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增材制造和切削混合加工机床(一)

2017/3/24    来源:互联网    作者:张曙      
关键字:增材制造  混合加工  3D打印  
随着近年来航空航天、汽车和模具工业的技术进步,零件的结构和形状越来越复杂,材料越来越难加工,因此传统的金属切削加工方法受到严峻的挑战。提出了混合加工的定义和类型,并对三种新一代的增材制造和切削加工混合工艺和机床:激光烧结3D打印和铣削混合加工、激光堆焊3D打印和铣削混合加工以及超声3D打印与铣削混合加工的原理和应用案例进行了详细的阐述。

    0 引言

    混合加工(hybrid machining)是在一台设备上可完成两种不同机理的加工过程,如增材制造(3D打印)和切削加工混合,电加工和超声波加工混合等。混合加工过程借助不同加工方法的优势互补,显著改善了难加工材料(如钛合金)的可加工性,减少了过程力和刀具/工具磨损,对加工零件的复杂表面完整性和粗糙度起到积极作用,为产品设计师开辟了新思路,大大促进了高端产品的创新。

    混合加工不是通常所说的复合加工。复合加工是指一台机床上集成了包括车、铣、钻、攻丝和深镗孔等多种工序,能够对一个工件通过一次装夹进行从毛坯到成品全部加工,也称为多任务( multi-tasking)、多功能(multi-functional)或完整加工(complete machining)。

    混合加工可分为不同能源或工具的混合和不同过程机理的可控应用两大类,不同能源或工具的混合又可分为辅助性过程(如车削时借助激光软化工件表面)以及混合性过程(如电加工和电化学加工同时进行等)。增材制造与切削加工的混合属于不同过程机理可控应用的混合如图1所示。

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    图1 混合加工的类型

    1 现状与趋势

    1.1 激光加热辅助切削

    激光加热辅助切削(laser assisted machining)是将激光束聚焦在切削刃前的工件表面,在材料被切除前的短时间内将局部加热到高温,使材料的切削性能变得易于切削。通过对工件表面加热,提高材料的塑性,降低切削力,减小刀具磨损,减小振动,从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的目的。对高强度材料,激光加热改善了其可加工性,对硬脆材料可将其脆性转化为延展性,使屈服强度降低到断裂强度以下,避免加工中出现裂纹。

    振动辅助车削(vibration assistance turning)是在车刀上施加振幅很小(300nm~500nm)的超声振动(40kHz~80kHz),使刀具和工件周期地接触和脱离,从而改变切削过程的物理特性。由于在振动状态下,刀具和工件的接触时间短于相互脱离时间,所形成的切屑短小,切削力小,切削温度低,改善了加工表面的质量。超声振动装置结构相对简单,可作为刀夹部件安装在标准精密车床上,即可对淬硬工件或难加工材料进行镜面车削。激光加热和超声振动辅助加工的案例如图2所示。

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    图2 激光加热和超声振动辅助加工

    1.2 电加工和磨削的混合加工机床

    德国瓦尔特(Walter)公司的Helitronic Diamond刀具磨床按2合1的设计理念,在一台机床上用旋转电极加工PKD/CBN刀具和砂轮磨削硬质合金/高速钢刀具。机床为龙门结构,X、Y、Z轴的移动皆采用直线电机,A、C轴由力矩电机驱动,机床两外侧可分别配置电极/砂轮和刀具工件的交换系统。机床用于加工结构对称而形状复杂的刀具,采用中间皮带驱动的轴,两端可分别安装1~3个旋转电极和砂轮,回转180°切换;采用电主轴时只能在一端安装1~3个旋转电极或砂轮。机床的外观和加工实况如图3所示。

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    图3 电加工和磨削混合加工的刀具机床

    1.3 增材制造和切削加工的混合

    增材制造的原理是通过材料的不断叠加而形成零件,包括粉末激光融化、粉末激光烧结、薄材叠层、液态树脂光固化和丝材熔融等,是加法。切削加工是从毛坯上切除多余的材料而形成最终零件,包括车、铣、钻、刨、磨等,与增材制造相反,就材料而言都是减法。增材制造优势在于节省材料、可以构建结构和形状极其复杂的零件,而切削加工却具有高效率、高精度和高表面质量的优点,两者混合和集成在一台机床上就开创了令人鼓舞的应用前景。3D打印是直接数字制造,将产品CAD实体模型切成薄片,按轮廓进行加工,再一层层叠加而成,故也称为叠层制造,是智能制造的支撑技术。

    3D打印可构建任意复杂形状的产品,最有效地发挥材料特性,为设计师打开了无限的创新空间。3D打印的产品是定制和个性化的独一无二产品,不仅可按需制造,还可以在本企业就地制造。

责任编辑:张纯子
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