本發(fā)明涉及增減材制造領(lǐng)域，具體為一種將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備及加工方法。

背景技術(shù)：

金屬零件的傳統(tǒng)制造工藝主要是通過車削、銑削等機(jī)械減材加工方式對(duì)原材料進(jìn)行去除，最終得到滿足質(zhì)量和精度要求的零件，不僅浪費(fèi)材料而且難以加工出復(fù)雜曲面的零件；增材制造則是將三維實(shí)體離散為若干個(gè)二維平面，通過逐層疊加材料進(jìn)行生產(chǎn)，最終形成三維零件，能夠有效的減少原材料的浪費(fèi)，并且可以加工任意形狀的復(fù)雜零件，缺點(diǎn)是工件的表面質(zhì)量較差，精度也難以達(dá)到要求。采用增減材復(fù)合制造將二者結(jié)合起來，在增材制造一定層數(shù)后引入減材工藝，實(shí)時(shí)對(duì)沉積材料進(jìn)行高精度的減材加工，彌補(bǔ)了純?cè)霾墓ぜ砻尜|(zhì)量差，尺寸精度低的問題，同時(shí)又能成形傳統(tǒng)減材工藝不能制造的復(fù)雜幾何形狀零件。因此是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮募庸し椒ā?/p>

增減材復(fù)合制造工藝中的增材制造過程是利用高能束熔化金屬成形材料，它以高能移動(dòng)熱源沿著規(guī)劃好的路徑逐步進(jìn)行掃描，剛完成增材成形后的材料溫度較高，而出于生產(chǎn)效率的考量，后續(xù)減材加工往往需要在增材成形材料尚有余熱的條件下進(jìn)行加工，這種增材殘余的溫度場(chǎng)在減材過程中會(huì)加劇刀具的磨損。另外由于傳統(tǒng)切削液會(huì)影響增材制造過程，因此在整個(gè)增減材成形過程中不能使用切削液，使得切削產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走，進(jìn)一步提高了刀具切削刃的溫升，這些問題都嚴(yán)重影響后續(xù)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(zhì)量。

超聲切削的優(yōu)點(diǎn)在于：

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(tài)，而是處于有規(guī)律的接觸、分離狀態(tài)，刀具與工件的作用時(shí)間占總切削時(shí)間的三分之一左右，這將使刀具和工件都有更多時(shí)間進(jìn)行散熱，降低了切削溫度。

2)切削力小：超聲切削將連續(xù)切削力變成了脈沖切削力，可以減少切削變形區(qū)的塑性變形和摩擦，從而降低切削力。

3)加工質(zhì)量好：超聲切削中刀具的有規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)取代了刀具和工件無規(guī)

律的自激振動(dòng)，使切削過程更加穩(wěn)定，積削瘤不易產(chǎn)生，加工質(zhì)量好，工件殘與應(yīng)力低。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種新型的將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備及加工方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的是研究設(shè)計(jì)一種新型的將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備及加工方法。用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的諸多問題，有效提高刀具壽命，提高減材后的工件表面質(zhì)量，解決增減材制造技術(shù)中的刀具壽命問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備，其特征在于所述的設(shè)備包括：刀具、刀庫、工作臺(tái)、床身、主軸、激光掃描系統(tǒng)、激光發(fā)生器、供粉裝置、鋪粉裝置、超聲切削裝置和粉末回收裝置；所述的工作臺(tái)裝于床身前部中間位置并水平設(shè)置，工作臺(tái)內(nèi)有成型腔，成型腔可沿豎直方向上下移動(dòng)，成型腔內(nèi)可安裝基板，增減材復(fù)合制造在基板上進(jìn)行；所述的鋪粉裝置安裝在工作臺(tái)上，位于工作臺(tái)的一端；激光發(fā)生器與激光掃描系統(tǒng)固定于床身前部的正上方；供粉裝置位于床身外側(cè)；刀庫位于床身前部一側(cè)，刀庫內(nèi)裝有刀具；所述的主軸裝于床身前部，可沿x、y、z三個(gè)方向的滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)，增材制造時(shí)主軸位于工作臺(tái)一端，減材加工時(shí)主軸移動(dòng)至工作臺(tái)正上方，主軸下部安裝刀具，刀具與主軸之間安裝有超聲切削裝置；所述的粉末回收裝置設(shè)置于工作臺(tái)的下部。

本發(fā)明所述的鋪粉裝置包括：刮板、傳感器和粉槽；粉槽通過導(dǎo)軌裝于工作臺(tái)的上部，并可沿工作臺(tái)橫向移動(dòng)；裝于粉槽側(cè)部的刮板均勻的將粉槽中的金屬粉末均勻的鋪到工作臺(tái)內(nèi)的成型腔上；設(shè)置于粉槽內(nèi)的傳感器對(duì)粉槽內(nèi)的粉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)粉料少于一定值時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，供粉裝置對(duì)粉槽供粉；工件制造完成后，從粉末回收裝置中回收粉末。

本發(fā)明所述的超聲切削裝置包括：超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿；超聲發(fā)生器安裝在主軸上，減材加工過程中超聲換能器與變幅桿和刀具裝于一體一同裝在主軸的下部；減材加工時(shí)由刀庫中選取刀具裝于減材機(jī)構(gòu)上，超聲切削裝置位于減材機(jī)構(gòu)與刀具之間，根據(jù)工藝要求將一定的頻率和振動(dòng)形式施加在刀具上，超聲振動(dòng)的頻率可以根據(jù)加工工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明所述的將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備的加工方法為：

(1)增材過程：

a、鋪粉：由粉槽沿導(dǎo)軌油工作臺(tái)的一端向另一端移動(dòng)鋪粉，金屬粉末經(jīng)刮板均勻的鋪在工作臺(tái)和成型腔上；

b、增材制造：利用各種高能束，與cad/cam技術(shù)相結(jié)合，按照規(guī)劃的路徑，逐層沉積材料——激光發(fā)生器發(fā)射的激光通過激光掃描系統(tǒng)控制，使其按照規(guī)劃的掃描軌跡在基板上進(jìn)行掃描，熔化金屬粉末；

c、持續(xù)增材：完成一次上述b步驟的打印后，控制系統(tǒng)控制成型腔下降一個(gè)圖層厚度，再次重復(fù)上述步驟a對(duì)成型腔進(jìn)行鋪粉；

(2)、減材制造：在持續(xù)進(jìn)行了若干層的增材制造后，根據(jù)工藝要求，利用超聲切削的方式對(duì)已沉積層進(jìn)行必要的減材加工，提高工件的尺寸精度和表面質(zhì)量；

(3)、在減材完成后，再次進(jìn)行增材過程，增材、減材循環(huán)進(jìn)行完成整個(gè)加工過程。

本發(fā)明所述的增材制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(shù)為單層或多層。

本發(fā)明所述的高能束包括：激光束、電子束、電弧或離子束。

本發(fā)明所述的超聲切削的形式可以是一維振動(dòng)、二維(橢圓)振動(dòng)或三維振動(dòng)；超聲振動(dòng)頻率可以根據(jù)切削參數(shù)、工件材料和零件實(shí)時(shí)溫度等進(jìn)行調(diào)整。

本發(fā)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(fā)明所述的超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

本發(fā)明所述的刀具為硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，主要表現(xiàn)在：

1、本發(fā)明將超聲輔助切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造過程中可顯著提高增減材復(fù)合制造中刀具的使用壽命,解決增減材復(fù)合制造技術(shù)中的刀具壽命問題。

2、本發(fā)明可使加工過程更加穩(wěn)定，進(jìn)而顯著提高工件的加工精度和質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜曲面零件的加工。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、加工簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性高、刀具使用壽命高，工件加工精度高、適用于各種高難度工件加工等優(yōu)點(diǎn)，其大批量投入市場(chǎng)必將產(chǎn)生積極的社會(huì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

本發(fā)明共有3幅附圖,其中：

附圖1為本發(fā)明增材制造狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明減材加工狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明超聲切削裝置裝配示意圖。

在圖中：1、刀具2、刀庫3、工作臺(tái)4、成型腔5、超聲切削裝置6、工作臺(tái)7、激光掃描系統(tǒng)8、激光發(fā)生器9、供粉裝置10、刮板11、傳感器12、粉槽13、工件14、粉末回收裝置15、超聲發(fā)生器16、超聲換能器17、變幅桿。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施例如附圖所示，將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備包括：刀具1、刀庫2、工作臺(tái)3、床身、主軸6、激光掃描系統(tǒng)7、激光發(fā)生器8、供粉裝置9、鋪粉裝置、超聲切削裝置5和粉末回收裝置14；所述的工作臺(tái)3裝于床身前部中間位置并水平設(shè)置，工作臺(tái)3內(nèi)有成型腔4，成型腔4可沿豎直方向上下移動(dòng)，成型腔4內(nèi)可安裝基板，增減材復(fù)合制造在基板上進(jìn)行；所述的鋪粉裝置安裝在工作臺(tái)3上，位于工作臺(tái)3的一端；激光發(fā)生器8與激光掃描系統(tǒng)7固定于床身前部的正上方；供粉裝置9位于床身外側(cè)；刀庫2位于床身前部一側(cè)，刀庫2內(nèi)裝有刀具1；所述的主軸6裝于床身前部，可沿x、y、z三個(gè)方向的滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)，增材制造時(shí)主軸6位于工作臺(tái)3一端，減材加工時(shí)主軸6移動(dòng)至工作臺(tái)6正上方，主軸6下部安裝刀具1，刀具1與主軸6之間安裝有超聲切削裝置5；所述的粉末回收裝置14設(shè)置于工作臺(tái)3的下部。

鋪粉裝置包括：刮板10、傳感器11和粉槽12；粉槽12通過導(dǎo)軌裝于工作臺(tái)3的上部，并可沿工作臺(tái)3橫向移動(dòng)；裝于粉槽12側(cè)部的刮板10均勻的將粉槽12中的金屬粉末均勻的鋪到工作臺(tái)3內(nèi)的成型腔4上；設(shè)置于粉槽12內(nèi)的傳感器11對(duì)粉槽12內(nèi)的粉量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)粉料少于一定值時(shí)，傳感器11發(fā)出信號(hào)，供粉裝置9對(duì)粉槽12供粉；工件制造完成后，從粉末回收裝置14中回收粉末。

超聲切削裝置5包括：超聲發(fā)生器15、超聲換能器16、變幅桿17；超聲發(fā)生器15安裝在主軸6上，減材加工過程中超聲換能器16與變幅桿17和刀具1裝于一體一同裝在主軸6的下部；減材加工時(shí)由刀庫2中選取刀具1裝于減材機(jī)構(gòu)上，超聲切削裝置5位于減材機(jī)構(gòu)與刀具1之間，根據(jù)工藝要求將一定的頻率和振動(dòng)形式施加在刀具1上，超聲振動(dòng)的頻率可以根據(jù)加工工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

將超聲切削應(yīng)用于鋪粉式增減材復(fù)合制造中的設(shè)備的加工方法為：

1增材過程：

a、鋪粉：由粉槽12沿導(dǎo)軌油工作臺(tái)3的一端向另一端移動(dòng)鋪粉，金屬粉末經(jīng)刮板10均勻的鋪在工作臺(tái)3和成型腔4上；

b、增材制造：利用各種高能束，與cad/cam技術(shù)相結(jié)合，按照規(guī)劃的路徑，逐層沉積材料——激光發(fā)生器8發(fā)射的激光通過激光掃描系統(tǒng)7控制，使其按照規(guī)劃的掃描軌跡在基板上進(jìn)行掃描，熔化金屬粉末；

c、持續(xù)增材：完成一次上述b步驟的打印后，控制系統(tǒng)控制成型腔4下降一個(gè)圖層厚度，再次重復(fù)上述步驟a對(duì)成型腔4進(jìn)行鋪粉；

2、減材制造：在持續(xù)進(jìn)行了若干層的增材制造后，根據(jù)工藝要求，利用超聲切削的方式對(duì)已沉積層進(jìn)行必要的減材加工，提高工件13的尺寸精度和表面質(zhì)量；

3、在減材完成后，再次進(jìn)行增材過程，增材、減材循環(huán)進(jìn)行完成整個(gè)加工過程。

增材制造材料為金屬或陶瓷，材料形狀為粉?；蚪z狀；增材過程為送粉式；增材層數(shù)為單層或多層。

高能束包括：激光束、電子束、電弧或離子束。

超聲切削的形式可以是一維振動(dòng)、二維橢圓振動(dòng)或三維振動(dòng)；超聲振動(dòng)頻率可以根據(jù)切削參數(shù)、工件材料和零件實(shí)時(shí)溫度等進(jìn)行調(diào)整。

超聲切削可以施加在刀具1上也可以施加在工件13上。

超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

刀具1為硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所有熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其本發(fā)明的構(gòu)思加以等同替換或改變均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。