一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法
【專利摘要】一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法，由零件結(jié)構(gòu)幾何特征分析與加工工藝分解、加工軌跡規(guī)劃與仿真和粉末激光燒結(jié)的增材制造與數(shù)控切削加工混合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工一體化制造三個步驟組成。本發(fā)明結(jié)合數(shù)字化制造、數(shù)控切削加工及先進增材制造技術(shù)，通過零件幾何特征分析確定結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與制造方式，制定分解加工工藝，利用數(shù)字化制造技術(shù)實現(xiàn)去除與增材制造的加工軌跡規(guī)劃與仿真，采用先進粉末激光燒結(jié)的增材制造與數(shù)控切削加工混合的一體化加工實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，這是一種高效、高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工制造的新方法。
【專利說明】一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用增材制造與數(shù)控切削去除混合的加工技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效加工方法，尤其涉及了一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與數(shù)控切削混合的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，制造技術(shù)發(fā)展前沿呈現(xiàn)了一個明顯趨勢，即追求短流程、低消耗、高柔性、環(huán)境友好、成形與組織性能控制一體化的先進制造技術(shù)。這種趨勢反映的是需求的極限化要求，即同時滿足多方面高端需求。這種極限化的需求在很多領(lǐng)域反映出來，尤以航空航天領(lǐng)域為典型，航空航天領(lǐng)域加工制造技術(shù)前沿需求是兼顧高精度、高性能、高柔性與快速反應(yīng)，成形結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零部件。盡管各種傳統(tǒng)加工技術(shù)都盡力發(fā)揮近于極限，但由于其各自技術(shù)原理所帶來的本質(zhì)性限制，難以滿足極限化需求，成為制約航空航天整體制造技術(shù)發(fā)展瓶頸。面對航空航天制造領(lǐng)域多尺度、高精度、多品種、小批量的生產(chǎn)特點，提高零件質(zhì)量、降低成本及快速反應(yīng)是航空航天制造企業(yè)應(yīng)對市場競爭和行業(yè)發(fā)展的重要手段，而提升裝備先進制造能力方面將發(fā)揮著重要角色。隨著航空航天領(lǐng)域的新型材料、高精加工、復(fù)雜裝配的需求也對先進制造技術(shù)水平與制造理念提出了新的要求，需要對先進制造技術(shù)進行不斷發(fā)展與整合，探索與突破應(yīng)用中面臨的各項關(guān)鍵技術(shù)，從而實現(xiàn)航空航天制造領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新
盡管目前先進增材制造技術(shù)能夠滿足航空航天零件及裝備研制的低成本、短周期需求，增材制造技術(shù)對零件結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，可以制造超大、超厚及復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)，但增材制造技術(shù)的加工效率還無法與去除加工相媲美，也造成零件制造的成本增高?；诹慵Y(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法將增材制造與去除加工進行有機結(jié)合，充分發(fā)揮增材制造與去除加工的優(yōu)勢，取長補短，是解決航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造的重要技術(shù)手段，特別是對解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高的航空航天發(fā)動機結(jié)構(gòu)零部件制造難題提供了新方法，符合航空航天領(lǐng)域先進制造技術(shù)發(fā)展的迫切需求。在航空航天技術(shù)的時代背景下，航空航天制造領(lǐng)域創(chuàng)新性技術(shù)發(fā)展對航空航天制造企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級、裝備先進制造能力提升具有十分重要的意義和價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法，結(jié)合數(shù)字化制造、數(shù)控切削加工及先進增材制造技術(shù)，通過零件幾何特征分析確定結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與制造方式，制定分解加工工藝，利用數(shù)字化制造技術(shù)實現(xiàn)去除與增材制造的加工軌跡規(guī)劃與仿真，采用先進粉末激光燒結(jié)的增材制造與數(shù)控切削加工混合的一體化加工實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，這是一種高效、高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工制造的新方法。[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法，由零件結(jié)構(gòu)幾何特征分析與加工工藝分解、加工軌跡規(guī)劃與仿真和粉末激光燒結(jié)的增材制造與數(shù)控切削加工混合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工一體化制造三個步驟組成，具體步驟如下:
首先，通過Solidworks或Pro/E數(shù)字化三維造型軟件對復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維幾何模型進行幾何特征分析與結(jié)構(gòu)分解，并以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基于零件幾何特征的制造復(fù)雜度分析模型，并依據(jù)該模型確定零件加工工藝順序與制造方式。
[0005]其次，依據(jù)制定的零件加工工藝順序與制造方式，采用Solidworks或Pro/E軟件的CAM輔助制造仿真模塊分析數(shù)控切削單元的刀具運動軌跡路徑與增材制造的粉末供給與激光燒結(jié)同軸單元的運動軌跡路徑，進行數(shù)控切削與增材制造的加工軌跡規(guī)劃與干涉檢查仿真分析。
[0006]最后，經(jīng)過加工軌跡規(guī)劃與干涉檢查仿真分析后，由CAM輔助制造仿真單元直接生成數(shù)控切削與增材制造的軌跡運動數(shù)控代碼，并由增材制造與去除加工協(xié)調(diào)統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)控制數(shù)控切削單元完成零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分的加工，待數(shù)控切削加工完成后，控制增材制造單元完成零件幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的制造。
[0007]本發(fā)明中，采用零件幾何特征分析與制造工藝分解，零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分由去除加工完成，并保留足夠的增材制造余量，幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)主要由點、直線、圓弧等幾何特征構(gòu)造。
[0008]本發(fā)明中，采用增材制造方法任意實現(xiàn)零件的幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的制造，并準確控制增材制造的加工尺寸與精度。
[0009]本發(fā)明中，采用統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)控制數(shù)控切削單元與增材制造單元，保證去除加工與增材制造工藝的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性。
[0010]本發(fā)明中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件幾何特征分解，零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分由數(shù)控切削單元完成。
[0011 ] 本發(fā)明中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件幾何特征分解，零件幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分由增材制造單兀完成。
[0012]本發(fā)明中，數(shù)控切削單元與增材制造單元采用統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，且保證去除加工與增材制造工藝的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性。
[0013]本發(fā)明中，采用的增材制造單元可實現(xiàn)粉末供給與激光燒結(jié)保持同軸，激光聚焦在粉末供給的末端。
[0014]本發(fā)明利用零件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型的幾何特征分析與制造工藝分解，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效加工，基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的加工方法將零件結(jié)構(gòu)拆解為幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分與復(fù)雜部分，綜合去除加工與增材制造技術(shù)進行零件制造的混合加工方法，它結(jié)合了去除加工制造與增材制造技術(shù)的長處，同時兼顧了加工效率與加工質(zhì)量的需求，降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工成本和拓寬了增材制造技術(shù)的實際應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】[0015]圖1為零件的去除加工與增材制造混合的加工示意圖；
圖2為基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分析的加工工藝分解示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0017]【具體實施方式】一:如圖1所示，基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的去除加工與增材制造混合的加工方法是利用計算機數(shù)字化軟件對零件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維幾何模型I進行幾何特征分析與結(jié)構(gòu)分解，將零件結(jié)構(gòu)拆分為幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，并以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基于零件幾何特征的制造復(fù)雜度分析模型，并依據(jù)該模型確定零件加工工藝順序與制造方式。圖中的CAM輔助制造仿真單元2將按照已分解的加工工藝與制造方式分析數(shù)控切削單元15的刀具6運動軌跡路徑與增材制造單元14的粉末供給與激光燒結(jié)同軸單元11的運動軌跡路徑，完成數(shù)控切削與增材制造的加工軌跡規(guī)劃與干涉檢查仿真分析。CAM輔助制造仿真單元2生成數(shù)控切削與增材制造工藝的數(shù)控代碼，由統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)3控制數(shù)控切削單元15完成零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分的加工，完成數(shù)控切削加工后，控制增材制造單元14完成零件幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的制造。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式的具體實施包括三個部分:零件結(jié)構(gòu)幾何特征分析與加工工藝分解、加工軌跡規(guī)劃與仿真和粉末激光燒結(jié)的增材制造與數(shù)控切削加工混合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件一體化加工。
[0019]—、零件結(jié)構(gòu)幾何特征分析與加工工藝分解
步驟1:利用數(shù)字化軟件對復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維幾何模型I進行幾何特征分析，將零件拆分為幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分與復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分，幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)主要由點、直線、圓弧等幾何特征構(gòu)造(如圖2所示)；
步驟2:以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基于零件幾何結(jié)構(gòu)特征的制造復(fù)雜度分析模型；
步驟3:依據(jù)零件制造復(fù)雜度分析模型，最終確定零件的幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工工藝。
[0020]二、加工軌跡規(guī)劃與仿真
步驟1:利用CAM輔助制造仿真單元2將按照已分解零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)的加工工藝過程分析數(shù)控切削單元15的刀具6運動軌跡路徑，實現(xiàn)數(shù)控切削加工軌跡仿真；步驟2:在零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)加工仿真基礎(chǔ)上，利用CAM輔助制造仿真單元2按照零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工工藝過程分析增材制造單元14的粉末供給與激光燒結(jié)同軸單元11的運動軌跡路徑，實現(xiàn)增材制造過程的加工軌跡仿真；
步驟3:以滿足工效率和加工質(zhì)量為準則，利用CAM輔助制造仿真單元2對去除加工與與增材制造工藝的最佳加工軌跡進行規(guī)劃與干涉檢查分析。
[0021]三、數(shù)控切削加工與粉末激光燒結(jié)的增材制造混合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件一體化加工 步驟1:去除加工與增材制造工藝軌跡規(guī)劃后，由CAM輔助制造仿真單元2生成去除加工與增材制造工藝的數(shù)控代碼，包括去除加工工藝數(shù)控代碼與增材制造工藝數(shù)控代碼，并將工藝數(shù)控代碼下傳到統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)3中；
步驟2:統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)3控制數(shù)控切削單元15的換刀、切削參數(shù)、刀具軌跡及加工條件等，完成零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分的加工；
步驟3:完成零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分的加工后，統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)3控制增材制造單元14的粉末供給參數(shù)、激光燒結(jié)參數(shù)與運動軌跡，完成零件幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的增材制造。
【權(quán)利要求】
1.一種基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法，其特征在于所述方法步驟如下: 首先，對復(fù)雜零件結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維幾何模型進行幾何特征分析與結(jié)構(gòu)分解，并以加工效率、加工精度與幾何尺寸特性為約束條件，建立基于零件幾何特征的制造復(fù)雜度分析模型，并依據(jù)該模型確定零件加工工藝順序與制造方式； 其次，依據(jù)制定的零件加工工藝順序與制造方式，采用CAM輔助制造仿真單元分析數(shù)控切削單元的刀具運動軌跡路徑與增材制造的粉末供給與激光燒結(jié)同軸單元的運動軌跡路徑，進行數(shù)控切削與增材制造的加工軌跡規(guī)劃與干涉檢查仿真分析； 最后，經(jīng)過加工軌跡規(guī)劃與干涉檢查仿真分析后，由CAM輔助制造仿真單元直接生成數(shù)控切削與增材制造的軌跡運動數(shù)控代碼，并由增材制造與去除加工協(xié)調(diào)統(tǒng)一數(shù)控系統(tǒng)控制數(shù)控切削單元完成零件幾何特征簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)部分的加工，待數(shù)控切削加工完成后，控制增材制造單元完成零件幾何特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分的制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于零件結(jié)構(gòu)幾何特征分解的增材制造與去除加工混合的高效加工方法，其特征在于所述增材制造單元的粉末供給與激光燒結(jié)保持同軸，且激光聚焦在粉末供給的末端。
【文檔編號】G06F17/50GK103886166SQ201410162153
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】王揚, 劉俊巖, 楊立軍, 張宏志, 王懋露 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)