金属增减材复合加工的成形方法和系统与流程

本发明涉及增减材复合加工，具体而言涉及一种复杂金属零件的增减材复合加工成形方法和系统。

背景技术：

1、金属增材制造(metal additive manufacturing)是增材制造(additivemanufacturing,俗称“3d打印”)的重要分支，通常使用激光、电弧等热源融化金属粉末或者焊丝等材料，通过分层制造、逐层叠加的方式制造出实体零件。目前已经广泛应用于医疗、航空航天、传统制造业、汽车、牙科等领域。

2、相较于传统精密加工，金属增材制造具有以下优点：(1)产品研发及实现周期短，增材制造技术生产的零件毛坯无需模具支撑，切削余量小，部分零件甚至可以在简单后处理后即可使用，相较于传统工艺开发产品的流程和成本大大缩短。(2)可高效成形更为复杂的结构，3d打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制造，故可以实现传统精密加工较难实现的复杂构件成形，提高零件成品率，同时提高产品质量；对于增材制造来讲，结构复杂程度的增加基本很少增加成本，而传统制造方式的成本会随着结构复杂度的提高而大大增加。(3)实现一体化、轻量化设计，在保证性能的前提下，增材制造可以简化零件数量和连接结构，甚至做到一体化成形，从而减小装配总成的体积和重量，降低成本的同时还能提升产品的可靠性。

3、大多数情况下，金属增材制造的零件还需要后续减材加工才能满足使用要求，由于金属增材制造毛坯的基板会因为长时间的高热量输入产生较大的变形，为了降低后续减材加工基准找正的难度，金属增材制造的毛坯时就需要预留更多的加工余量，浪费材料和加工时间。为了解决这个问题，增减材复合加工技术应运而生。

4、这种新工艺将传统减材加工和增材制造有机融合到同一台设备上，使用增材打印模块快速地生产毛坯，随即利用减材模块快速精密地加工成型，两种加工过程不需要拆卸基板，都以机床自身的零点坐标作为基准，避免了毛坯找正的难题。另外，使用增→减→增→减…这种增减交替的方式可以解决传统加工中刀具不可达导致无法加工的难题，所以近年来增减材复合加工技术得到越来越多的应用。但同时增减材复合加工过程中遇到的难题也随之而来，例如，增材打印过程中的熔池需要良好的支撑，这样才能得到较佳的增材打印质量和尺寸精度，但是很多情况下未处理的结构经过减材加工后无法为增材打印提供理想的熔池支撑，造成增减交替工艺难以过渡和转接，大大制约了增减材复合加工技术的应用范围。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决增减交替加工过程中减材加工后因无法为下次增材打印提供支撑导致的增材打印质量差甚至无法增材打印的技术问题，提供一种金属增减材复合加工的成形方法和系统，通过调整减材和增材工艺结合区域的形状，并实时调平当前打印区域的角度，从而满足熔池的支撑需求，进而完成减材工艺到增材工艺的切换，实现复杂增减材复合加工工艺。

2、根据本发明目的的第一方面，提供一种金属增减材复合加工的成形方法，该方法包括：增材打印成形和减材加工，所述增材打印成形和减材加工交替循环进行，直至得到所需构件；

3、其中，在每一道次的增材打印成形和减材加工交替过程中，减材加工完成后，对当前工件的减材和增材的结合区域进行边缘减材加工，使结合区域的边缘形成倒角面，然后调整工件的角度，使倒角面与增材打印头的工作面平行，并在后续增材打印过程中持续保持沉积层面与增材打印头工作面的平行状态，为熔池提供支撑。

4、作为可选的实施方式，倒角面的倒角ɑ的取值为0°＜ɑ＜90°。

5、作为可选的实施方式，增材打印成形使用的热源包括激光、电弧、离子束中的一种或者几种组合。

6、作为可选的实施方式，增材打印成形使用的填充物包括焊丝、粉末中的一种或者两种组合。

7、作为可选的实施方式，增材打印成形采用的工艺包括激光熔融沉积工艺、激光送丝增材制造工艺、电弧增材制造工艺或激光电弧复合增材制造工艺。

8、根据本发明目的的第二方面，提供一种金属增减材复合加工的成形系统，包括：

9、工作平台，包括底座和位于底座上的旋转台，以底座的中心为原点建立三维坐标系，所述底座可绕z轴进行旋转，所述旋转台可绕x轴的平行线或y轴的平行线进行旋转；

10、位于工作平台上方的工作轴，所述工作轴可沿x轴、y轴和z轴运动，并进行自转；

11、增材制造系统，包括打印头，可拆卸地设置在工作轴上，打印头的工作端面对旋转台，用于金属增材打印成形；

12、减材加工系统，包括铣削主轴和设置在铣削主轴上减材刀具，所述铣削主轴可拆卸地设置在工作轴上，减材刀具面对旋转台，用于对增材打印成形件进行减材加工；

13、所述增材制造系统与减材加工系统被设置成交替循环进行直至完成构件加工，在加工过程中的每一次增材打印与减材加工道次中，在减材加工之后、增材打印之前，将工件的减材和增材的结合区域的边缘加工成倒角面，通过调整减材和增材工艺结合区域的形状，并利用工作平台的摇篮式摆动调整，实时调平打印区域的角度，以提供对增材打印的熔池支撑。

14、作为可选的实施方式，所述旋转台上设有基板，面对打印头和减材刀具的工作端。

15、作为可选的实施方式，所述增材制造系统还包括送料系统，用于输送打印的原料。

16、由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的金属增减材复合加工的成形方法，将工件的减材和增材的结合区域的边缘加工成倒角面，通过调整减材和增材工艺结合区域的形状，并利用摇篮式工作平台实时调平当前打印区域的角度，从而满足熔池的支撑需求，进而完成减材工艺到增材工艺的切换，且可以保证增材打印的质量和尺寸精度，真正实现复杂增减材复合加工工艺。

17、本发明的方法对目标零件的材质和形状没有要求，对金属增材打印工艺没有要求，加工模型处理简单便捷，实用性高、适用性广泛。

技术特征：

1.一种金属增减材复合加工的成形方法，其特征在于，该方法包括：增材打印成形和减材加工，所述增材打印成形和减材加工交替循环进行，直至得到所需构件；

2.根据权利要求1所述的金属增减材复合加工的成形方法，其特征在于，倒角面的倒角ɑ的取值为0°＜ɑ＜90°。

3.根据权利要求1所述的金属增减材复合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形使用的热源包括激光、电弧、离子束中的一种或者几种组合。

4.根据权利要求1所述的金属增减材复合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形使用的填充物包括焊丝、粉末中的一种或者两种组合。

5.根据权利要求1所述的金属增减材复合加工的成形方法，其特征在于，增材打印成形采用的工艺包括激光熔融沉积工艺、激光送丝增材制造工艺、电弧增材制造工艺或激光电弧复合增材制造工艺。

6.一种金属增减材复合加工的成形系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的金属增减材复合加工的成形系统，其特征在于，在每一道次的增材打印成形和减材加工交替过程中，减材加工完成后，对当前工件的减材和增材的结合区域进行边缘减材加工，使结合区域的边缘形成倒角面；然后，调整工件的角度，使倒角面与增材打印头的工作面平行，并在后续增材打印过程中持续保持沉积层面与增材打印头工作面的平行状态，为熔池提供支撑。

8.根据权利要求6所述的金属增减材复合加工的成形系统，其特征在于，所述倒角面的倒角ɑ的取值为0°＜ɑ＜90°。

9.根据权利要求6所述的金属增减材复合加工的成形系统，其特征在于，所述旋转台(22)上设有基板(23)，面对打印头(3)和减材刀具(42)的工作端。

10.根据权利要求6所述的金属增减材复合加工的成形系统，其特征在于，所述增材制造系统还包括送料系统，用于输送打印的原料。

技术总结本发明提供一种金属增减材复合加工的成形方法，该方法包括：增材打印成形和减材加工，所述增材打印成形和减材加工交替循环进行，直至得到所需构件；其中，在每一道次的增材打印成形和减材加工交替过程中，减材加工完成后，对当前工件的减材和增材的结合区域进行边缘减材加工，使结合区域的边缘形成倒角面，然后调整工件的角度，使倒角面与增材打印头的工作面平行，并在后续增材打印过程中持续保持沉积层面与增材打印头工作面的平行状态，为熔池提供支撑。本发明的方法可以保证减材后的增材打印工序正常进行，并保证增材打印的质量和尺寸精度，真正实现复杂增减材复合加工工艺。技术研发人员：邢飞,孙中刚,夏振宇,于辉勇,张德开受保护的技术使用者：南京中科煜宸激光技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17