[發明專利]將超聲切削應用于送粉式增減材復合制造中的設備及加工方法

在審

• 申請號: 201710347910.0
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN107127583A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 白倩;張璧;楊秀軒
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23P23/04
• 分類號: B23P23/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 高永德,李洪福

技術領域

本發明涉及增減材制造領域，具體為一種將超聲切削應用于送粉式增減材復合制造中的設備及加工方法。

背景技術

金屬零件的傳統制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復雜曲面的零件；增材制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，并且可以加工任意形狀的復雜零件，缺點是工件的表面質量較差，精度也難以達到要求。采用增減材復合制造將二者結合起來，在增材制造一定層數后引入減材工藝，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制造的復雜幾何形狀零件。因此是一種發展潛力巨大的加工方法。

增減材復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，它以高能移動熱源沿著規劃好的路徑逐步進行掃描，剛完成增材成形后的材料溫度較高，而出于生產效率的考量，后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。另外由于傳統切削液會影響增材制造過程，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后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，而是處于有規律的接觸、分離狀態，刀具與工件的作用時間占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沖切削力，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于送粉式增減材復合制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。

發明內容

鑒于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于送粉式增減材復合制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，提高減材后的工件表面質量，解決一般增減材制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于送粉式增減材復合制造中的設備，其特征在于所述的設備包括：刀具、刀庫、主軸、床身、激光發生器、送粉裝置、噴嘴托架、基板、工作臺、熔覆噴頭和超聲切削裝置；所述的主軸裝于床身上部，增材制造時，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臺；工作臺上安裝有基板，在基板上進行增減材復合制造；噴嘴托架裝于床身上，位于主軸工作臺的一側，噴嘴托架用于放置熔覆噴頭，熔覆噴頭與外部的激光發生器和送粉裝置相連接；工作臺的另一側裝有刀庫，刀具裝于刀庫內。

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、超聲換能器和變幅桿；超聲發生器裝于主軸上；超聲換能器與變幅桿和刀具裝于一體，減材加工時，一同裝于主軸的下部。

本發明所述將超聲切削應用于送粉式增減材復合制造中的設備的加工方法為：

A、增材制造：主軸由噴嘴托架上取下熔覆噴頭，利用高能束與CAD/CAM技術相結合，在熔覆噴頭處將粉料熔化，并在基板上按照設定的掃描路徑進行一定層數的增材制造工件，增材一定層數后，通過控制系統控制噴嘴托架將熔覆噴頭卸下；

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采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：循環重復上述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；增材層數為單層或多層。

本發明所述的高能束包括：激光束、電子束、電弧或離子束。