專利名稱：一種金屬零件的分層制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工領(lǐng)域的分層制造的方法，具體地說(shuō)是一種金屬零件的分層制造方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，在零件制造領(lǐng)域越來(lái)越多的用到快速制造技術(shù)。基于快速原型的快速金屬產(chǎn)品與模具制造技術(shù)可分為直接快速制造技術(shù)和間接快速制造技術(shù)，其分類如圖1所示。間接制造技術(shù)有精密鑄造成形、電鑄成形、金屬沉積成形和粉末冶金成形等幾種，間接制造技術(shù)由于需要工藝轉(zhuǎn)換，周期長(zhǎng)，且存在精度損失，難以制造出高精度、表面質(zhì)量好的模具。直接制造技術(shù)有金屬板材疊加成形、金屬粉末堆積成形、金屬絲材熔融堆積、金屬微滴沉積成形和氣相沉積成形等幾種，金屬粉末堆積成形工藝只能使用極其有限的成形材料，另外由于實(shí)施時(shí)采用的激光燒結(jié)設(shè)備昂貴，難以降低制造成本。熔融堆積金屬(黑色金屬、有色金屬以及其它耐高溫合金等)工藝的難度決定了其也難以迅速商品化。
相對(duì)于其它直接制造技術(shù)，金屬板材疊加成形具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在分層制造工藝中，現(xiàn)有的一個(gè)主要問(wèn)題是金屬板材之間的連接問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)中，分層制造的金屬板材疊加成形主要是通過(guò)激光切割、電弧焊接或粘接劑粘結(jié)金屬片材成形金屬件，電弧焊接耗費(fèi)功率大，焊接時(shí)產(chǎn)生的電弧高溫使得金屬片材熔融變形，造成零件的加工精度降低，并且，對(duì)于金、銀、銅、鋁等具有高電導(dǎo)率或熱導(dǎo)率的金屬，由于電導(dǎo)率大，難以形成高溫，或者因?yàn)闊釋?dǎo)率高，形成的高溫?zé)崃亢苋菀妆粚?dǎo)走，因此不易使金屬熔融，也不易焊接成功；用粘接劑粘結(jié)金屬片材的缺點(diǎn)是形成的金屬零件強(qiáng)度低，兩層金屬片材之間容易產(chǎn)生開(kāi)裂，從而影響金屬零件的整體性能，難以滿足實(shí)際的技術(shù)要求。
超聲波焊接是新興的一種焊接技術(shù)，它是利用超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)能量，連接同種或異種金屬、半導(dǎo)體、塑料及金屬陶瓷等的特殊焊接方法。金屬超聲波焊接時(shí)，既不向工件輸送電流，也不向工件引入高溫?zé)嵩?。接頭間的冶金結(jié)合是在母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的，因而是一種固態(tài)焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可適用于多種組合材料的焊接，容易焊接高熱導(dǎo)率及高電導(dǎo)率的材料。金、銀、銅、鋁等材料在電阻點(diǎn)焊中是比較難焊的，但在使用超聲波焊接時(shí)，這些金屬成為最容易焊接的幾種材料。超聲波焊接耗用功率僅為電阻點(diǎn)焊的5％左右，焊件變形小于3-5％，焊點(diǎn)強(qiáng)度及穩(wěn)定性平均提高約15-20％，對(duì)工件表面的清潔度要求不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于制造精度高、性能好的金屬零件的分層制造方法，該方法操作簡(jiǎn)便、耗功小、實(shí)現(xiàn)成本低。
本發(fā)明的金屬零件分層制造方法包括以下步驟A.建立零件的計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型；B.將建立的模型z向離散化；C.根據(jù)離散后的數(shù)據(jù)輸送金屬片；D.利用超聲波焊接將該金屬片與前一層金屬片焊接在一起；E.按照層片信息將焊接好的金屬片去除加工；F.重復(fù)步驟C～步驟E，直至零件加工完成。
所述對(duì)層片信息進(jìn)行處理是指，取得每層模型的邊界坐標(biāo)，由所述邊界坐標(biāo)生成對(duì)該層金屬片的加工曲線。
作為對(duì)本發(fā)明的金屬零件的分層制造方法中輸送金屬片材步驟的一種優(yōu)選，將工作臺(tái)向下移動(dòng)一層金屬片厚度的距離，將金屬片橫向運(yùn)送到工作臺(tái)上方。
所述將金屬片去除加工時(shí)，水平移動(dòng)工作臺(tái)，利用銑刀銑去金屬片中要去除的部分。
為了達(dá)到更好的焊接效果，在所述用超聲波焊接時(shí)采用以下工藝條件功率為600-1000W，振動(dòng)頻率為25-40kHz，焊接時(shí)間和定型時(shí)間為0.1-2秒，焊接壓力為0.1-2MPa。
超聲波焊接耗用功率僅為電阻點(diǎn)焊的5％左右，焊件變形小于3-5％，焊點(diǎn)強(qiáng)度及強(qiáng)度穩(wěn)定性平均提高約15-20％，對(duì)工件表面的清潔度要求不高。因此，利用超聲波焊接實(shí)現(xiàn)片材連接，采用去除加工技術(shù)在每層切割出零件或模具的形狀，層層堆積與加工，可以獲得高質(zhì)量的制件。
本發(fā)明的金屬零件的分層制造方法所產(chǎn)生的有益效果是(1)在成形過(guò)程中，材料不存在相變問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)快速成形制造中因相變引起的收縮、應(yīng)力與應(yīng)變等問(wèn)題；(2)不需要在高溫下成形，一般是材料熔點(diǎn)的30～50％溫度范圍內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)材料之間的固態(tài)牢固結(jié)合，不需要熔化材料，因此節(jié)省能源，保證了工作環(huán)境，降低了環(huán)境污染；(3)采用二維平面加工實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件與模具的快速制造，降低了制造難度與對(duì)數(shù)控系統(tǒng)高維制造的要求；(4)對(duì)成形材料沒(méi)有特殊的要求，從材料上也降低成本與拓寬了可推廣應(yīng)用的領(lǐng)域；(5)對(duì)成形室的溫度、濕度等環(huán)境條件沒(méi)有特殊要求，設(shè)備不需要必須放置在溫度相對(duì)穩(wěn)定的車間內(nèi)，如傳統(tǒng)的RP工藝必須使用空調(diào)器保持工作間的溫度與空氣濕度；(6)由于克服相變、熱膨脹、收縮等弊端，直接制造大型工件與模具成為可能。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中金屬產(chǎn)品與模具快速制造技術(shù)的分類示意圖；圖2為本發(fā)明的金屬零件分層制造方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)兩個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例一利用本發(fā)明制造一個(gè)10×10×10cm銅質(zhì)立方體零件。
步驟201利用計(jì)算機(jī)建立10×10×10cm的立方體模型；步驟202將上述步驟中建立的模型Z向離散化，即將立方體模型分成厚度為1mm的層狀模型，共100層，每層的形狀都為10×10cm的正方形；步驟203步驟202中所分的層片進(jìn)行信息處理，取得每層模型的邊界坐標(biāo)，利用這些邊界坐標(biāo)形成每層要加工的曲線，在本實(shí)施例中，加工曲線為10×10cm的正方形；步驟204將工作臺(tái)向下移動(dòng)1mm，將準(zhǔn)備好的厚度為1mm的銅片材從水平方向輸送到工作臺(tái)上；步驟205判斷該層是否是第一層，如果是，直接進(jìn)行步驟207，否則進(jìn)行步驟206；步驟206利用超聲波焊接機(jī)將該層銅片材與上一層銅片材焊接到一起，焊接時(shí)采用的工藝參數(shù)為功率990W，振動(dòng)頻率為40kHz，焊接時(shí)間和定型時(shí)間為1秒，焊接壓力為1MPa；步驟207根據(jù)步驟203中形成的加工曲線水平移動(dòng)工作臺(tái)，利用銑刀將銅片材中10×10cm以外的部分去除；步驟208判斷是否所有層全部加工完畢，如果不是，重復(fù)步驟204～207，直到所有層全部加工完畢，最后得到10×10×10cm的銅質(zhì)立方體零件。
實(shí)施例二利用本發(fā)明制造一個(gè)直徑為10cm的鋁質(zhì)球形零件。
步驟201利用計(jì)算機(jī)建立直徑為10cm的球體模型；
步驟202將上述步驟中建立的球體模型Z向離散化，即將球體模型分成厚度為1mm的層狀模型，共100層，每層的形狀為直徑d(i)m的圓形，其中i為層的序號(hào)；步驟203步驟202中所分的層片進(jìn)行信息處理，取得每層模型的邊界坐標(biāo)，利用這些邊界坐標(biāo)形成每層要加工的曲線，在本實(shí)施例中，第i層的加工曲線為直徑d(i)mm的圓形，其中d(i)＝2[502-(50-i)2]1/2mm，(1≤i≤50)d(i)＝2[502-(i-50)2]1/2mm，(50≤i≤100)；步驟204將工作臺(tái)向下移動(dòng)1mm，將準(zhǔn)備好的厚度為1mm的鋁片材從水平方向輸送到工作臺(tái)上；步驟205判斷該層是否是第一層，如果是，直接進(jìn)行步驟207，否則進(jìn)行步驟206；步驟206利用超聲波焊接機(jī)將該層鋁片材與上一層鋁片材焊接到一起，焊接時(shí)采用的工藝參數(shù)為功率600W，振動(dòng)頻率為25kHz，焊接時(shí)間和定型時(shí)間為0.1秒，焊接壓力為0.1MPa；步驟207根據(jù)步驟203中形成的加工曲線水平移動(dòng)工作臺(tái)，利用銑刀將該層鋁片材的直徑為d(i)mm的圓形以外的部分去除；步驟208判斷是否所有層全部加工完畢，如果不是，重復(fù)步驟204～207，直到所有層全部加工完畢，最后得到直徑為10cm的鋁質(zhì)球形零件。
實(shí)施例三利用本發(fā)明制造一個(gè)10×10×10cm鋁質(zhì)立方體零件。
步驟201利用計(jì)算機(jī)建立10×10×10cm的立方體模型；步驟202將上述步驟中建立的模型Z向離散化，即將立方體模型分成厚度為0.1mm的層狀模型，共100層，每層的形狀都為10×10cm的正方形；步驟203步驟202中所分的層片進(jìn)行信息處理，取得每層模型的邊界坐標(biāo)，利用這些邊界坐標(biāo)形成每層要加工的曲線，在本實(shí)施例中，加工曲線為10×10cm的正方形；步驟204將工作臺(tái)向下移動(dòng)0.1mm，將準(zhǔn)備好的厚度為0.1mm的鋁質(zhì)片材從水平方向輸送到工作臺(tái)上；步驟205判斷該層是否是第一層，如果是，直接進(jìn)行步驟207，否則進(jìn)行步驟206；步驟206利用超聲波焊接機(jī)將該層鋁片材與上一層鐵片材焊接到一起，焊接時(shí)采用的工藝參數(shù)為功率800W，振動(dòng)頻率為33kHz，焊接時(shí)間和定型時(shí)間為2秒，焊接壓力為2MPa；步驟207根據(jù)步驟203中形成的加工曲線水平移動(dòng)工作臺(tái)，利用銑刀將鋁片材中10×10cm以外的部分去除；
步驟208判斷是否所有層全部加工完畢，如果不是，重復(fù)步驟204～207，直到所有層全部加工完畢，最后得到10×10×10cm的鋁質(zhì)立方體零件。
權(quán)利要求
1.一種金屬零件的分層制造方法，其特征在于，包括以下步驟A.建立零件的計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型；B.將建立的模型z向離散化；C.對(duì)層片信息進(jìn)行處理；D.根據(jù)離散后的數(shù)據(jù)輸送金屬片；E.利用超聲波焊接將該金屬片與前一層金屬片焊接在一起；F.按照層片信息將焊接好的金屬片去除加工；G.重復(fù)步驟D～步驟F，直至零件加工完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的分層制造方法，其特征在于，所述對(duì)層片信息進(jìn)行處理的方法是，取得每層模型的邊界坐標(biāo)，由所述邊界坐標(biāo)生成對(duì)該層金屬片的加工曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的分層制造方法，其特征在于，所述輸送金屬片的方法為，將工作臺(tái)向下移動(dòng)一層金屬片厚度的距離，將金屬片橫向運(yùn)送到工作臺(tái)上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的分層制造方法，其特征在于，所述將金屬片去除加工時(shí)，水平移動(dòng)工作臺(tái)，利用銑刀銑去金屬片中要去除的部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的分層制造方法，其特征在于，如果輸送的金屬片為金屬零件的第一層，直接進(jìn)行金屬片去除加工的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的金屬零件的分層制造方法，其特征在于，所述的利用超聲波焊接所采用的工藝條件是功率為600-1000W，振動(dòng)頻率為25-40kHz，焊接時(shí)間和定型時(shí)間為0.1-2秒，焊接壓力為0.1-2MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬零件的分層制造方法，屬于一種機(jī)械制造領(lǐng)域的分層制造技術(shù)。它的工藝步驟是，建模、離散化模型、處理層片信息；根據(jù)數(shù)據(jù)文件，采用材料輸送裝置輸送層狀材料；采用超聲波焊接技術(shù)將相鄰兩層材料焊接到一起；按照層片信息將焊好的材料進(jìn)行層面去除加工，加工過(guò)程中工件可實(shí)現(xiàn)水平及豎直方向的移動(dòng)；進(jìn)行下一層的加工直至完成全部層。由于本發(fā)明采用了超聲波焊接，而超聲波焊接具有功耗小、焊件變形小、焊點(diǎn)強(qiáng)度及穩(wěn)定性高，因此通過(guò)本發(fā)明的方法制造的零件精度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固、不易開(kāi)裂，并且制造時(shí)對(duì)環(huán)境的要求低，制造成本低。
文檔編號(hào)G06F17/50GK1907643SQ20061011250
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者單忠德, 南光熙, 劉紅旗, 徐明君 申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究總院