本發(fā)明涉及增減材復(fù)合加工，具體而言涉及一種復(fù)雜金屬零件的增減材復(fù)合加工成形方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、金屬增材制造(metal?additive?manufacturing)是增材制造(additivemanufacturing,俗稱“3d打印”)的重要分支，通常使用激光、電弧等熱源融化金屬粉末或者焊絲等材料，通過分層制造、逐層疊加的方式制造出實(shí)體零件。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、傳統(tǒng)制造業(yè)、汽車、牙科等領(lǐng)域。

2、相較于傳統(tǒng)精密加工，金屬增材制造具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)產(chǎn)品研發(fā)及實(shí)現(xiàn)周期短，增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件毛坯無需模具支撐，切削余量小，部分零件甚至可以在簡單后處理后即可使用，相較于傳統(tǒng)工藝開發(fā)產(chǎn)品的流程和成本大大縮短。(2)可高效成形更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，3d打印的原理是將復(fù)雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來疊層制造，故可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量；對于增材制造來講，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加基本很少增加成本，而傳統(tǒng)制造方式的成本會隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提高而大大增加。(3)實(shí)現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計(jì)，在保證性能的前提下，增材制造可以簡化零件數(shù)量和連接結(jié)構(gòu)，甚至做到一體化成形，從而減小裝配總成的體積和重量，降低成本的同時還能提升產(chǎn)品的可靠性。

3、大多數(shù)情況下，金屬增材制造的零件還需要后續(xù)減材加工才能滿足使用要求，由于金屬增材制造毛坯的基板會因?yàn)殚L時間的高熱量輸入產(chǎn)生較大的變形，為了降低后續(xù)減材加工基準(zhǔn)找正的難度，金屬增材制造的毛坯時就需要預(yù)留更多的加工余量，浪費(fèi)材料和加工時間。為了解決這個問題，增減材復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

4、這種新工藝將傳統(tǒng)減材加工和增材制造有機(jī)融合到同一臺設(shè)備上，使用增材打印模塊快速地生產(chǎn)毛坯，隨即利用減材模塊快速精密地加工成型，兩種加工過程不需要拆卸基板，都以機(jī)床自身的零點(diǎn)坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，避免了毛坯找正的難題。另外，使用增→減→增→減…這種增減交替的方式可以解決傳統(tǒng)加工中刀具不可達(dá)導(dǎo)致無法加工的難題，所以近年來增減材復(fù)合加工技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。但同時增減材復(fù)合加工過程中遇到的難題也隨之而來，例如，增材打印過程中的熔池需要良好的支撐，這樣才能得到較佳的增材打印質(zhì)量和尺寸精度，但是很多情況下未處理的結(jié)構(gòu)經(jīng)過減材加工后無法為增材打印提供理想的熔池支撐，造成增減交替工藝難以過渡和轉(zhuǎn)接，大大制約了增減材復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于解決增減交替加工過程中減材加工后因無法為下次增材打印提供支撐導(dǎo)致的增材打印質(zhì)量差甚至無法增材打印的技術(shù)問題，提供一種金屬增減材復(fù)合加工的成形方法和系統(tǒng)，通過調(diào)整減材和增材工藝結(jié)合區(qū)域的形狀，并實(shí)時調(diào)平當(dāng)前打印區(qū)域的角度，從而滿足熔池的支撐需求，進(jìn)而完成減材工藝到增材工藝的切換，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜增減材復(fù)合加工工藝。

2、根據(jù)本發(fā)明目的的第一方面，提供一種金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，該方法包括：增材打印成形和減材加工，所述增材打印成形和減材加工交替循環(huán)進(jìn)行，直至得到所需構(gòu)件；

3、其中，在每一道次的增材打印成形和減材加工交替過程中，減材加工完成后，對當(dāng)前工件的減材和增材的結(jié)合區(qū)域進(jìn)行邊緣減材加工，使結(jié)合區(qū)域的邊緣形成倒角面，然后調(diào)整工件的角度，使倒角面與增材打印頭的工作面平行，并在后續(xù)增材打印過程中持續(xù)保持沉積層面與增材打印頭工作面的平行狀態(tài)，為熔池提供支撐。

4、作為可選的實(shí)施方式，倒角面的倒角ɑ的取值為0°＜ɑ＜90°。

5、作為可選的實(shí)施方式，增材打印成形使用的熱源包括激光、電弧、離子束中的一種或者幾種組合。

6、作為可選的實(shí)施方式，增材打印成形使用的填充物包括焊絲、粉末中的一種或者兩種組合。

7、作為可選的實(shí)施方式，增材打印成形采用的工藝包括激光熔融沉積工藝、激光送絲增材制造工藝、電弧增材制造工藝或激光電弧復(fù)合增材制造工藝。

8、根據(jù)本發(fā)明目的的第二方面，提供一種金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，包括：

9、工作平臺，包括底座和位于底座上的旋轉(zhuǎn)臺，以底座的中心為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，所述底座可繞z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)臺可繞x軸的平行線或y軸的平行線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；

10、位于工作平臺上方的工作軸，所述工作軸可沿x軸、y軸和z軸運(yùn)動，并進(jìn)行自轉(zhuǎn)；

11、增材制造系統(tǒng)，包括打印頭，可拆卸地設(shè)置在工作軸上，打印頭的工作端面對旋轉(zhuǎn)臺，用于金屬增材打印成形；

12、減材加工系統(tǒng)，包括銑削主軸和設(shè)置在銑削主軸上減材刀具，所述銑削主軸可拆卸地設(shè)置在工作軸上，減材刀具面對旋轉(zhuǎn)臺，用于對增材打印成形件進(jìn)行減材加工；

13、所述增材制造系統(tǒng)與減材加工系統(tǒng)被設(shè)置成交替循環(huán)進(jìn)行直至完成構(gòu)件加工，在加工過程中的每一次增材打印與減材加工道次中，在減材加工之后、增材打印之前，將工件的減材和增材的結(jié)合區(qū)域的邊緣加工成倒角面，通過調(diào)整減材和增材工藝結(jié)合區(qū)域的形狀，并利用工作平臺的搖籃式擺動調(diào)整，實(shí)時調(diào)平打印區(qū)域的角度，以提供對增材打印的熔池支撐。

14、作為可選的實(shí)施方式，所述旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)有基板，面對打印頭和減材刀具的工作端。

15、作為可選的實(shí)施方式，所述增材制造系統(tǒng)還包括送料系統(tǒng)，用于輸送打印的原料。

16、由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提出的金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，將工件的減材和增材的結(jié)合區(qū)域的邊緣加工成倒角面，通過調(diào)整減材和增材工藝結(jié)合區(qū)域的形狀，并利用搖籃式工作平臺實(shí)時調(diào)平當(dāng)前打印區(qū)域的角度，從而滿足熔池的支撐需求，進(jìn)而完成減材工藝到增材工藝的切換，且可以保證增材打印的質(zhì)量和尺寸精度，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜增減材復(fù)合加工工藝。

17、本發(fā)明的方法對目標(biāo)零件的材質(zhì)和形狀沒有要求，對金屬增材打印工藝沒有要求，加工模型處理簡單便捷，實(shí)用性高、適用性廣泛。

技術(shù)特征：

1.一種金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，其特征在于，該方法包括：增材打印成形和減材加工，所述增材打印成形和減材加工交替循環(huán)進(jìn)行，直至得到所需構(gòu)件；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，其特征在于，倒角面的倒角ɑ的取值為0°＜ɑ＜90°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形使用的熱源包括激光、電弧、離子束中的一種或者幾種組合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形使用的填充物包括焊絲、粉末中的一種或者兩種組合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形采用的工藝包括激光熔融沉積工藝、激光送絲增材制造工藝、電弧增材制造工藝或激光電弧復(fù)合增材制造工藝。

6.一種金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，其特征在于，在每一道次的增材打印成形和減材加工交替過程中，減材加工完成后，對當(dāng)前工件的減材和增材的結(jié)合區(qū)域進(jìn)行邊緣減材加工，使結(jié)合區(qū)域的邊緣形成倒角面；然后，調(diào)整工件的角度，使倒角面與增材打印頭的工作面平行，并在后續(xù)增材打印過程中持續(xù)保持沉積層面與增材打印頭工作面的平行狀態(tài)，為熔池提供支撐。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，其特征在于，所述倒角面的倒角ɑ的取值為0°＜ɑ＜90°。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)臺(22)上設(shè)有基板(23)，面對打印頭(3)和減材刀具(42)的工作端。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬增減材復(fù)合加工的成形系統(tǒng)，其特征在于，所述增材制造系統(tǒng)還包括送料系統(tǒng)，用于輸送打印的原料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種金屬增減材復(fù)合加工的成形方法，該方法包括：增材打印成形和減材加工，所述增材打印成形和減材加工交替循環(huán)進(jìn)行，直至得到所需構(gòu)件；其中，在每一道次的增材打印成形和減材加工交替過程中，減材加工完成后，對當(dāng)前工件的減材和增材的結(jié)合區(qū)域進(jìn)行邊緣減材加工，使結(jié)合區(qū)域的邊緣形成倒角面，然后調(diào)整工件的角度，使倒角面與增材打印頭的工作面平行，并在后續(xù)增材打印過程中持續(xù)保持沉積層面與增材打印頭工作面的平行狀態(tài)，為熔池提供支撐。本發(fā)明的方法可以保證減材后的增材打印工序正常進(jìn)行，并保證增材打印的質(zhì)量和尺寸精度，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜增減材復(fù)合加工工藝。

技術(shù)研發(fā)人員：邢飛,孫中剛,夏振宇,于輝勇,張德開
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/17