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鋪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原材料進行去除，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余熱的條件下進行加工，這種增材殘余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鋪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。

技術實現要素：

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鋪粉式增減材復合制造中的設備及加工方法。用以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：

本發明所述的將超聲切削應用于鋪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、工作臺、床身、主軸、激光掃描系統、激光發生器、供粉裝置、鋪粉裝置、超聲切削裝置和粉末回收裝置；所述的工作臺裝于床身前部中間位置并水平設置，工作臺內有成型腔，成型腔可沿豎直方向上下移動，成型腔內可安裝基板，增減材復合制造在基板上進行；所述的鋪粉裝置安裝在工作臺上，位于工作臺的一端；激光發生器與激光掃描系統固定于床身前部的正上方；供粉裝置位于床身外側；刀庫位于床身前部一側，刀庫內裝有刀具；所述的主軸裝于床身前部，可沿x、y、z三個方向的滑動導軌滑動，增材制造時主軸位于工作臺一端，減材加工時主軸移動至工作臺正上方，主軸下部安裝刀具，刀具與主軸之間安裝有超聲切削裝置；所述的粉末回收裝置設置于工作臺的下部。

本發明所述的鋪粉裝置包括：刮板、傳感器和粉槽；粉槽通過導軌裝于工作臺的上部，并可沿工作臺橫向移動；裝于粉槽側部的刮板均勻的將粉槽中的金屬粉末均勻的鋪到工作臺內的成型腔上；設置于粉槽內的傳感器對粉槽內的粉量進行監測，當粉料少于一定值時，傳感器發出信號，供粉裝置對粉槽供粉；工件制造完成后，從粉末回收裝置中回收粉末。

本發明所述的超聲切削裝置包括：超聲發生器、超聲換能器、變幅桿；超聲發生器安裝在主軸上，減材加工過程中超聲換能器與變幅桿和刀具裝于一體一同裝在主軸的下部；減材加工時由刀庫中選取刀具裝于減材機構上，超聲切削裝置位于減材機構與刀具之間，根據工藝要求將一定的頻率和振動形式施加在刀具上，超聲振動的頻率可以根據加工工藝要求進行調節。

本發明所述的將超聲切削應用于鋪粉式增減材復合制造中的設備的加工方法為：

(1)增材過程：

a、鋪粉：由粉槽沿導軌油工作臺的一端向另一端移動鋪粉，金屬粉末經刮板均勻的鋪在工作臺和成型腔上；

b、增材制造：利用各種高能束，與cad/cam技術相結合，按照規劃的路徑，逐層沉積材料——激光發生器發射的激光通過激光掃描系統控制，使其按照規劃的掃描軌跡在基板上進行掃描，熔化金屬粉末；

c、持續增材：完成一次上述b步驟的打印后，控制系統控制成型腔下降一個圖層厚度，再次重復上述步驟a對成型腔進行鋪粉；

(2)、減材制造：在持續進行了若干層的增材制造后，根據工藝要求，利用超聲切削的方式對已沉積層進行必要的減材加工，提高工件的尺寸精度和表面質量；

(3)、在減材完成后，再次進行增材過程，增材、減材循環進行完成整個加工過程。

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。

本發明所述的超聲切削的形式可以是一維振動、二維(橢圓)振動或三維振動；超聲振動頻率可以根據切削參數、工件材料和零件實時溫度等進行調整。

本發明所述的超聲切削可以施加在刀具上也可以施加在工件上。

本發明所述的超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

本發明所述的刀具為硬質合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

本發明的優點是顯而易見的，主要表現在：

1、本發明將超聲輔助切削應用于鋪粉式增減材復合制造過程中可顯著提高增減材復合制造中刀具的使用壽命,解決增減材復合制造技術中的刀具壽命問題。

2、本發明可使加工過程更加穩定，進而顯著提高工件的加工精度和質量，能夠實現各種復雜曲面零件的加工。

本發明具有結構新穎、加工簡便、穩定性高、刀具使用壽命高，工件加工精度高、適用于各種高難度工件加工等優點，其大批量投入市場必將產生積極的社會效益和顯著的經濟效益。

附圖說明

本發明共有3幅附圖,其中：

附圖1為本發明增材制造狀態結構示意圖；

附圖2為本發明減材加工狀態結構示意圖；

附圖3為本發明超聲切削裝置裝配示意圖。

在圖中：1、刀具2、刀庫3、工作臺4、成型腔5、超聲切削裝置6、工作臺7、激光掃描系統8、激光發生器9、供粉裝置10、刮板11、傳感器12、粉槽13、工件14、粉末回收裝置15、超聲發生器16、超聲換能器17、變幅桿。

具體實施方式

本發明的具體實施例如附圖所示，將超聲切削應用于鋪粉式增減材復合制造中的設備包括：刀具1、刀庫2、工作臺3、床身、主軸6、激光掃描系統7、激光發生器8、供粉裝置9、鋪粉裝置、超聲切削裝置5和粉末回收裝置14；所述的工作臺3裝于床身前部中間位置并水平設置，工作臺3內有成型腔4，成型腔4可沿豎直方向上下移動，成型腔4內可安裝基板，增減材復合制造在基板上進行；所述的鋪粉裝置安裝在工作臺3上，位于工作臺3的一端；激光發生器8與激光掃描系統7固定于床身前部的正上方；供粉裝置9位于床身外側；刀庫2位于床身前部一側，刀庫2內裝有刀具1；所述的主軸6裝于床身前部，可沿x、y、z三個方向的滑動導軌滑動，增材制造時主軸6位于工作臺3一端，減材加工時主軸6移動至工作臺6正上方，主軸6下部安裝刀具1，刀具1與主軸6之間安裝有超聲切削裝置5；所述的粉末回收裝置14設置于工作臺3的下部。

鋪粉裝置包括：刮板10、傳感器11和粉槽12；粉槽12通過導軌裝于工作臺3的上部，并可沿工作臺3橫向移動；裝于粉槽12側部的刮板10均勻的將粉槽12中的金屬粉末均勻的鋪到工作臺3內的成型腔4上；設置于粉槽12內的傳感器11對粉槽12內的粉量進行監測，當粉料少于一定值時，傳感器11發出信號，供粉裝置9對粉槽12供粉；工件制造完成后，從粉末回收裝置14中回收粉末。

超聲切削裝置5包括：超聲發生器15、超聲換能器16、變幅桿17；超聲發生器15安裝在主軸6上，減材加工過程中超聲換能器16與變幅桿17和刀具1裝于一體一同裝在主軸6的下部；減材加工時由刀庫2中選取刀具1裝于減材機構上，超聲切削裝置5位于減材機構與刀具1之間，根據工藝要求將一定的頻率和振動形式施加在刀具1上，超聲振動的頻率可以根據加工工藝要求進行調節。

將超聲切削應用于鋪粉式增減材復合制造中的設備的加工方法為：

1增材過程：

a、鋪粉：由粉槽12沿導軌油工作臺3的一端向另一端移動鋪粉，金屬粉末經刮板10均勻的鋪在工作臺3和成型腔4上；

b、增材制造：利用各種高能束，與cad/cam技術相結合，按照規劃的路徑，逐層沉積材料——激光發生器8發射的激光通過激光掃描系統7控制，使其按照規劃的掃描軌跡在基板上進行掃描，熔化金屬粉末；

c、持續增材：完成一次上述b步驟的打印后，控制系統控制成型腔4下降一個圖層厚度，再次重復上述步驟a對成型腔4進行鋪粉；

2、減材制造：在持續進行了若干層的增材制造后，根據工藝要求，利用超聲切削的方式對已沉積層進行必要的減材加工，提高工件13的尺寸精度和表面質量；

3、在減材完成后，再次進行增材過程，增材、減材循環進行完成整個加工過程。

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。

高能束包括：激光束、電子束、電弧或離子束。

超聲切削的形式可以是一維振動、二維橢圓振動或三維振動；超聲振動頻率可以根據切削參數、工件材料和零件實時溫度等進行調整。

超聲切削可以施加在刀具1上也可以施加在工件13上。

超聲切削的切削方式為車削、銑削或磨削。

刀具1為硬質合金刀具、陶瓷刀具、pcd刀具或cbn刀具。

以上所述，僅為本發明的較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，所有熟悉本技術領域的技術人員在本發明公開的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其本發明的構思加以等同替換或改變均應涵蓋在本發明的保護范圍之內。