激光选区熔化/CNC增减材复合制造装备设计与工艺初步研究

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增材制造技术作为先进的制造技术,它的出现推动了传统制造模式的改变,使面向制造的设计逐步转变为了面向功能的制造。随着增材制造技术的规模化和产业化,成形零件的尺寸精度低,表面光洁度差,以及悬垂结构和随形流道内部表面难以加工等问题越来越突出,这极大地限制了增材制造技术在航空、航天、汽车、模具等领域地进一步发展。激光选区熔化/CNC增减材复合制造技术是在激光选区熔化工艺的基础上引入CNC减材工艺,实现两种工艺在同一装备上的集成。其不仅具有激光选区熔化技术的材料利用率高,易于成形复杂结构件的优点,还兼顾了CNC减材技术的高精度,高表面质量等优点,为复杂高精密零件的制造提供了新的思路。为了扩大增材制造技术,尤其是激光选区熔化技术的应用领域,研究以激光选区熔化/CNC增减材复合制造工艺过程为核心的装备设计方案有着重要的意义。为此本文从其工艺原理出发,研究并设计了相应的制造装备。主要工作如下:(1)基于对激光选区熔化/CNC增减材复合制造工艺过程的分析,本文得到了装备的子系统和工艺过程的关系,为装备的开发提供模块化的设计思路。将装备的机械系统分为五个子系统:铺粉系统、激光扫描系统、CNC铣削系统、成形平台升降系统和辅助系统。针对各个子系统的功能提出多种技术实现方案。(2)对激光扫描系统进行了原理分析,完成了激光器的选型和光路传输系统的方案制定,并根据制定的激光扫描系统设计了可调平的光学承载平台;设计了一款送粉-铺粉组合式的双向铺粉系统,实现了精确落粉,提高了铺粉效率。并且为了减小工作腔室的占用空间,设计了一款简便的溢粉回收装置;通过对不同缸体和传动方式的比较分析,设计了安全可靠的成形平台升降装置;从除氧方案选择、循环过滤系统设计和氧含量监测方法设计三方面来完成了气体保护系统设计。(3)根据CNC铣削机床的实际工作要求确定了机床的主要技术参数,并完成了机床的总体方案设计。对机床的主要部件进行相应的选型设计,包括滚珠丝杆、伺服电机的选型设计以及其他关键部件的设计。(4)最后,完成了样机的铺粉和供粉速度的标定。同时在参数优化后的样机上进行了打印实验,对打印的样品进行了相对理论密度和表面粗糙度的测量。
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