基于增减材制造技术的复杂零件一体化加工方法研究

随着人类对机械零部件精度要求、复杂程度也越来越高,推动了智能制造技术不断更新换代,增减材制造一体化应用作为一种新的加工方法,其融合了增材制造不受零件外形限制和减材制造几何精度高的优点,为叶轮等复杂零部件的结构优化和高精度加工提供了全新的技术方案。本文通过增材制造与数控多轴加工工艺比较,分析了增减材一体化应用的工艺优势,并以叶轮加工为例,对该工艺方法进行了实践研究。     

增减材复合制造加工FDM薄壁样件研究

研究了增减材复合制造加工熔融沉积成型(fused deposition modeling, FDM)薄壁零件的方法。结合增材制造和减材制造,改造传统独立双喷头3D打印机,修改右侧喷头为数控铣刀,在3D打印模型切片时对模型外轮廓进行识别和处理,生成数控加工代码,自动集成到3D打印G代码中,可对薄壁零件进行直接打印,并获得高精度的表面质量。对于薄壁复杂结构塑料零件的加工,通过改造的增减材打印机可以全自动生成复合加工G代码,大大提高了增减材复合制造的效率。     

桌面型增减材复合机床的设计和构建

增材制造为复杂零件的加工提供了更多的加工方式选择,同时,传统的切削加工方式也具有特定的优势。为了实现多种材料复杂微小零件的加工,将传统铣削加工和3D打印复合在同一台桌面型机床上,使其形成互补,设计和构建了桌面型增减材复合机床的机械部分。以Arduino开发板为平台,构建了低成本的控制系统,调试过后设计并构建了电控箱。最后通过加工实验,证实了所开发设备具有增减材复合加工能力。     

基于制造资源优化配置的复杂零件工艺分工规划研究

动态联盟企业中面向复杂零件的工艺分工规划问题是网络化制造中的一个关键问题。针对该问题,提出了逻辑制造单元的概念,通过它在工艺分工规划和制造资源之间建立联系,研究了基于逻辑制造单元的制造资源能力建模、逻辑加工路线设计,以及面向逻辑加工路线的制造资源优化配置。最后面向复杂零件的制造,进行了基于制造资源优化配置的工艺分工规划系统体系结构设计,并给出了工作流程。     

基于制造资源优化配置的复杂零件工艺分工规划研究

动态联盟企业中面向复杂零件的工艺分工规划问题是网络化制造中的一个关键问题。针对该问题，提出了逻辑制造单元的概念，通过它在工艺分工规划和制造资源之间建立联系，研究了基于逻辑制造单元的制造资源能力建模、逻辑加工路线设计，以及面向逻辑加工路线的制造资源优化配置。最后面向复杂零件的制造，进行了基于制造资源优化配置的工艺分工规划系统体系结构设计，并给出了工作流程。     

增减材复合制造技术应用研究

增材制造技术能快速成型几何结构复杂的零部件,并能实现多种材料拼接制造,但该技术制造的零部件几何精度和表面质量不高。传统的减材制造精度高,表面质量好,能够弥补增材制造的上述缺陷。增减材复合制造技术兼二者优势取之。本文阐述了增材制造及增减材复合制造的概况,以齿轮泵腔体加工实例说明了增减材复合制造技术的工艺,总结了增减材复合制造技术的现状及不足,提出了增减材复合制造技术需解决的关键问题,便于深入研究。     

电弧增材制造与铣削复合加工系统与工艺研究

针对目前电弧增材制造过程中存在的设备成本高和零件成形效果较差等问题,设计出一种电弧增材制造与铣削的复合加工系统与工艺。该工艺结合了电弧增材制造和铣削加工的特点,通过对成形工艺和机械运动的研究,有效地避免了干涉问题。同时,采用自主开发的专用软件对路径规划和焊接参数进行控制,简化了机械运动的控制方法。实例分析表明,该系统能够很好地实现复合铣削的电弧增材制造,为提高零件增材制造效率和成形质量提供了一种新的有效途径,验证了该项工艺技术的可行性和有效性。     

航空发动机导管弯头增减结合制造技术研究

针对典型航空发动机钛合金导管弯头零件形状复杂、薄壁、切削加工性差的问题,基于3D打印技术和数控车削技术各自优势,设计了增材制造和减材制造相结合的制造工艺流程,即钛合金导管弯头毛坯制备采用3D打印增材制造技术,解决了复杂异型结构成形难题;导管弯头精加工采用数控切削(减材)加工技术解决了加工精度问题,并优化了该零件3D打印工艺参数和数控车床工装夹具,确保了制造精度和效率,为解决航空发动机钛合金导管弯头工艺难点提供了新的技术思路。     

基于增减材制造的复合加工技术研究

基于增减材制造的复合加工技术融合了增材制造(RP技术)和减材制造技术优势,具有高精度、高效率、高自动化的特点,但国内外针对该技术开展的研究较少。详细阐述了基于增减材制造的复合加工技术原理及特点,并系统分析了国内外基于增减材制造的复合加工技术最新研究进展,最后指出其发展方向。     

增材制造直接分层和路径规划技术研究

以SolidWorks二次开发为基础,采用对三维CAD模型直接分层的方式来实现增材制造的切片分层,提取实体的轮廓数据,提高增材制造精度,免去复杂的曲面求交计算;同时开发了层内路径规划功能模块,对复杂外形零件实现轮廓偏移式和光栅扫描式填充,并提出基于主成分分析的路径优化算法,可以减少路径转折点数量,改善增材制造工艺。     

Inconel 718高温合金增减材复合制造各向异性及切削温度影响分析

结合定向能量沉积增材制造和铣削加工的增减材复合制造不仅可以实现高效加工,而且能够及时消除缺陷,使加工材料达到较高的加工精度,但是制造过程中铣削温度和增减材切换产生的界面对零件性能影响还不明晰。以Inconel 718高温合金为原料制备薄壁结构,对比室温及高温铣削影响,分析其不同朝向的性能。结果表明,竖直方向的综合力学性能低于其他方向,在倾斜45°方向时,高温铣削的性能优于室温铣削,层间增减材复合制造试样获得最大拉伸强度。     

基于加工操作单元的多态蚁群装夹规划方法

针对基于加工特征的计算机辅助装夹规划问题,提出一种基于多态蚁群算法的装夹规划优化方法。根据零件的加工特征,定义了加工操作单元,建立零件的装夹规划模型;接着提出了集成顺序优先约束的多态蚁群求解装夹规划的优化算法。其中顺序优先约束是通过对加工操作单元的划分,实现禁忌加工操作单元的动态调整;多态蚁群算法将局域搜索与全局搜索进行结合,并根据状态转移概率在可行的加工操作单元中进行选择,完成整个装夹路径的规划。最后通过典型零件装夹规划的实例,验证了提出的多态蚁群算法在求解装夹规划问题中的可行性和有效性。     

桌面增减材复合机床的虚拟装配与装配精度检测

基于增材制造技术和减材制造技术的优势,以及微小零件的加工制造需求,设计了1台桌面型增减材复合机床。使用三维建模软件进行机床的结构和参数化设计,并进行了机床的虚拟装配,确保了机床实体的可装配性。针对构建的桌面增减材复合机床原型系统,以螺栓连接为对象,通过实验,分析了螺栓拧紧力矩对机床定位误差的影响,找到合理的拧紧力矩值,提高机床的装配精度和可靠性。     

分层制造与电火花加工集成快速制造金属零件的研究

介绍了金属零件直接快速制造的国内外进展情况，分析了等离子粉末堆焊和电火花放电加工的技术特点与存在的不足，并在此基础上提出了增材制造与EDM复合直接快速制造金属零件的工艺方法，阐明了集成制造的工艺过程、特点及社会经济意义。     

增减材复合数控机床

传统数控机床和3D打印的结合,可以解决3D打印和传统切削加工存在的如增材工艺表面粗糙、切削加工速度慢、复杂构件加工难等等问题,文中主要就增减材复合数控机床进行介绍,以期可以为未来高档数控机床的发展提供借鉴。     

融合帝国竞争与遗传算法的零件加工工艺排序方法

针对计算机辅助工艺规划中的零件加工工艺排序问题,以最小化机床、装夹以及刀具变更次数为优化目标,构建了工艺排序的数学模型,并提出了融合帝国竞争与遗传算法的优化求解方法,将帝国竞争算法输出的较优加工序列作为遗传算法的初始种群,通过融合帝国竞争算法不受初始种群影响的特性和遗传算法的快速收敛能力提升算法求解性能。实验结果表明:混合算法寻找最优解的效果比采用单一算法的效果更好,并且收敛速度更快。     

基于线段拓扑关系的轮廓偏置算法

已有的偏置算法大多限于简单图形,远远达不到真实的增材制造零件的复杂结构要求,因此提出一种基于线段拓扑的轮廓偏置框架。研究了偏置异常的种类和形成机理,提出线段重合、(自)相交、成环、环反向、环失效等多环处理算法,实现了对复杂异常的处理;探究了边界上局部尖角的形成机理和影响,提出修补式光顺算法对邻边夹角进行了优化,基本消除了奇异尖角和空洞缺陷问题,保障了算法的稳定性。使用C++语言编写算法程序,与CGAL几何图形库的偏置算法结果相比,该轮廓偏置方法计算速度更快,且规划的路径更符合加工设备的加工几何特点;与平行线扫描和分区扫描等其他扫描方式进行对比,该轮廓偏置的规划路径总长度相对较小,扫描效率综合更高。     

基于STEP-NC加工工步的优化

研究了基于精英选择遗传算法的加工工步序列优化技术。传统的加工工艺路线是以工序为制造单元,而在基于STEP-NC的加工中,是以加工工步为制造单元,并且面向数控加工中心的一种加工过程,由加工工步变换所带来的零件转位、刀具更换等所消耗的辅助加工时间为最短作为优化目标,来进行加工工步序列的优化,并对加工工步序列的优化算法进行了验证。     

基于Pareto解集蚁群算法的拆卸序列规划

为提高产品拆卸序列规划的效率,分析拆卸序列规划问题中的多个优化目标平衡问题,提出一种基于Pareto解集的多目标蚁群优化算法求解此类拆卸规划问题,并给出拆卸序列的构建过程。通过利用拆卸矩阵推导拆卸可行条件,获得可以执行拆卸操作的零件及其可行的拆卸方向。通过利用零件的轴向包围盒(Axis aligned bounding boxes,AABB)计算零件的拆卸行程。考虑拆卸方向改变次数、拆卸总行程、拆卸零件数量为优化目标,通过利用蚁群算法搜索可行解并计算各个解之间的支配关系,得到Pareto解集,实现求解优化的拆卸序列,给出算法的具体步骤。最后以单杠发动机为拆卸实例,利用所提方法进行拆卸序列规划求解,通过分析试验结果,并对比典型的单目标蚁群规划算法,证明了该方法的高效性和可行性。     

一种增材与减材复合制造机研究

为了综合增材制造与减材加工的优点,研制了一台熔融增材制造与铣削减材复合加工机,采用龙门结构,总体尺寸为700 mm×640 mm×780 mm。该机床有3个直线轴和一个回转轴,控制系统采用MACH3控制系统。机床结构采用有限元软件Abaqus进行了优化和分析,并制造了样机。针对PEEK材料脊柱融合器,在该样机上进行了增材与减材制造,验证了所研发机床的性能以及该复合制造机床在医疗PEEK材料增减材制造的潜力。