軌跡路徑與增材製造的粉末供給與雷射燒結同軸單元的運動軌跡路徑，進行數控切削與增材製造的加工軌跡規劃與幹涉檢查仿真分析。
[0006]最後，經過加工軌跡規劃與幹涉檢查仿真分析後，由CAM輔助製造仿真單元直接生成數控切削與增材製造的軌跡運動數控代碼，並由增材製造與去除加工協調統一數控系統控制數控切削單元完成零件幾何特徵簡單規則結構部分的加工，待數控切削加工完成後，控制增材製造單元完成零件幾何特徵複雜結構部分的製造。
[0007]本發明中，採用零件幾何特徵分析與製造工藝分解，零件幾何特徵簡單規則結構部分由去除加工完成，並保留足夠的增材製造餘量，幾何特徵簡單規則結構主要由點、直線、圓弧等幾何特徵構造。
[0008]本發明中，採用增材製造方法任意實現零件的幾何特徵複雜結構部分的製造，並準確控制增材製造的加工尺寸與精度。
[0009]本發明中，採用統一數控系統控制數控切削單元與增材製造單元，保證去除加工與增材製造工藝的協調統一性。
[0010]本發明中，複雜結構零件幾何特徵分解，零件幾何特徵簡單規則結構部分由數控切削單元完成。
[0011 ] 本發明中，複雜結構零件幾何特徵分解，零件幾何特徵複雜結構部分由增材製造單兀完成。
[0012]本發明中，數控切削單元與增材製造單元採用統一的控制系統，且保證去除加工與增材製造工藝的協調統一性。
[0013]本發明中，採用的增材製造單元可實現粉末供給與雷射燒結保持同軸，雷射聚焦在粉末供給的末端。
[0014]本發明利用零件結構的數位化模型的幾何特徵分析與製造工藝分解，實現了複雜結構零件的高效加工，基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的加工方法將零件結構拆解為幾何特徵簡單規則結構部分與複雜部分，綜合去除加工與增材製造技術進行零件製造的混合加工方法，它結合了去除加工製造與增材製造技術的長處，同時兼顧了加工效率與加工質量的需求，降低了複雜結構零件的加工成本和拓寬了增材製造技術的實際應用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】[0015]圖1為零件的去除加工與增材製造混合的加工示意圖；
圖2為基於零件結構幾何特徵分析的加工工藝分解示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但並不局限於此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍中。
[0017]【具體實施方式】一:如圖1所示，基於零件結構幾何特徵分解的去除加工與增材製造混合的加工方法是利用計算機數位化軟體對零件結構的數位化三維幾何模型I進行幾何特徵分析與結構分解，將零件結構拆分為幾何特徵簡單規則結構與複雜結構部分，並以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基於零件幾何特徵的製造複雜度分析模型，並依據該模型確定零件加工工藝順序與製造方式。圖中的CAM輔助製造仿真單元2將按照已分解的加工工藝與製造方式分析數控切削單元15的刀具6運動軌跡路徑與增材製造單元14的粉末供給與雷射燒結同軸單元11的運動軌跡路徑，完成數控切削與增材製造的加工軌跡規劃與幹涉檢查仿真分析。CAM輔助製造仿真單元2生成數控切削與增材製造工藝的數控代碼，由統一數控系統3控制數控切削單元15完成零件幾何特徵簡單規則結構部分的加工，完成數控切削加工後，控制增材製造單元14完成零件幾何特徵複雜結構部分的製造。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式的具體實施包括三個部分:零件結構幾何特徵分析與加工工藝分解、加工軌跡規劃與仿真和粉末雷射燒結的增材製造與數控切削加工混合的複雜結構零件一體化加工。
[0019]—、零件結構幾何特徵分析與加工工藝分解
步驟1:利用數位化軟體對複雜零件結構的數位化三維幾何模型I進行幾何特徵分析，將零件拆分為幾何特徵簡單規則結構部分與複雜結構部分，幾何特徵簡單規則結構主要由點、直線、圓弧等幾何特徵構造(如圖2所示)；
步驟2:以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基於零件幾何結構特徵的製造複雜度分析模型；
步驟3:依據零件製造複雜度分析模型，最終確定零件的幾何特徵簡單規則結構與複雜結構的加工工藝。
[0020]二、加工軌跡規劃與仿真
步驟1:利用CAM輔助製造仿真單元2將按照已分解零件幾何特徵簡單規則結構的加工工藝過程分析數控切削單元15的刀具6運動軌跡路徑，實現數控切削加工軌跡仿真；步驟2:在零件幾何特徵簡單規則結構加工仿真基礎上，利用CAM輔助製造仿真單元2按照零件複雜結構的加工工藝過程分析增材製造單元14的粉末供給與雷射燒結同軸單元11的運動軌跡路徑，實現增材製造過程的加工軌跡仿真；
步驟3:以滿足工效率和加工質量為準則，利用CAM輔助製造仿真單元2對去除加工與與增材製造工藝的最佳加工軌跡進行規劃與幹涉檢查分析。
[0021]三、數控切削加工與粉末雷射燒結的增材製造混合的複雜結構零件一體化加工 步驟1:去除加工與增材製造工藝軌跡規劃後，由CAM輔助製造仿真單元2生成去除加工與增材製造工藝的數控代碼，包括去除加工工藝數控代碼與增材製造工藝數控代碼，並將工藝數控代碼下傳到統一數控系統3中；
步驟2:統一數控系統3控制數控切削單元15的換刀、切削參數、刀具軌跡及加工條件等，完成零件幾何特徵簡單規則結構部分的加工；
步驟3:完成零件幾何特徵簡單規則結構部分的加工後，統一數控系統3控制增材製造單元14的粉末供給參數、雷射燒結參數與運動軌跡，完成零件幾何特徵複雜結構部分的增材製造。
【權利要求】
1.一種基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法，其特徵在於所述方法步驟如下: 首先，對複雜零件結構的數位化三維幾何模型進行幾何特徵分析與結構分解，並以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基於零件幾何特徵的製造複雜度分析模型，並依據該模型確定零件加工工藝順序與製造方式； 其次，依據制定的零件加工工藝順序與製造方式，採用CAM輔助製造仿真單元分析數控切削單元的刀具運動軌跡路徑與增材製造的粉末供給與雷射燒結同軸單元的運動軌跡路徑，進行數控切削與增材製造的加工軌跡規劃與幹涉檢查仿真分析； 最後，經過加工軌跡規劃與幹涉檢查仿真分析後，由CAM輔助製造仿真單元直接生成數控切削與增材製造的軌跡運動數控代碼，並由增材製造與去除加工協調統一數控系統控制數控切削單元完成零件幾何特徵簡單規則結構部分的加工，待數控切削加工完成後，控制增材製造單元完成零件幾何特徵複雜結構部分的製造。
2.根據權利要求1所述的基於零件結構幾何特徵分解的增材製造與去除加工混合的高效加工方法，其特徵在於所述增材製造單元的粉末供給與雷射燒結保持同軸，且雷射聚焦在粉末供給的末端。
【文檔編號】G06F17/50GK103886166SQ201410162153
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】王揚, 劉俊巖, 楊立軍, 張宏志, 王懋露 申請人:哈爾濱工業大學