專利名稱：一種快速制造方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速制造技術(shù)，具體涉及一種快速制造方法，它利用金屬液體堆積與高速微切削復(fù)合實現(xiàn)快速制造；本發(fā)明還提供了該方法的實現(xiàn)裝置。
現(xiàn)有的快速原型技術(shù)有如下局限性(1)加工周期還較長。一個較為復(fù)雜的零件，往往需要幾十小時或幾天。究其原因，在加工過程中，每一層沉積厚度只有0.2mm以下，且還要沉積一定尺寸的支撐材料，使加工周期較長，耗材增多。(2)加工精度較差。由于是自由熔融態(tài)成形，層間內(nèi)外表面出現(xiàn)明顯的臺階，隨著層厚的增加，臺階越明顯。當(dāng)層厚為0.254mm時，平均表面粗糙度Ra＝15-53μm。(3)成本較高。所用原材料價格太高，250-458美元/kg，是不銹鋼的100倍左右。(4)零件強度低。由于所用材料為高分子材料，層間熔合較差，導(dǎo)致所獲得的原型零件強度較低。(5)不能直接得到金屬零件或模具。由于該技術(shù)的成本高，加以制件的精度、強度和耐久性能還不能滿足用戶的要求，暫時阻礙了RP技術(shù)的推廣普及。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種快速制造方法，包括以下步驟(1)采用三維CAD軟件構(gòu)造所需零件的三維實體模型；(2)采用分層切片軟件技術(shù)將三維實體模型切成層狀薄片型三維微小實體，每層厚度為1.0-2.0mm；(3)采用CAM軟件生成輪廓加工路徑，控制熔絲槍按照輪廓加工路徑分二層逐層進行實體掃描，使金屬絲材熔化堆積成形；(4)每堆積成形二層后，啟動電主軸進行輪廓切削加工；(5)熔絲槍和電主軸在Z軸方向上升二層的距離或工作臺下降二層的距離；(6)重復(fù)步驟(3)、(4)和(5)，直到任務(wù)完成。
實現(xiàn)上述方法的裝置，包括位于三軸聯(lián)動數(shù)控機床(3)上的熔絲槍(1)和電主軸(2)，控制系統(tǒng)(10)控制熔絲槍(1)和電主軸(2)交替工作。
采用本發(fā)明進行金屬零件或模具的成形加工，具有高效率、低成本和高精度直接成形金屬零件或模具的特點。其技術(shù)效果具體論述如下(1)可直接一次成形金屬零件或模具與現(xiàn)有的FDM方法相比，本發(fā)明使用的原材料為金屬絲，因此，所得原型為金屬零件和模具，而不是一個高分子模型。
(2)成形速度快，成本低與毛坯切除加工相比，本發(fā)明無須制造毛坯，采用增長成形與高速微切削技術(shù)，切除的材料很少；與FDM相比，本發(fā)明采用的金屬絲價格只有FDM材料的1/100，而堆積的厚度是FDM的10倍左右。另外，所采用的熔絲槍和高速電主軸為通用設(shè)備，所以，系統(tǒng)建造和運行的費用比較低。
(3)零件的精度高與現(xiàn)有的FDM方法相比，本發(fā)明采用金屬液體堆積與高速微切削復(fù)合快速制造技術(shù)，而不是只用液體堆積。因此，可將液體堆積中形成的臺階消除，使所獲制件具有低的表面粗糙度和高的尺寸和形狀精度。
(4)可以在普通數(shù)控機床上加工實現(xiàn)本發(fā)明所用設(shè)備既可以是研制的專用設(shè)備，也可以在一般機床上配備液體熔積系統(tǒng)和高速電主軸系統(tǒng)進行“金屬液體的堆積和高速微切削”；可以采用常規(guī)切削加工的數(shù)控程序來驅(qū)動機床，也可以借用現(xiàn)有RP方法中典型的“分層”與“切片”程序，生成零件薄片，使熔絲槍按照輪廓填充薄片全部“實面”，高速電主軸則只進行輪廓表面加工。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
如圖2所示的裝置中，熔絲槍1選用逆變式熔化極氬弧堆焊機，可熔化0.8-2.0mm的金屬絲，熔化的金屬液體快速沉積和凝固形成零件的實體層。電主軸2為高速主軸和陶瓷銑刀一體化設(shè)備，轉(zhuǎn)速可達40000轉(zhuǎn)/分，走刀速度可達500m/min，用來對沉積和凝固形成零件的實體層進行高速輪廓加工。熔絲槍1和電主軸2被安裝在三軸聯(lián)動數(shù)控機床3上，數(shù)控機床3包括由X方向驅(qū)動裝置4，Y方向驅(qū)動裝置5和6，Z方向驅(qū)動裝置7和8以及控制系統(tǒng)10組成。調(diào)整數(shù)控機床3，使熔絲槍1和電主軸2交替進行沉積和加工，啟動控制系統(tǒng)10，即可獲得所設(shè)計零件的實體9。
圖3為對三維零件進行加工的示意圖，先用三維CAD軟件設(shè)計該零件并轉(zhuǎn)化為面化模型，然后通過計算機切片軟件將面化模型分層為一系列薄片12(圖3-1)，選擇與工作基底11接觸的最底層薄片，并將熔絲槍1對準輪廓線，啟動所述模型的堆積和加工程序，首先進行液體堆積(圖3-2)，然后進行輪廓加工(圖3-3)，逐層掃描每個截面，最后得到一個完整的金屬零件或模具的三維實體(圖3-4)。
本發(fā)明采用的金屬絲材12直徑一般為0.8-2.0mm，材料可為鋁、銅、鈦等金屬或合金，低碳鋼和低碳合金鋼等。
實施例1、設(shè)備①機床選用金依鈦數(shù)控工作臺，②熔絲槍選用NB250型，③電主軸選用瑞士IBAG公司生產(chǎn)的電主軸，④機床控制系統(tǒng)為PIV計算機一臺；2、絲材市售不銹鋼焊絲一圈，直徑1.2mm；3、加工目的獲得一塊φ20mm×20mm的圓柱體；4、實施步驟①采用Solidworks2001設(shè)計一個φ20mm×20mm的立體圖形并轉(zhuǎn)化為面化模型，如圖4所示；②對上述面化模型從垂直于Z軸方向進行分層處理，每一層厚度為1mm，處理結(jié)果如圖5所示，圖5-1為下底層，圖5-2為第二層，圖5-3為第十九層，圖5-4為上底層；
③按輪廓掃描設(shè)計走刀路線，熔絲槍的走刀路線如圖6所示，圖6-1為下底層，圖6-2為第二層，圖6-3為第十九層，圖6-4為上底層；電主軸刀具的走刀路線如圖7所示，圖7-1為第二層，圖7-2為第四層，圖7-3為第十八層，圖7-4為上底層；并以相對坐標系用MasterCAM8.0軟件設(shè)計加工程序，將熔絲槍和電主軸刀具定位在圓柱體下底層的外輪廓線上。
④調(diào)整熔體堆積、電主軸參數(shù)和數(shù)控工作臺運動速度，在熔化極氬弧焊機控制面板上將電流調(diào)整為150A，在數(shù)控工作臺控制面板上將電主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整為25000轉(zhuǎn)/min，熔體堆積速度調(diào)整為4m/min，高速電主軸加工速度調(diào)整為10m/min。
⑤將基底不銹鋼板材固定于數(shù)控工作臺上，啟動數(shù)控系統(tǒng)，輸入用MasterCAM8.0軟件設(shè)計加工程序，加工結(jié)果如圖4所示。
本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)10的控制總流程圖如圖8所示，其中的切片分層，CAM設(shè)計和模擬堆積、模擬高速加工部分與現(xiàn)有技術(shù)相同，故本發(fā)明沒有再作具體說明。
本發(fā)明對計算機數(shù)控加工技術(shù)、液態(tài)金屬逐層堆焊與分層快速制造技術(shù)的交叉應(yīng)用將有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義，對降低RP技術(shù)及設(shè)備的成本，提高金屬零件的制造速度和制造精度，降低制件成本具有良好的經(jīng)濟和實用價值，在制造業(yè)將有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種快速制造方法，包括以下步驟(1)采用三維CAD軟件構(gòu)造所需零件的三維實體模型；(2)采用分層切片軟件技術(shù)將三維實體模型切成層狀薄片型三維微小實體，每層厚度為1.0-2.0mm；(3)采用CAM軟件生成輪廓加工路徑，控制熔絲槍按照輪廓加工路徑分二層逐層進行實體掃描，使金屬絲材熔化堆積成形；(4)每堆積成形二層后，啟動電主軸進行輪廓切削加工；(5)熔絲槍和電主軸在Z軸方向上升二層的距離或工作臺下降二層的距離；(6)重復(fù)步驟(3)、(4)和(5)，直到任務(wù)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述金屬絲材的直徑為0.8-2.0mm。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述方法的裝置，其特征在于該裝置包括位于三軸聯(lián)動數(shù)控機床(3)上的熔絲槍(1)和電主軸(2)，控制系統(tǒng)(10)控制熔絲槍(1)和電主軸(2)交替工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速制造方法，其步驟(1)采用三維CAD軟件構(gòu)造所需零件的三維實體模型；(2)采用分層切片軟件技術(shù)將三維實體模型切成層狀薄片型三維微小實體，每層厚度為1.0－2.0mm；(3)采用CAM軟件生成輪廓加工路徑，控制熔絲槍按照輪廓加工路徑分二層逐層進行實體掃描，使金屬絲材熔化堆積成形；(4)每堆積成形二層后，啟動電主軸進行輪廓切削加工；(5)熔絲槍和電主軸在Z軸方向上升二層的距離或工作臺下降二層的距離；(6)重復(fù)步驟(3)、(4)和(5)，直到任務(wù)完成。其裝置包括位于三軸聯(lián)動數(shù)控機床(3)上的熔絲槍(1)和電主軸(2)，控制系統(tǒng)(10)控制熔絲槍(1)和電主軸(2)交替工作。采用本發(fā)明進行金屬零件或模具的成形加工，具有高效率、低成本和高精度直接成形金屬零件或模具的特點。
文檔編號G05B19/19GK1476956SQ0311902
公開日2004年2月25日 申請日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者周世權(quán) 申請人:華中科技大學(xué)