小尺寸复杂零件SLM与CNC混合加工工艺研究
发布时间：2021-01-17 20:03
选区激光熔化技术（SLM）与数控加工（CNC）混合加工融合了金属增材制造与减材制造的优势,是制造小尺寸复杂零件的一种有效手段。SLM机床能直接成形一些复杂结构的小尺寸零件,CNC机床能机加工出表面质量高,精度高的零件,两者形成一定的优势互补。但是小尺寸复杂零件的夹具制造困难,夹持定位面尺寸较小,且自由曲面较多,装夹难以实现。本文提出了在不去除SLM基板与支撑的前提下,利用支撑连接基板与SLM成形件的强度定位紧固SLM成形件,直接在CNC上定位加工,以保持机床、刀具、零件的相对位置。本文通过SLM与CNC混合加工预实验研究,分析了SLM与CNC混合加工中出现的问题,主要研究内容如下:（1）微小零件在SLM成形过程中,刮刀铺粉会产生刮力,使个别SLM成形件的位置发生偏移与扭转。本文搭建了一套视觉检测系统装置,利用机器视觉检测SLM成形件,能够检测出不符合要求的偏转零件,以确保SLM成形件的位置精度能满足机加工要求。（2）针对SLM工作坐标系转换为CNC机加工工作坐标系的问题,在SLM中设计了定位工件块,通过试切法矫正了SLM成形件的机加工工作坐标系。检测所得的数据表明X/Y轴机加工工作坐标...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
D打印原理图
浙江工业大学硕士学位论文（专业型）2区域由于刀具干涉的原因难以加工；另一方面，由于刀具干涉，限制了零件的结构设计，无法实现零件的最佳性能[5]。对于一些有薄壁区域或者弯曲曲面的小尺寸个性化的零件，传统的数控加工会因为刀具干涉而无法加工，而采用粉末冶金或熔模铸造制造此类零件，会存在脱模困难、局部区域无法制造等问题。如图1-2所示。图1-2难加工零部件[5]Figure1-2.Hardtomanufactureparts最近几年增减材混合加工方法逐渐成为热点研究技术。通过增减材混合加工技术制造出的小尺寸个性化的零件，能得到较高表面质量和精度。3D打印技术出现于上世纪80年代，但是由于可用于3D打印的材料种类较少，其发展较为缓慢。到了90年代，可以使用塑料、金属、纸浆、陶瓷和蜡等材料进行3D打印，二十一世纪初，3D打印技术扩展到医药、牙医和珠宝制造等专业，同时，一些新的塑料打印材料也被研发出来。其中金属3D打印技术作为3D打印技术体系中最为前沿和最具潜力的技术，对于金属结构件具有革命性影响。国外对于金属3D打印技术的研究起源于20世纪90年代，如德国Fraunhofer研究所研发了选区激光熔化技术（SLM）[6]。我国对金属3D打印也做了相关的研究，北京航空航天大学王华明团队利用激光3D打印技术制造出飞机钛合金大型主要承载力的部件[7]。朱伟军等提出基于3D打印技术的实用化飞机风洞模型的设计与制造方法[8]。西北工业大学黄卫东团队利用激光立体成形金属生产了国产大飞机C919的中央翼缘条，经过检测该部件满足使用要求[9]。现有减材制造技术主要为铣削加工，其研究已经非常多了，也是现如今主流的机械加工方法。目前增减材混合加工技术的研究大多集中于如何在同一技工平台上有效融合增材和减材技术，且技术已经比较成
小尺寸复杂零件SLM与CNC混合加工工艺研究9产生变形。专有夹具难以制造，对于尺寸较小且个性化程度较高的零件，在对其去除支撑后进行CNC加工会发现由于其个性化程度高、尺寸小，专有夹具难以制造，且成本较高，不利于节约成本。如图1-3所示，图中的红色方框中为形状不规则的零件，在孔的位置有配合要求，需要通过CNC加工才能达到使用要求，由于其尺寸孝形状不规则难以制造专有夹具定位紧固。图1-3难以脱模以及难定位零件Figure1-3.Difficulttoremovemoldsandpositionedparts（3）微小零件的切削问题：CNC加工过程中切削力难以控制，一般的CNC加工的对象为尺寸适中或者大尺寸的零件，针对于小尺寸零件机加工参数优化研究较少，尤其是针对于SLM成形的小尺寸零件的机加工参数优化研究也较少。综上所述，现有的SLM与CNC混合加工工艺研究较少，特别是针对小尺寸复杂零件的SLM与CNC混合加工工艺的研究所出现的以上3种问题。1.3选题的意义及目的如图1-4所示，这些零件都是不规则的小尺寸零件，且有些零件有薄壁区域，此类零件都可以通过粉末冶金或者熔模铸造制造，但是其模具制造难度高，且脱模困难，单个零件成本高。相对于粉末冶金或者熔模铸造，通过SLM成形制造技术成形此类零件就可以降低其生产成本，且成形较好，适合小批量生产制造。但是对于局部有紧密配合精度要求的区域，SLM成形件难以达到其精度要求，就需要后续的机加工使其能达到配合精度要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于视觉的金属成形工件尺寸和缺陷检测[J]. 付泽民,王佳炜,张锁怀,乔涛涛. 工具技术. 2019(02)
[2]面向齿廓偏差等精密检测的机器视觉关键技术[J]. 葛动元,姚锡凡,向文江,汪海志,刘敏,温学军. 机械传动. 2019(02)
[3]金属增材制造技术的研究现状[J]. 刘勇,任香会,常云龙,高世一,董春林. 热加工工艺. 2018(19)
[4]基于DMG MORI LASERTEC 65 3D加工中心的不锈钢粉末激光沉积增/减材复合制造[J]. 张军涛,张伟,李宇佳,胡松浩,黄松海,何天运,刘咏. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[5]金属零件3D打印技术研究进展[J]. 赵高升,刘秀军,张志明,张庆印. 化工新型材料. 2018(08)
[6]激光选区熔化增材与机加工复合制造AISI 420不锈钢:表面粗糙度与残余应力演变规律研究[J]. 章媛洁,宋波,赵晓,张李超,魏青松,史玉升. 机械工程学报. 2018(13)
[7]选区激光熔化成形质量研究[J]. 兰芳,梁艳娟,黄斌斌. 装备制造技术. 2018(05)
[8]浅析金属3D打印技术的优势及问题[J]. 邵珠强,胡增荣,郭绍雄,马丽秋,李悦. 南方农机. 2018(07)
[9]增减材复合机床在北一诞生,可实现复杂零部件的加工和修复[J]. 中国机电工业. 2018(01)
[10]高性能金属构件的激光增材制造[J]. 林鑫,黄卫东. 中国科学:信息科学. 2015(09)
硕士论文
[1]基于机器视觉工件尺寸测量方法研究[D]. 谢家欣.长春工业大学 2018
[2]SLM制件的成型与机加工后处理的相关工艺研究[D]. 茅杰辉.浙江工业大学 2018
[3]选区激光熔化成型零件的支撑设计研究[D]. 张焕杰.浙江工业大学 2018
[4]增减材复合制造钛合金铣削特性研究[D]. 李帅.大连理工大学 2018
[5]基于机器视觉的金属手机外壳尺寸测量与表面典型缺陷检测研究[D]. 冯锴.华南理工大学 2018
[6]复杂结构件增减材混合加工方法[D]. 李仲宇.南京航空航天大学 2018
[7]不锈钢和钛合金选区激光熔化成形工艺与性能研究[D]. 王沛.西安理工大学 2017
[8]金属选区激光熔化增材制造工艺数据库及工艺试验研究[D]. 乔树雷.湖南大学 2017
[9]基于SLM的个性化舌侧正畸矫治器设计与制备技术[D]. 郑晓东.浙江工业大学 2017
[10]激光增材制造不锈钢的力学性能和铣削性能研究[D]. 郭鹏.山东大学 2017
本文编号：2983511
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：124 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
D打印原理图
浙江工业大学硕士学位论文（专业型）2区域由于刀具干涉的原因难以加工；另一方面，由于刀具干涉，限制了零件的结构设计，无法实现零件的最佳性能[5]。对于一些有薄壁区域或者弯曲曲面的小尺寸个性化的零件，传统的数控加工会因为刀具干涉而无法加工，而采用粉末冶金或熔模铸造制造此类零件，会存在脱模困难、局部区域无法制造等问题。如图1-2所示。图1-2难加工零部件[5]Figure1-2.Hardtomanufactureparts最近几年增减材混合加工方法逐渐成为热点研究技术。通过增减材混合加工技术制造出的小尺寸个性化的零件，能得到较高表面质量和精度。3D打印技术出现于上世纪80年代，但是由于可用于3D打印的材料种类较少，其发展较为缓慢。到了90年代，可以使用塑料、金属、纸浆、陶瓷和蜡等材料进行3D打印，二十一世纪初，3D打印技术扩展到医药、牙医和珠宝制造等专业，同时，一些新的塑料打印材料也被研发出来。其中金属3D打印技术作为3D打印技术体系中最为前沿和最具潜力的技术，对于金属结构件具有革命性影响。国外对于金属3D打印技术的研究起源于20世纪90年代，如德国Fraunhofer研究所研发了选区激光熔化技术（SLM）[6]。我国对金属3D打印也做了相关的研究，北京航空航天大学王华明团队利用激光3D打印技术制造出飞机钛合金大型主要承载力的部件[7]。朱伟军等提出基于3D打印技术的实用化飞机风洞模型的设计与制造方法[8]。西北工业大学黄卫东团队利用激光立体成形金属生产了国产大飞机C919的中央翼缘条，经过检测该部件满足使用要求[9]。现有减材制造技术主要为铣削加工，其研究已经非常多了，也是现如今主流的机械加工方法。目前增减材混合加工技术的研究大多集中于如何在同一技工平台上有效融合增材和减材技术，且技术已经比较成
小尺寸复杂零件SLM与CNC混合加工工艺研究9产生变形。专有夹具难以制造，对于尺寸较小且个性化程度较高的零件，在对其去除支撑后进行CNC加工会发现由于其个性化程度高、尺寸小，专有夹具难以制造，且成本较高，不利于节约成本。如图1-3所示，图中的红色方框中为形状不规则的零件，在孔的位置有配合要求，需要通过CNC加工才能达到使用要求，由于其尺寸孝形状不规则难以制造专有夹具定位紧固。图1-3难以脱模以及难定位零件Figure1-3.Difficulttoremovemoldsandpositionedparts（3）微小零件的切削问题：CNC加工过程中切削力难以控制，一般的CNC加工的对象为尺寸适中或者大尺寸的零件，针对于小尺寸零件机加工参数优化研究较少，尤其是针对于SLM成形的小尺寸零件的机加工参数优化研究也较少。综上所述，现有的SLM与CNC混合加工工艺研究较少，特别是针对小尺寸复杂零件的SLM与CNC混合加工工艺的研究所出现的以上3种问题。1.3选题的意义及目的如图1-4所示，这些零件都是不规则的小尺寸零件，且有些零件有薄壁区域，此类零件都可以通过粉末冶金或者熔模铸造制造，但是其模具制造难度高，且脱模困难，单个零件成本高。相对于粉末冶金或者熔模铸造，通过SLM成形制造技术成形此类零件就可以降低其生产成本，且成形较好，适合小批量生产制造。但是对于局部有紧密配合精度要求的区域，SLM成形件难以达到其精度要求，就需要后续的机加工使其能达到配合精度要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于视觉的金属成形工件尺寸和缺陷检测[J]. 付泽民,王佳炜,张锁怀,乔涛涛. 工具技术. 2019(02)
[2]面向齿廓偏差等精密检测的机器视觉关键技术[J]. 葛动元,姚锡凡,向文江,汪海志,刘敏,温学军. 机械传动. 2019(02)
[3]金属增材制造技术的研究现状[J]. 刘勇,任香会,常云龙,高世一,董春林. 热加工工艺. 2018(19)
[4]基于DMG MORI LASERTEC 65 3D加工中心的不锈钢粉末激光沉积增/减材复合制造[J]. 张军涛,张伟,李宇佳,胡松浩,黄松海,何天运,刘咏. 粉末冶金材料科学与工程. 2018(04)
[5]金属零件3D打印技术研究进展[J]. 赵高升,刘秀军,张志明,张庆印. 化工新型材料. 2018(08)
[6]激光选区熔化增材与机加工复合制造AISI 420不锈钢:表面粗糙度与残余应力演变规律研究[J]. 章媛洁,宋波,赵晓,张李超,魏青松,史玉升. 机械工程学报. 2018(13)
[7]选区激光熔化成形质量研究[J]. 兰芳,梁艳娟,黄斌斌. 装备制造技术. 2018(05)
[8]浅析金属3D打印技术的优势及问题[J]. 邵珠强,胡增荣,郭绍雄,马丽秋,李悦. 南方农机. 2018(07)
[9]增减材复合机床在北一诞生,可实现复杂零部件的加工和修复[J]. 中国机电工业. 2018(01)
[10]高性能金属构件的激光增材制造[J]. 林鑫,黄卫东. 中国科学:信息科学. 2015(09)
硕士论文
[1]基于机器视觉工件尺寸测量方法研究[D]. 谢家欣.长春工业大学 2018
[2]SLM制件的成型与机加工后处理的相关工艺研究[D]. 茅杰辉.浙江工业大学 2018
[3]选区激光熔化成型零件的支撑设计研究[D]. 张焕杰.浙江工业大学 2018
[4]增减材复合制造钛合金铣削特性研究[D]. 李帅.大连理工大学 2018
[5]基于机器视觉的金属手机外壳尺寸测量与表面典型缺陷检测研究[D]. 冯锴.华南理工大学 2018
[6]复杂结构件增减材混合加工方法[D]. 李仲宇.南京航空航天大学 2018
[7]不锈钢和钛合金选区激光熔化成形工艺与性能研究[D]. 王沛.西安理工大学 2017
[8]金属选区激光熔化增材制造工艺数据库及工艺试验研究[D]. 乔树雷.湖南大学 2017
[9]基于SLM的个性化舌侧正畸矫治器设计与制备技术[D]. 郑晓东.浙江工业大学 2017
[10]激光增材制造不锈钢的力学性能和铣削性能研究[D]. 郭鹏.山东大学 2017
本文编号：2983511
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