一种用于增材成形及减材加工的一体化装置及设计方法与流程

1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种在增材制造过程及后处理减材过程均通用的加工方法。

背景技术：

2.增材制造零件在航空航天领域具有广阔的应用前景，目前，异形曲面结构的增材制造零件在去支撑及光整加工前通常需要与增材制造基板分离，光整加工时还需要加工专门的工装固定零件，未能在减材阶段充分利用增材制造基板，降低了基板的利用率，额外的工装加工提高了成本。现相关专利有:
3.一种多尺度优化增材制造基板的方法及其基板，申请号： cn202011090219.7。该方法提供一种多尺度优化增材制造基板的方法，建立基板和打印件的几何模型；设定增材制造时的工艺参数，确定基板的设计域；设定基板和打印件的材料参数，基于网格映射法，进行热力耦合有限元分析，计算得到打印过程中基板上的温度分布、应力分布和位移分布；将位移分布作为基板的位移边界条件，建立宏观拓扑优化模型，并基于固体对同性材料惩罚模型，得到宏观拓扑结构；进行晶格拓扑优化，基于水平集法，计算得到微观拓扑晶格结构；将微观拓扑晶格结构等间距点阵排列嵌入宏观拓扑结构的一定区域中，得到所需的多尺度优化的基板拓扑结构。
4.东南大学申请的：一种直接快速成形金属增材制造基板的固定装置及其方法，申请号：cn201910476300.x。该方法提供一种直接快速成形金属增材制造基板的固定装置及其方法，装置包括水平放置在直接快速成形金属增材制造打印腔体中用于承载基板的基板夹具以及在基板夹具上夹紧基板的限位基板，所述基板夹具上设有若干组与限位夹板上的通孔位置对应的螺栓外轮廓孔，供螺栓同时穿过固定限位夹板。
5.上述现有技术均局限于增材制造过程，在增材制造零件后处理过程中没有充分利用基板，降低了基板的使用效率，同时在后处理过程中往往需要制作工装固定增材制造件，增加了额外的生产成本，而且，额外工装的使用，使零件的减材加工一致性降低，影响其最终精度。

技术实现要素：

6.针对增材制造零件基板利用率低、减材加工阶段需要额外工装的技术问题，提出了一种用于增材成形及减材加工的一体化装置及设计方法，能高效率利用增材制造异形曲面零件基板，使其在后处理减材阶段作为固定工装，提高了基板利用率，减少了额外的工装，还能确保减材加工的一致性，更好的保证零件的加工精度。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，包括以下步骤；
9.步骤(1)：将大基板划分为若干个用于安装小基板的区域，将小基板安装在大基板上的对应区域中；
10.步骤(2)：将带有小基板的大基板安装在增材制造设备中，采用粉末床熔融的方法在小基板上打印成形，得到异形曲面零件；
11.步骤(3)：取出异形曲面零件，进行热处理后，去除异形曲面零件的支撑后对异形曲面零件的表面进行抛光、打磨处理；
12.步骤(4)：去除与异形曲面零件连接的小基板，从而完成异形曲面零件的加工。
13.优选的，所述步骤(1)中大基板上加工有用于固定小基板的紧固槽和螺钉孔。
14.优选的，所述步骤(1)中的小基板通过螺钉与螺钉孔配合安装在大基板上的对应区域中。
15.优选的，所述小基板的形状和尺寸需根据异形曲面零件的尺寸和结构特征进行确定。
16.优选的，所述步骤(2)中粉末床熔融的方法的具体过程为：将小基板上的粉料选择性熔化成熔覆层并层层叠加直至激光打印完成后，得到异形曲面零件。
17.优选的，所述步骤(3)中在支撑去除过程中采用多次进给的方式。
18.优选的，所述步骤(3)中的抛光过程中利用机器人抛光设备对零件表面进行光整加工时，以小基板用作工装固定零件，大基板安装在机器人工作台上。
19.优选的，所述步骤(3)中的打磨处理过程中，采用先粗糙后精细、多次进给的方式对异形曲面零件的表面进行打磨。
20.优选的，加工时，大基板上的各小基板之间的高度需保持一致。
21.一种用于增材成形及减材加工的一体化装置，包括，
22.大基板和多个小基板，所述大基板上划分有多个区域，所述小基板安装在大基板上的对应区域中，所述小基板与大基板之间可拆卸连接。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明提供一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，通过将大基板划分为若干个用于安装小基板的区域，将小基板安装在大基板上的对应区域中，利用增材制造过程的大基板和小基板代替减材环节的工装，提高了基板利用率，省去了额外工装的加工，提高了加工效率，且该发明方法简单易行，大大提高了增材制造异形曲面零件的加工效率和使用性能。同时，本发明将增材制造的异形曲面零件的基板经过适当的改进，使其在零件后处理阶段可以起到固定工装的作用，提高了基板利用率，减少了额外的工装，还能确保减材加工的一致性，更好的保证零件的加工精度。此外，本发明一种用于增材成形及减材加工的一体化装置，该装置即可作为异形曲面结构增材制造零件的成形基板，又可在其后处理减材阶段作为固定工装，从而克服基板利用率低、后处理过程增加额外工装成本以及额外工装对零件最终精度的影响等不足。
25.进一步，本发明提供的异形曲面零件的制造方法，增材制造零件在整个减材阶段用的同一个工装，且工装与零件一体，确保了减材加工的一致性，保证了几何精度与尺寸精度。
26.进一步，本发明提供的异形曲面零件的制造方法，用机械方式代替人工去除支撑和打磨，减少了人工去除带来的不稳定性，提高了支撑去除的效率和产品质量。
27.进一步，相比传统的人工去除支撑和人工打磨，本发明能够减少粉料对人体的伤害。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明实施例的基板三维图；
30.图2为本发明实施例的可拆卸小基板及增材制造零件三维图；
31.图3为本发明实施例的可拆卸小基板在后处理阶段作工装的三维示意图；
32.图4为本发明所述在可拆卸小基板作工装时增材制造零件在后处理阶段的刀具及加工路径示意图；
33.图中：1、装配小基板位置，2、螺钉孔，3、大基板，4、小基板，5、增材制造件，6、加工平台，7、加工刀具。
具体实施方式
34.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
35.本发明提供的一种增材制造基板作后处理工装的方法及其装置，所述的方法步骤包括：
36.步骤(1)：将增材制造的基板上表面加工一定数量的紧固螺钉孔，根据增材制造零件的结构和尺寸将基板划分为若干个区域，每个区域代表一个可拆卸小基板的位置；
37.步骤(2)：加工每个可拆卸小基板，并在大基板上加工出用于固定小基板的紧固槽和螺钉孔；
38.步骤(3)：将带有小基板的大基板固定在增材制造设备中，使可拆卸小基板上的粉料选择性熔化成熔覆层并层层叠加直至打印完成；
39.步骤(4)：待步骤(3)完成后，取出零件，经热处理后，利用五轴加工机床去除异形曲面零件支撑；
40.步骤(5)：待步骤(4)完成后，利用机器人抛光设备对异形曲面零件的表面进行抛光打磨处理，使其表面粗糙度符合要求；
41.步骤(6)：待步骤(5)完成后，利用线切割设备去除与异形曲面零件连接的小基板，完成零件的加工。
42.进一步地，小基板形状和尺寸的选择需要根据异形曲面零件的尺寸和结构特征进行确定。
43.进一步地，为避免增材成形过程中因小基板高度的差异造成卡刀现象，将小基板安装在大基板后需要将其置于加工机床上加工确保所有小基板高度一致。
44.进一步地，采用粉末床熔融的方法在小基板上成形零件。
45.进一步地，零件成形后，将带有零件和小基板的大基板卸下，清除零件表面和内部的粉料。
46.进一步地，不拆卸大基板和小基板，将大基板、小基板、零件同时进行热处理。
47.进一步地，五轴加工去除异形曲面零件支撑时，用零件自身连接的小基板作工装，
基板安装在机床工作台上。
48.进一步地，五轴加工去除异形曲面零件支撑时，通过零件未设计支撑的表面作为基准，或者加工一个基准面。
49.进一步地，采用机械加工的方式，去除异形曲面上的支撑。在支撑去除过程中采用多次进给的方式，防止异形曲面变形，保证零件的几何精度和尺寸精度。
50.进一步地，利用机器人抛光设备对零件表面进行光整加工时，以小基板用作工装固定零件，基板安装在机器人工作台上。
51.进一步地，零件表面光整采用砂带对粗糙度要求高的表面进行打磨。采用先粗后精、多次进给的方式保证零件表面的精度要求。
52.本发明一种可用于异形曲面结构增材制造零件成形及后处理全流程的装置，该装置即可作为异形曲面结构增材制造零件的成形基板，又可在其后处理减材阶段作为固定工装，从而克服基板利用率低、后处理过程增加额外工装成本以及额外工装对零件最终精度的影响等不足。
53.该装置包括大基板3和多个小基板4，所述大基板3上划分有多个区域，区域为区域所述小基板安装在大基板上的对应区域中，所述小基板与大基板之间可拆卸连接。
54.实施例1，
55.第一步、针对增材制造零件尺寸及结构将整体基板网格化；网格对应的区域为装配小基板位置1，如图1所示；
56.第二步、利用机械加工在整体基板的每个网格处加工出小基板的紧固槽和螺钉孔2,如图1所示，同时加工出与每个网格配合使用的小基板4，如图2所示。
57.第三步、对零件三维模型进行打印优化，并规划其增材路径和相应的扫描参数，对于本实施例使用材料为镍基高温合金来说，激光功率设置为270w
–
320 w，扫描速度900mm/s
–
1100mm/s，铺粉层厚40μm，在成形缸上铺展一层粉末，打开高能束，根据打印程序在可拆卸小基板上选择性熔化粉床上粉末为熔覆层，层层叠加直至打印完成；
58.第四步、将每个小基板4从大基板3上拆卸下来，以小基板4为工装，将零件固定在五轴机床的加工平台5上，如图3所示，编制并优化加工程序，去除异形曲面零件的支撑；
59.第五步、将去除支撑的异形曲面零件的小基板固定在机器人抛光设备上，规划异形曲面的抛光轨迹，如图3和图4所示，建立并优化机器人抛光去除模型，对异形曲面零件表面进行光整加工处理，不断完善抛光程序，使其表面粗糙度满足要求。
60.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤(1)：将大基板划分为若干个用于安装小基板的区域，将小基板安装在大基板上的对应区域中；步骤(2)：将带有小基板的大基板安装在增材制造设备中，采用粉末床熔融的方法在小基板上打印成形，得到异形曲面零件；步骤(3)：取出异形曲面零件，进行热处理后，去除异形曲面零件的支撑后对异形曲面零件的表面进行抛光、打磨处理；步骤(4)：去除与异形曲面零件连接的小基板，从而完成异形曲面零件的加工。2.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中大基板上加工有用于固定小基板的紧固槽和螺钉孔。3.根据权利要求2所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中的小基板通过螺钉与螺钉孔配合安装在大基板上的对应区域中。4.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述小基板的形状和尺寸需根据异形曲面零件的尺寸和结构特征进行确定。5.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中粉末床熔融的方法的具体过程为：将小基板上的粉料选择性熔化成熔覆层并层层叠加直至激光打印完成后，得到异形曲面零件。6.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中在支撑去除过程中采用多次进给的方式。7.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中的抛光过程中利用机器人抛光设备对零件表面进行光整加工时，以小基板用作工装固定零件，大基板安装在机器人工作台上。8.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中的打磨处理过程中，采用先粗糙后精细、多次进给的方式对异形曲面零件的表面进行打磨。9.根据权利要求1所述的一种用于增材成形及减材加工的一体化装置的设计方法，其特征在于，加工时，大基板上的各小基板之间的高度需保持一致。10.一种用于增材成形及减材加工的一体化装置，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的加工方法，包括，大基板和多个小基板，所述大基板上划分有多个区域，所述小基板安装在大基板上的对应区域中，所述小基板与大基板之间可拆卸连接。

技术总结

本发明公开了一种用于增材成形及减材加工的一体化装置及设计方法，包括将大基板划分为若干个用于安装小基板的区域，将小基板安装在大基板上的对应区域中；将带有小基板的大基板安装在增材制造设备中，采用粉末床熔融的方法在小基板上打印成形，得到异形曲面零件；取出异形曲面零件，进行热处理后，去除异形曲面零件的支撑后进行抛光、打磨处理；去除与异形曲面零件连接的小基板，从而完成异形曲面零件的加工。通过将大基板划分为若干个用于安装小基板的区域，将小基板安装在大基板上的对应区域中，利用增材制造过程的大基板和小基板代替减材环节的工装，提高了基板利用率，省去了额外工装的加工，提高了加工效率。提高了加工效率。提高了加工效率。