本發(fā)明屬于快速成型制造、尤其是金屬材料的快速原型制造技術(shù)領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種3D打印、熱處理與精整一體化加工方法。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)又被稱(chēng)為快速原型技術(shù)，已有30多年的歷史，近年來(lái)3D打印技術(shù)獲得突破性進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)通過(guò)把零件沿著某一方向分隔多個(gè)薄片的方式,進(jìn)而把三維零件分成二維的具有一定厚度的片體單元，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的簡(jiǎn)單堆積制造；面向工業(yè)生產(chǎn)的主要包括噴粉激光熔融堆積成型、鋪粉激光熔融堆積成型和熔絲堆積成型三類(lèi)。3D打印技術(shù)可以制造金屬、陶瓷、塑料等金屬和非金屬材料，具有可以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、快速生產(chǎn)單件零件、節(jié)約零件材料等優(yōu)點(diǎn)。
通過(guò)3D打印技術(shù)制造的零件表面質(zhì)量主要取決于分層厚度和零件表面與分層面夾角的大小、打印材料粒度大小、堆積方式等的影響。對(duì)金屬材料的3D打印而言，由于打印過(guò)程需要激光高能量束照射使打印材料熔融從而實(shí)現(xiàn)堆積成型，零件的溫度梯度較大，被打印零件存在內(nèi)應(yīng)力，金屬零件經(jīng)過(guò)3D打印技術(shù)加工后，通常附加有去應(yīng)力熱處理和機(jī)加工工藝，以滿(mǎn)足零件的尺寸精度和表面質(zhì)量?，F(xiàn)有3D打印工藝中，熱處理工藝在充滿(mǎn)保護(hù)氣體的熱處理爐中進(jìn)行，機(jī)加工在對(duì)應(yīng)機(jī)床上完成，由此可以看出完整的金屬零件制造過(guò)程需要在三臺(tái)設(shè)備上完成三種工藝，繁瑣，復(fù)雜，設(shè)備投資大。此外，機(jī)械加工工藝的難易程度取決于零件的復(fù)雜程度，零件越復(fù)雜加工難度越大，甚至無(wú)法加工；盡管拋光研磨是復(fù)雜零件機(jī)械加工的一個(gè)選項(xiàng)，但拋光研磨只能提高表面質(zhì)量，無(wú)法改變因熱應(yīng)力等引起的變形和尺寸精度；進(jìn)一步限制了3D打印技術(shù)在復(fù)雜零件制造領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提出了一種3D打印、熱處理與精整一體化加工方法，具有工藝集成化優(yōu)勢(shì)。把3D打印技術(shù)、熱處理技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)等三種獨(dú)立工藝在零件制造過(guò)程中集成一起實(shí)現(xiàn)三種工藝的交替循環(huán)進(jìn)行，減少設(shè)備、采購(gòu)、配置使用數(shù)量，降低設(shè)備投入、折舊成本，提高設(shè)備使用率。
本申請(qǐng)采用的技術(shù)方案是：一種3D打印、熱處理與精整一體化加工方法，該加工方法基于分層原理，逐層交替完成3D打印、熱處理和機(jī)械加工工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件的精密成型。
進(jìn)一步的，上述方法具體為：
S1.工藝分析，結(jié)合零件三維模型、零件技術(shù)要求、零件材料特性分析零件加工工藝，確定模型分層方向、分層厚度、工藝方法和工藝參數(shù)；
S2.進(jìn)行模型處理，選擇切片基準(zhǔn)平面，建立坐標(biāo)系，建立支撐輔助體；
S3.把模型分層：3D打印工藝分m層，熱處理工藝分n層，機(jī)械加工工藝分p層；設(shè)i、j、k分別為3D打印工藝、熱處理工藝、機(jī)械加工工藝的層的循環(huán)變量，第i層厚度為hi，第j層厚度為hj，第k層厚度為hk；
S4.數(shù)據(jù)賦值，Hm代表的3D打印已加工高度，Hn代表熱處理已加工高度，Hp代表機(jī)械加工已加工高度；
S5.3D打印：i＝i+1,打印第i層，Hm＝Hm+hi。
進(jìn)一步的，上述方法還包括，如下步驟：
S6.若n＝0且i大于等于m，或若n＝0且i小于m且Hm-Hp大于等于hk，執(zhí)行步驟11；若n＝0且i小于m且Hm-Hp小于hk，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；
S7.若n不等于0且i大于等于m，或若n不等于0且i小于m且Hm-Hn大于等于hj，執(zhí)行步驟8；若n＝0且i小于m且Hm-Hk小于hk，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；
S8.熱處理：熱處理第j層；
S9.Hn＝Hn+hj，j＝j(luò)+1。
進(jìn)一步的，上述方法還包括，如下步驟：
S10.在j小于n+1且Hn-Hp小于hk條件下，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；否則，執(zhí)行步驟S11；
S11.機(jī)械加工：機(jī)械加工第k層，Hp＝Hp+hk，k＝k+1。
S12.在k小于p+1條件下，從步驟S5開(kāi)始執(zhí)行，否則結(jié)束。
進(jìn)一步的，導(dǎo)入被加工零件的模型為實(shí)體或封閉片體或等壁厚的中面模型。
進(jìn)一步的，模型處理包括簡(jiǎn)化模型、修復(fù)模型、作輔助支撐體、增加模型壁厚度，零件的每一切片平行于切片基準(zhǔn)平面，決定了零件堆積方向和零件加工坐標(biāo)系方向。
更進(jìn)一步的，成型堆積過(guò)程采用自下而上逐層堆積，或者采用自上而下逐層堆積。
更進(jìn)一步的，模型分層包括固定厚度分層和根據(jù)模型表面粗糙度自動(dòng)化分層。
更進(jìn)一步的，熱處理工藝是以3D打印的激光源為工具通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)完成。
作為更進(jìn)一步的，機(jī)械加工工藝?yán)枚噍S高速銑削加工實(shí)現(xiàn)，機(jī)械加工的每一層根據(jù)零件精度要求依照被加工所在層零件輪廓分多層銑削完成。
作為更進(jìn)一步的，3D打印中使用的激光頭可以更換為噴粉激光頭，實(shí)現(xiàn)基于噴粉激光熔融堆積成型的3D打印、熱處理與精整加工方法。
作為更進(jìn)一步的，3D打印中使用的激光頭可以更換為熔絲噴頭，實(shí)現(xiàn)基于熔絲堆積成型的3D打印、精整加工方法。
本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，能夠取得如下的技術(shù)效果：
1、本申請(qǐng)具有工藝集成化優(yōu)勢(shì)：把3D打印技術(shù)、熱處理技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)等三種獨(dú)立工藝在零件制造過(guò)程中集成一起實(shí)現(xiàn)三種工藝的交替循環(huán)進(jìn)行，減少設(shè)備、采購(gòu)、配置使用數(shù)量，降低設(shè)備投入折舊、成本，提高設(shè)備使用率。
2、提高了零件的表面質(zhì)量：通過(guò)把最終階段的一次機(jī)械加工分解到各個(gè)層從而實(shí)現(xiàn)零件的逐步逐層加工，解決了復(fù)雜零件精整加工中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置互相干涉、空間狹窄等問(wèn)題，降低零件加工難度，提高零件表面質(zhì)量。
3、本方法解決了熱應(yīng)力等引起變形問(wèn)題：通過(guò)模型處理中的零件壁增厚技術(shù)為零件熱應(yīng)力變形預(yù)置了變形余量，再通過(guò)熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后，借助機(jī)械加工保證零件最終的幾何精度。
4、本方法具有可擴(kuò)展性，可以組成基于激光熔融堆積成型的3D打印、熱處理與精整一體化加工工藝方法，可以組成基于激光熔融堆積成型的3D打印與精整一體化加工工藝方法，也可以組成基于熔絲堆積成型的3D打印技術(shù)和精整一體化加工工藝方法。組成不同方法的前提通過(guò)更換激光頭為噴粉激光頭或者噴絲熔融頭，這個(gè)過(guò)程可以由機(jī)床主軸換刀動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生不同的3D堆積工藝方法，能由本方法擴(kuò)展成很多種工藝方法。
附圖說(shuō)明
本發(fā)明共有附圖1幅：
圖1為3D打印、熱處理與精整一體化加工方法流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
實(shí)施例1
本實(shí)施例以噴粉激光熔融堆積成型和鋪粉激光熔融堆積成型為例，提供了一種3D打印、熱處理與精整一體化加工方法，包括：
S1.工藝分析：結(jié)合零件三維模型、零件技術(shù)要求、零件材料特性分析零件加工工藝，確定模型分層方向、分層厚度、工藝方法和工藝參數(shù)；該步驟和普通打印分層原理相同，所述模型為實(shí)體或封閉片體或等壁厚的中面模型；
S2.模型處理：根據(jù)導(dǎo)入模型的類(lèi)型對(duì)模型做必要處理，主要包括對(duì)非封閉片體做補(bǔ)面縫合、對(duì)中面零件做構(gòu)建零件的封閉表面、對(duì)零件表面做偏置增厚等；選擇切片基準(zhǔn)平面，建立坐標(biāo)系，建立支撐輔助體；
S3.把模型分層：根據(jù)模型的材料特性、零件技術(shù)要求和加工效率，3D打印工藝分m層，熱處理工藝分n層，機(jī)械加工工藝分p層；設(shè)i、j、k分別為3D打印工藝、熱處理工藝、機(jī)械加工工藝的層的循環(huán)變量，第i層厚度為hi，第j層厚度為hj，第k層厚度為hk；
S4.數(shù)據(jù)賦值，Hm代表的3D打印已加工高度，Hn代表熱處理已加工高度，Hp代表機(jī)械加工已加工高度；初始值i＝0、j＝1、k＝1、Hm＝0、Hn＝0、Hp＝0；
S5.3D打?。篿＝i+1,按照第i層厚度完成第i層鋪粉，根據(jù)第i層形狀控制激光按照規(guī)定路徑通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)實(shí)現(xiàn)第i層零件區(qū)域和支撐輔助體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)堆積成型，打印第i層，Hm＝Hm+hi；
S6.若n＝0且i大于等于m，或n＝0且i小于m且Hm-Hp大于等于hk，執(zhí)行步驟11；若n＝0且i小于m且Hm-Hp小于hk，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；
S7.若n不等于0且i大于等于m，或n不等于0且i小于m且Hm-Hn大于等于hj，執(zhí)行步驟8；若n＝0且i小于m且Hm-Hk小于hk，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；
S8.熱處理：熱處理第j層；
S9.Hn＝Hn+hj，j＝j(luò)+1；
S10.在j小于n+1且Hn-Hp小于hk條件下，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；否則，執(zhí)行步驟S11；
S11.機(jī)械加工：機(jī)械加工第k層，Hp＝Hp+hk，k＝k+1；
S12.在k小于p+1條件下，從步驟S5開(kāi)始執(zhí)行，否則結(jié)束。
實(shí)施例2
本實(shí)施例以熔絲堆積成型為例，提供了一種3D打印、精整一體化加工方法，包括：
S1.工藝分析：結(jié)合零件三維模型、零件技術(shù)要求、零件材料特性分析零件加工工藝，確定模型分層方向、分層厚度、工藝方法和工藝參數(shù)；導(dǎo)入被加工零件的模型為實(shí)體或封閉片體或等壁厚的中面模型；
S2.模型處理：根據(jù)導(dǎo)入模型的類(lèi)型對(duì)模型做必要處理，主要包括對(duì)非封閉片體做補(bǔ)面縫合、對(duì)中面零件做構(gòu)建零件的封閉表面、對(duì)零件表面做偏置增厚等；選擇切片基準(zhǔn)平面，建立坐標(biāo)系，建立支撐輔助體；
S3.把模型分層：根據(jù)模型的材料特性、零件技術(shù)要求和加工效率，3D打印工藝分m層，機(jī)械加工工藝分p層；設(shè)i、k分別為3D打印工藝、機(jī)械加工工藝的層的循環(huán)變量，第i層厚度為hi，第k層厚度為hk；
S4.數(shù)據(jù)賦值，Hm代表的3D打印已加工高度，Hp代表機(jī)械加工已加工高度；初始值i＝0、k＝1、Hm＝0、Hp＝0；
S5.3D打?。篿＝i+1,按照第i層厚度完成第i層鋪粉，根據(jù)第i層形狀控制激光按照規(guī)定路徑通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)實(shí)現(xiàn)第i層零件區(qū)域和支撐輔助體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)堆積成型，打印第i層，Hm＝Hm+hi；
S6.在i小于m且Hm-Hn小于hj條件下，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；否則，執(zhí)行步驟S7；
S7.在j小于n+1且Hn-Hp小于hk條件下，跳轉(zhuǎn)到步驟S5開(kāi)始執(zhí)行；否則，執(zhí)行步驟S8；
S8.機(jī)械加工：機(jī)械加工第k層，Hp＝Hp+hk，k＝k+1；
S9.在k小于p+1條件下，從步驟S5開(kāi)始執(zhí)行，否則結(jié)束。
實(shí)施例3
作為對(duì)實(shí)施例1、2的補(bǔ)充，模型處理包括簡(jiǎn)化模型、修復(fù)模型、作輔助支撐體、增加模型壁厚度，零件的每一切片平行于切片基準(zhǔn)平面，決定了零件堆積方向和零件加工坐標(biāo)系方向，成型堆積過(guò)程采用自下而上逐層堆積，或者采用自上而下逐層堆積。模型分層包括固定厚度分層，和根據(jù)模型表面粗糙度自動(dòng)化分層。
作為可以?xún)?yōu)選的，熱處理工藝是以3D打印的激光源為工具通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)完成。熱處理分層厚度取決于零件材料、零件壁厚和零件結(jié)構(gòu)。
作為可以?xún)?yōu)選的，機(jī)械加工工藝?yán)枚噍S高速銑削加工實(shí)現(xiàn)，機(jī)械加工的每一層根據(jù)零件精度要求依照被加工所在層零件輪廓分多層銑削完成。機(jī)械加工的分層厚度取決于零件結(jié)構(gòu)間間隙和所選用的刀具，切削工藝參數(shù)。
3D打印工藝方法在一臺(tái)機(jī)床上連續(xù)、自動(dòng)完成。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。