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增材制造和切削混合加工机床(二)

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。

    3 激光堆焊和铣削混合加工机床

    3.1 德马吉的LASERTEC 65 3D 机床

    德马吉森精机(DMG MORI)公司推出LASERTEC 653D,是将激光堆焊技术与5轴铣削技术集于一体,构成独特的混合加工机床,其外观如图9所示。

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    图9 LASERTEC 65 3D 机床的外观

    LASERTEC 65 3D 混合加工机床配有2 kW的激光器进行激光堆焊3D打印,同时还借助全功能的高刚性的单体(monoBLOCK)结构的5轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工。“LASERTEC 65 3D的铣削加工与激光加工之间能全自动切换,它能完整加工带底切的复杂工件,能进行修复加工和对模具及机械零件甚至医疗器械零件进行局部或全面的喷涂加工。与粉床的激光焊接方法不同,激光堆焊技术通过金属粉末喷嘴可生产大型零件。堆焊速度可达1kg /h,比粉床激光烧结方法制造零件的速度快10倍。它与铣削技术的结合开创了全新的应用领域。复杂的工件通过多个步骤成形,铣削与堆焊可交替进行。这样,由于几何形状的限制无法用刀具加工的零件部位能在最终成形前加工,并达到最终精度要求。

    混合加工机床不仅拥有数控铣床优点,如高精度和高表面质量,还有粉末堆焊技术的灵活性和堆焊速度快的优点。例如,对于整体构件,需要铣削切除的金属比例达95%,而用增材方法仅在需要的地方堆焊。这将大幅节省贵重的工件材料和降低加工成本。

    激光器以及所带的粉末堆焊头一起安装在铣削主轴的HSK刀柄处。机床进行铣削加工时,它自动停靠在安全的右侧位置,如图10所示。

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    图10 LASERTEC 65 3D 机床的配置

    机床与加工过程由数控系统控制,控制系统是带CELOS与Operate4.5版的Siemens840D solutionline。颗粒大小为50μm~200μm的粉末通过激光头中的管道输送到工件表面,与此同时激光束将金属粉末堆焊在基体材料(工件)的表层,并与基体材料结合在一起,中间无空洞也无裂纹,因而结合强度很高。在堆焊过程中,同时提供惰性保护气体,避免熔覆的金属氧化。金属层冷却后,即可进行机械加工。LASERTEC 65 3D 激光堆焊头的工作原理和运行实况如图11 所示。

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    图11 激光堆焊头的工作原理和运行实况

    这个混合加工方法的突出优点之一是允许堆焊多层的不同材料。根据选用的激光器与喷嘴几何参数,堆焊的壁厚从0.1mm~5mm,能生成复杂的3D轮廓和几何形状。由于激光堆焊和铣削加工可方便地相互切换和交替进行,使得能够在零件堆焊成形过程中间,精铣工件在成形完后刀具无法到达的部分。典型案例是一喇叭状涡轮增压壳体,底端有带分布孔的法兰,需铣削外圆、平面和钻孔,喇叭外周有12个接头,需焊接、铣削、钻孔等,喇叭口的大于底座的法兰,造成法兰上的孔难以加工,如图12所示。

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    图12 涡轮增压壳体的12 道混合加工工序

责任编辑:张纯子
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