一种复杂零件的高速精密加工方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种复杂零件的高速精密加工方法，包括：获取待加工零件的CAD模型，基于分层切片方法获得实体的切片轮廓，再采用基于活性边表法的轮廓填充算法获得实体轮廓填充路径，根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向获得该位置的磨头工作的位置参数及局部加工轨迹，并将各个局部加工轨迹连结，以生成磨头研磨加工路径，采用金属粉末材料用激光束沿实体轮廓填充路径进行激光熔化加工零件单层毛坯，再采用磨头沿研磨加工路径加工获得精加工制件，研磨产生的碎屑可直接供下层制造使用，由此逐层制造直至零件加工完成。本发明能够解决现有精密加工方法难以自动加工表面形状复杂、具备内流道特征的复杂机械零件的技术问题。
【专利说明】一种复杂零件的高速精密加工方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于金属零件直接制造【技术领域】，更具体地，涉及一种复杂零件的高速精密加工方法和装置。
【背景技术】
[0002]随着生产和科学技术的发展，许多工业部门，尤其是国防、航天、电子等工业，要求产品向高精度、高速度、大功率、耐高温、耐高压、小型化等方向发展，产品零件所使用的材料愈来愈难加工，形状和结构愈来愈复杂，很多零件内部还具有各种结构特征如内流道等，且要求的精度愈来愈高，表面粗糙度愈来愈小，常用的、传统的加工方法已不能满足需要。精密加工是在严格控制的环境条件下，使用精密加工机械和精密量具和量仪来实现的。
[0003]现有的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点；精密切削，也称金刚石刀具切削，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，比一般切削加工精度要高I?2个等级；珩磨，用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4?0.1微米，最好可到Ra0.025微米，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属；精密研磨，通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及磨具相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法；抛光，是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。
[0004]然而，对于表面形状复杂、带有内流道的复杂机械零件而言，传统精密加工方法由于机械刀具无法逼近，零件后处理一般无法进行数控自动加工。而人工后处理虽然可以改善表面光洁度，但无法精确控制尺寸精度，也难以处理类似内流道等实体内部结构表面。采用电化学加工方法加工精密模具速度缓慢，且数控编程复杂。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复杂零件的高速精密自动加工方法和装置，其目的在于解决现有精密加工方法难以自动加工表面形状复杂、带有内流道的复杂机械零件，且无法精确控制尺寸精度和表面粗糙度的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种复杂零件的高速精密加工装置，包括粉床、铺粉辊、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、扫描振镜、磨头、磨头主轴、多轴联动系统、以及粉末材料，粉床与加工装置的机身连接，升降工作缸设置于粉床的下部，且其下端面与粉床的上表面平齐，升降工作缸内装有粉末材料和成型制件，并可升降，铺粉辊设置于粉床的上端面，并在粉床的左右来回滚动，用于输送粉末材料到粉床中，并将粉床中的粉末材料铺平，激光器固定在加工装置的机身上，并能在通电后发射出高能激光束，光路聚焦器固定在加工装置的机身上，并设置于扫描振镜和激光器之间，用于聚焦激光器的光斑，使光斑能量密度达到能够熔化粉末材料的要求，扫描振镜固定在加工装置的机身上，并可改变激光器的激光束在粉床上聚焦的位置，磨头安装在磨头主轴的顶端，磨头主轴与多轴联动系统连接，并可随多轴联动系统在6个自由度内运动，以驱动磨头旋转，进而对成型制件进行研磨，多轴联动系统固定在加工装置的机身上，并驱动磨头运动。
[0007]优选地，粉末材料是由金属材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
[0008]优选地，激光器的光斑直径为100微米至500微米。
[0009]优选地，多轴联动系统用于在激光器工作时，将磨头和磨头主轴移动到粉床的边缘，并保持静止状态，在激光器停止工作后，多轴联动系统用于将磨头和磨头主轴移动到成型制件的上方开始研磨工作。
[0010]按照本发明的另一方面，提供了一种复杂零件的高速精密加工方法，包括以下步骤:
[0011](I)获取待加工零件的CAD模型，基于分层切片方法将CAD模型从最底层一直分层到最顶层；
[0012](2)根据CAD模型中各个三角形面片的连接关系，查找与分层切片相交的三角形序列，并根据这些三角形序列依次将三角形面片与切片平面的交线首尾连接，以获得实体的切片轮廓；
[0013](3)采用基于活性边表法的轮廓填充算法对实体的切片轮廓进行处理，以获得实体轮廓填充路径；
[0014](4)根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，按照磨头刀位点处必须与该三角形面片相切的原则获得该位置的磨头工作的位置参数及局部加工轨迹，并将各个局部加工轨迹连结，以生成外轮廓的磨头研磨加工路径。
[0015](5)利用铺粉辊在粉床表面均匀地铺上一层金属粉末，其厚度为50微米至200微米;
[0016](6)根据步骤(3)中生成的实体轮廓填充路径驱动扫描振镜在粉床上扫描，以对粉床上的金属粉末进行激光熔化；
[0017](7)将激光熔化后的金属粉末进行自然冷却，以形成CAD模型的实体部分毛坯；
[0018](8)根据步骤(3)中生成的外轮廓磨头研磨加工路径驱动磨头主轴运动，以对CAD模型的实体部分毛坯的边缘进行高速研磨精加工；
[0019](9)在研磨加工完毕后，将粉床降低一定的高度，并重复上述步骤(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最顶层为止，从而得到整个零件。
[0020]优选地，切片后的层厚度为50微米至200微米。
[0021]优选地，步骤(6)中的熔化温度为1000至2000摄氏度。
[0022]优选地，步骤(9)中粉床降低的高度与步骤(I)中切片后的层厚度相等，且为50微米至200微米。
[0023]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0024]1、本发明由于采用分层制造零件各层毛坯并精细研磨的方式，规避了复杂零件加工过程中的刀具干涉问题，可以用统一的方法全自动加工任意复杂形状的三维模型，因此能够克服现有精密加工装置难以加工任意复杂(特别是含有内流道特征)的三维模型的问题。
[0025]2、本发明由于采用了逐层研磨的方式，并且磨头进给量小(微米级别)，所以制得的零件尺寸精度高，表面质量好。
[0026]3、本发明由于采用了多轴联动系统控制磨头的运动，因此制得的零件在除下表面之外的所有外表面和除上表面之外所有内表面均具备高表面质量，显著减少了对制件进行人工后处理的劳动量。
[0027]4、本发明由于采用高速磨削的技术，高速研磨产生的废料直接作为激光熔化成形的原材料，因此不仅节约材料，且不存在废料吸附、回收等问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明复杂零件的高速精密加工装置的结构示意图。
[0029]图2是本发明复杂零件的高速精密加工方法的流程图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]本发明的思路在于，将待成形零件沿指定方向分成若干一定层厚(具体为50微米至200微米)的细层，采用选择性激光熔化技术加工每一细层的毛坯，然后变换工位，采用高速研磨技术将该层毛坯研磨精加工为满足尺寸精度与表面粗糙度要求的零件实体，如此逐层往复堆叠制造，直到将整个零件加工完毕。
[0032]如图1所示，本发明复杂零件的高速精密加工装置包括粉床1、铺粉辊2、升降工作缸3、激光器4、光路聚焦器5、扫描振镜6、磨头7、磨头主轴8、多轴联动系统9、以及粉末材料10。
[0033]粉床I与加工装置的机身连接。
[0034]升降工作缸3设置于粉床I的下部，且其下端面与粉床I的上表面平齐，升降工作缸3内装有粉末材料10和成型制件11，并可升降。
[0035]粉末材料10是由金属材料制成，并且是加工成型制件11的原材料。
[0036]铺粉辊2设置于粉床I的上端面，并在粉床I的左右来回滚动，用于输送粉末材料10到粉床I中，并将粉床I中的粉末材料10铺平。
[0037]激光器4固定在加工装置的机身上，并能在通电后发射出高能激光束。在本实施方式中，激光器4是功率为200W?1000W光纤激光器。
[0038]光路聚焦器5固定在加工装置的机身上,设置于扫描振镜6和激光器4之间，并将激光器4的光斑聚焦到指定大小(光斑直径通常为100微米至500微米)，使光斑能量密度达到能够熔化粉末材料10的要求。
[0039]扫描振镜6固定在加工装置的机身上，并可改变激光器4的激光束在粉床I上聚焦的位置。[0040]磨头7安装在磨头主轴8的顶端，磨头主轴8与多轴联动系统9连接，并可随多轴联动系统在6个自由度内运动，以驱动磨头7旋转，进而对成型制件11进行研磨。在本实施方式中，磨头主轴8使用转速为20000rpm的机械主轴。
[0041]多轴联动系统9固定在加工装置的机身上，并驱动磨头7运动。多轴联动系统9在激光器4工作时，将磨头7和磨头主轴8移动到粉床I的边缘，并保持静止状态；在激光器4停止工作后，多轴联动系统9将磨头I和磨头主轴8移动到成型制件11的上方开始研磨工作，不会对激光束的作用产生干涉。在本实施方式中，多轴联动系统具有3至6轴。
[0042]以下描述本发明的工作原理:
[0043]首先，激光器4在通电后发射出高能激光束，光路聚焦器5将激光器4的光斑聚焦到指定大小，扫描振镜6控制经过光路聚焦器5聚焦后的激光器光束照射在粉床I上待成型区域的粉末材料10上，从而金属粉末10快速熔化并凝固在一起，在照射完一层粉末材料10后，位于激光器4和粉床I中间的磨头7运动到成型制件11的上方指定位置，开始对成型制件11轮廓进行高速研磨，研磨结束后，磨头7自动退回到初始位置，其后，升降工作缸3下降一定距离，铺粉辊2在已成型的粉末材料层之上铺展一定层厚(具体为50微米至200微米)的粉末材料10，然后，重复上述照射和研磨过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描和研磨完毕为止，最后制件打印完毕。
[0044]如图2所示，本发明复杂零件的高速精密加工方法是应用在上述高速精密加工系统中，且包括以下步骤:
[0045](I)获取待加工零件的CAD模型(其通常为STL文件)，基于分层切片方法将CAD模型从最底层一直分层到最顶层，切片后的层厚度为50微米至200微米；
[0046](2)根据CAD模型中各个三角形面片的连接关系(拓扑特征)，查找与分层切片相交的三角形序列(按照邻接关系排列)，并根据这些三角形序列依次将三角形面片与切片平面的交线首尾连接，以获得实体的切片轮廓；
[0047](3)采用基于活性边表法的轮廓填充算法对实体的切片轮廓进行处理，以获得实体轮廓填充路径；
[0048](4)根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，按照磨头刀位点处必须与该三角形面片相切的原则获得该位置的磨头工作的位置参数及局部加工轨迹，并将各个局部加工轨迹连结，以生成外轮廓的磨头研磨加工路径。
[0049]此外，在本步骤过程中，由于待加工区域为平面，且平面上部无其他实体，因此几乎不需要考虑磨头的干涉问题，其加工轨迹采用简单的几何偏置算法即可实现。
[0050](5)利用铺粉辊在粉床表面均匀地铺上一层金属粉末，其厚度为50微米至200微米;
[0051](6)根据步骤(3)中生成的实体轮廓填充路径驱动扫描振镜在粉床上扫描，以对粉床上的金属粉末进行激光熔化，熔化温度为1000至2000摄氏度；
[0052](7)将激光熔化后的金属粉末进行自然冷却，以形成CAD模型的实体部分毛坯；
[0053](8)根据步骤(3)中生成的外轮廓磨头研磨加工路径驱动磨头主轴运动，以对CAD模型的实体部分毛坯的边缘进行高速研磨精加工；
[0054]本步骤还能够去除由于球化效应及台阶效应造成的零件表面尺寸和精度误差。
[0055]此外，在本步骤的过程中，研磨精加工产生的金属粉末落入粉床中，从而成为步骤(5)中使用的原料，进而提高了原料利用率，并且在生产过程中不会产生废料污染环境。
[0056](9)在研磨加工完毕后，将粉床降低一定的高度，并重复上述步骤(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最顶层为止，从而得到整个零件；粉床降低的高度与步骤(I)中切片后的层厚度相等，且为50微米至200微米。
[0057]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种复杂零件的高速精密加工装置，包括粉床、铺粉辊、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、扫描振镜、磨头、磨头主轴、多轴联动系统、以及粉末材料，其特征在于， 粉床与加工装置的机身连接； 升降工作缸设置于粉床的下部，且其下端面与粉床的上表面平齐； 升降工作缸内装有粉末材料和成型制件，并可升降； 铺粉辊设置于粉床的上端面，并在粉床的左右来回滚动，用于输送粉末材料到粉床中，并将粉床中的粉末材料铺平； 激光器固定在加工装置的机身上，并能在通电后发射出高能激光束； 光路聚焦器固定在加工装置的机身上，并设置于扫描振镜和激光器之间，用于聚焦激光器的光斑，使光斑能量密度达到能够熔化粉末材料的要求； 扫描振镜固定在加工装置的机身上，并可改变激光器的激光束在粉床上聚焦的位置； 磨头安装在磨头主轴的顶端； 磨头主轴与多轴联动系统连接，并可随多轴联动系统在6个自由度内运动，以驱动磨头旋转，进而对成型制件进行研磨； 多轴联动系统固定在加工装置的机身上，并驱动磨头运动。
2.根据权利要求1所述的高速精密加工装置，其特征在于，粉末材料是由金属材料制成，并且是加工成型制件的原材料。
3.根据权利要求1所述的高速精密加工装置，其特征在于，激光器的光斑直径为100微米至500微米。
4.根据权利要求1所述的高速精密加工装置，其特征在于，多轴联动系统用于在激光器工作时，将磨头和磨头主轴移动到粉床的边缘，并保持静止状态，在激光器停止工作后，多轴联动系统用于将磨头和磨头主轴移动到成型制件的上方开始研磨工作。
5.一种根据权利要求1至4所述高速精密加工系统的复杂零件的高速精密加工方法，包括以下步骤: (1)获取待加工零件的CAD模型，基于分层切片方法将CAD模型从最底层一直分层到最顶层； (2)根据CAD模型中各个三角形面片的连接关系，查找与分层切片相交的三角形序列，并根据这些三角形序列依次将三角形面片与切片平面的交线首尾连接，以获得实体的切片轮廓； (3)采用基于活性边表法的轮廓填充算法对实体的切片轮廓进行处理，以获得实体轮廓填充路径； (4)根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，按照磨头刀位点处必须与该三角形面片相切的原则获得该位置的磨头工作的位置参数及局部加工轨迹，并将各个局部加工轨迹连结，以生成外轮廓的磨头研磨加工路径。 (5)利用铺粉辊在粉床表面均匀地铺上一层金属粉末，其厚度为50微米至200微米； (6)根据步骤(3)中生成的实体轮廓填充路径驱动扫描振镜在粉床上扫描，以对粉床上的金属粉末进行激光熔化； (7)将激光熔化后的金属粉末进行自然冷却，以形成CAD模型的实体部分毛坯； (8)根据步骤(3)中生成的外轮廓磨头研磨加工路径驱动磨头主轴运动，以对CAD模型的实体部分毛坯的边缘进行高速研磨精加工； (9)在研磨加工完毕后，将粉床降低一定的高度，并重复上述步骤(5)至(8)，直到加工到CAD模型的最顶层为止，从而得到整个零件。
6.根据权利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，切片后的层厚度为50微米至200微米。
7.根据权利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，步骤(6)中的熔化温度为1000至2000摄氏度。
8.根据权利要求5所述的高速精密加工方法，其特征在于，步骤(9)中粉床降低的高度与步骤(1)中切片后的层厚`度相等，且为50微米至200微米。
【文档编号】B22F3/24GK103521767SQ201310398911
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】史玉升, 张李超, 贾和平, 夏伟 申请人:华中科技大学, 江苏九钰机械有限公司