[發明專利]一種復雜零件的高速精密加工方法和裝置

有效

• 申請號: 201310398911.X
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN103521767A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 史玉升;張李超;賈和平;夏偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;江蘇九鈺機械有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/24;B22F5/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于金屬零件直接制造技術領域，更具體地，涉及一種復雜零件的高速精密加工方法和裝置。

背景技術

隨著生產和科學技術的發展，許多工業部門，尤其是國防、航天、電子等工業，要求產品向高精度、高速度、大功率、耐高溫、耐高壓、小型化等方向發展，產品零件所使用的材料愈來愈難加工，形狀和結構愈來愈復雜，很多零件內部還具有各種結構特征如內流道等，且要求的精度愈來愈高，表面粗糙度愈來愈小，常用的、傳統的加工方法已不能滿足需要。精密加工是在嚴格控制的環境條件下，使用精密加工機械和精密量具和量儀來實現的。

現有的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產率高、表面質量好、使用范圍廣等特點；精密切削，也稱金剛石刀具切削，用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，比一般切削加工精度要高1～2個等級；珩磨，用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復運動，加工后的表面粗糙度可達Ra0.4～0.1微米，最好可到Ra0.025微米，主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬；精密研磨，通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及磨具相互機械摩擦，使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法；拋光，是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一種微細加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加工等。

然而，對于表面形狀復雜、帶有內流道的復雜機械零件而言，傳統精密加工方法由于機械刀具無法逼近，零件后處理一般無法進行數控自動加工。而人工后處理雖然可以改善表面光潔度，但無法精確控制尺寸精度，也難以處理類似內流道等實體內部結構表面。采用電化學加工方法加工精密模具速度緩慢，且數控編程復雜。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種復雜零件的高速精密自動加工方法和裝置，其目的在于解決現有精密加工方法難以自動加工表面形狀復雜、帶有內流道的復雜機械零件，且無法精確控制尺寸精度和表面粗糙度的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種復雜零件的高速精密加工裝置，包括粉床、鋪粉輥、升降工作缸、激光器、光路聚焦器、掃描振鏡、磨頭、磨頭主軸、多軸聯動系統、以及粉末材料，粉床與加工裝置的機身連接，升降工作缸設置于粉床的下部，且其下端面與粉床的上表面平齊，升降工作缸內裝有粉末材料和成型制件，并可升降，鋪粉輥設置于粉床的上端面，并在粉床的左右來回滾動，用于輸送粉末材料到粉床中，并將粉床中的粉末材料鋪平，激光器固定在加工裝置的機身上，并能在通電后發射出高能激光束，光路聚焦器固定在加工裝置的機身上，并設置于掃描振鏡和激光器之間，用于聚焦激光器的光斑，使光斑能量密度達到能夠熔化粉末材料的要求，掃描振鏡固定在加工裝置的機身上，并可改變激光器的激光束在粉床上聚焦的位置，磨頭安裝在磨頭主軸的頂端，磨頭主軸與多軸聯動系統連接，并可隨多軸聯動系統在6個自由度內運動，以驅動磨頭旋轉，進而對成型制件進行研磨，多軸聯動系統固定在加工裝置的機身上，并驅動磨頭運動。

優選地，粉末材料是由金屬材料制成，并且是加工成型制件的原材料。

優選地，激光器的光斑直徑為100微米至500微米。

優選地，多軸聯動系統用于在激光器工作時，將磨頭和磨頭主軸移動到粉床的邊緣，并保持靜止狀態，在激光器停止工作后，多軸聯動系統用于將磨頭和磨頭主軸移動到成型制件的上方開始研磨工作。

按照本發明的另一方面，提供了一種復雜零件的高速精密加工方法，包括以下步驟：

（1）獲取待加工零件的CAD模型，基于分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層；

（2）根據CAD模型中各個三角形面片的連接關系，查找與分層切片相交的三角形序列，并根據這些三角形序列依次將三角形面片與切片平面的交線首尾連接，以獲得實體的切片輪廓；

（3）采用基于活性邊表法的輪廓填充算法對實體的切片輪廓進行處理，以獲得實體輪廓填充路徑；

（4）根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的磨頭工作的位置參數及局部加工軌跡，并將各個局部加工軌跡連結，以生成外輪廓的磨頭研磨加工路徑。

（5）利用鋪粉輥在粉床表面均勻地鋪上一層金屬粉末，其厚度為50微米至200微米；