[发明专利]一种高能束增材减材复合制造的减材数控程序生成方法

说明书

本发明公开了一种高能束增材减材复合制造的减材数控程序生成方法，属于先进制造技术领域，包括如下步骤：(1)金属零部件的减材加工模型预处理；(2)金属零部件的减材加工模型切片处理；(3)基于减材加工模型切片特征生成单层数控程序；(4)记录单层数控程序生成的底层操作源代码并进行循环改写；(5)生成完整金属零部件的减材加工模型数控程序。该方法无需开发专用软件，仅依靠常规计算机辅助设计/制造软件和常用编程语言及编码器，即可生成任意金属零部件高能束增材减材复合制造的减材数控程序，成本低、效率高、应用灵活。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，更具体地，涉及一种高能束增材减材复合制造的减材数控程序生成方法。

背景技术

增材制造是一种基于离散-堆积原理、自下而上逐层成形的新型制造工艺，相较于传统的减材加工(机械加工)和等材加工(锻、铸、焊)制造工艺，具有工艺设计周期短、材料适用性强、原材料利用率高、可成形复杂零部件等特点，近年来掀起了一场全方位的科技革命，制造业强国纷纷将其作为产业发展新增长点。

高性能金属零部件的高能束增材制造技术是增材制造领域的重要发展方向，它采用激光束/电子束快速熔化金属粉末并凝固堆积，可快速实现复杂金属零部件的无模具、“自由”近净成形，在航空航天、国防等领域应用前景广泛。根据材料填充方式的不同，高性能金属零部件高能束增材制造技术可分为以激光选区熔化、电子束选区熔化等为代表的预铺粉式增材制造技术，以及以激光熔化沉积、电子束熔丝沉积、激光熔丝成形等为代表的同步送料式增材制造技术。

在进行金属零部件的高能束增材制造之前，通常需要在切片软件中，将“增材制造”模型沿XY面以一定厚度(该厚度通常被定义为增材制造的层厚)进行均匀切片处理，将“增材制造”模型分成厚度均等的若干层切片模型，最后导入高能束增材制造装备软件中，控制高能束增材制造装备沿垂直于XY平面的Z方向(该方向通常被定义为增材制造方向)自下而上逐层成形n层(通常被定义为增材制造的层数)切片模型，从而实现待加工金属零部件的高能束增材制造。

与传统减材加工工艺相比，高能束增材制造技术的成形精度偏低，相关产品通常需接受后续机加工才能投入使用。对于结构较复杂的大型零部件，后续机加工难度大、耗时长，有时甚至难以进行，很大程度上阻碍了高能束增材制造技术的推广应用。针对这一情况，一种新型的快速直接成形技术——高能束增材减材复合制造技术于近期被提出。

该技术将高能束增材制造装备与传统的减材数控机床进行组合，在金属零部件的逐层高能束增材制造的过程中，利用数控机床对加工精度要求较高的已成形区域实施减材加工，通过“增材”与“减材”两种工序适时地交替进行，直接获得尺寸精度高、表面质量可控、组织致密、性能优异的金属零部件。日本山崎马扎克公司和沙迪克公司、德国德玛吉公司和ELB磨床有限公司以及国内许多企业、高校都基于不同的高能束增材制造技术开发了相应的增材减材复合制造装备，部分已经成功实现商业化应用。

对于高能束增材减材复合制造技术而言，由于减材加工需要配合增材制造的“自下而上”加工策略(即减材加工需沿着增材制造的方向，由金属零部件的底层加工至顶层)，并需要根据金属零部件关键区域的精度需求，在局部加工高度实现“边增边减”的增材减材复合加工效果(即在金属零部件高能束增材制造一层或几层后，对精度要求较高的已成形区域及时地实施减材加工)，开发生成任意成形零件均适用的减材数控程序一直是本领域的研究难点。

五轴机床和配套的数控系统对金属零部件的结构适应性较强，但由于其刀具(零件)倾斜/翻转的工作特点，难以用于基于预铺粉式高能束增材制造的增材减材复合制造装备，且开发成本高、前处理时间较长。三轴机床及其配套的数控系统一般是基于金属零部件的毛坯设计“自上而下”加工策略(即减材加工沿着增材制造的反方向，由金属零部件顶层加工至底层)。在应用于增材减材复合制造装备时，只能实现简单的钻孔与端面铣削，以及无“倒扣”特征零部件的轮廓铣削等“先增后减”工艺(即完成整个金属零部件的高能束增材制造后，再对关键区域实施减材加工)，很难完成内流道、异形曲面等复杂结构零部件的“边增边减”加工。