等离子熔积直接制造中的铣削光整技术
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・ 航空制造技术 A C C D年第E期
B ?
科技成果 ・ 学术论文
接口程序， 实现了两种代码的自动转换， 大大提高了编 程效率。图!表示机代码生成路线。 表" 数控指令格式要求
# $ 圆弧指令 ； $ % !&’ ! %( ! %) * %+ ’ " % $ % !&’ * %( , % （ 、 ) +值相同即缺省） 机床圆弧指令 ； $ % !&’ ! %( ! %) * %+ ’ " %
图8 齿进给9切削速度关系曲线 " # % 8 : * ; 1 2 # ( 3 + # < ’ = *> * 2 ? * * 3 $ .) , * * / @ * ’ @ 2 ( ( 2 -1 3 /0 # ; ; # 3 + * * / . $ .
! 熔积成形与铣削光整复合工艺
对于熔积成形后难以进行表面加工的零件， 可将 熔积成形与铣削光整工艺复合。为此， 本研究初步探 讨了此项复合工艺的可行性， 即在熔积成形一层或多 层后对熔积层铣削加工， 这样既可以去除熔积层表面 的焊渣和氧化膜， 也可以通过铣削进行表面光整。 成形加工试验按表 A 中所示的条件进行， 结果表 明： 采用以上工艺条件， 避免了前述的缺陷， 刀具磨损 及变形很小， 加工表面质量好， 达到了较好的效果。图 由此证明 B为采用复合工艺制作的中空中凸的零件，
径向切深 齿进给% ／ 5 ／ 0 0 （每齿） ’ 0 * 0 6 % A 6 % 6 7 7
C D % " * 7 ! E
图! 切屑变形过程 " # % ! & ’ ( ) * + + ( , ) # * , ( ’ 0 1 2 # ( 3 $ ./ 要求。在诸多参数中， 齿进给对于表面精度有重要影 响， 而齿进给与切削速度密切相关。 由公式 （ ） 和切削速度公式可得齿进给与切削速 4 度关系式：
H I 0 3 ! , J
" " %
% 0 !
! 铣削刀具及工艺参数
! " # 铣削刀具 考虑到在熔积时热状态下干加工的工艺条件， 刀 具必须满足干铣削和热铣削等方面的要求。因此要求 刀具硬度高， 红热硬性好， 耐磨性高， 韧性好。由于单 一涂层材料无法满足对刀具综合机械性能的要求， 故 应使用综合利用各种涂层成分优点的多渗层涂层刀 具。 第一 ? . 1 ’? . 1 =’? . = 复合涂层硬质合金刀具， 层的 ? 与硬质合金基体结合紧密， 涂层不易脱落； 第 . 1 二层的 ? 它兼有 ? 在 . 1 = 为过渡层， . 1和 ? . = 的特性， 第一层与第三层之间起缓冲作用； 第三层的 ? . = 利用 其硬度提高刀具的耐磨性， 延长刀具寿命。因此该涂 层刀片拥有很好的耐磨、 耐高温性能， 比较适合熔积成 形件的复合铣削加工。图*为该刀具的外观。
图B 熔积复合机床简图 C # 7 B @ . & # $ / 2 4 4 1 , 4 ) & ( ) # *3 1 " 0 -* / 4 " # 2 # 4 $ % ’ 3 ? @ A 铣削机代码转换程序设计 本课题选用能够满足复杂结构， 特别是自由曲面 零件 的 实 体 建 模、 辅 助 加 工、 机代码输出的 ! D的 ／ E F A E F@ 软件模块。但用于本制造过程需要解决由 生成的机代码向本系统的数控机床机代码转换的 ! D 问题， 如程序段号、 指令格式和数字精度等级， 特别是 在圆弧指令 D ， G H D G I方面， ! D 采用缺省的编译方法， 但本数控机床的编译系统要求代码包括所有的指令单 元 （J， ， ） ， 如表B所示。 K， L M 为了适应圆弧指令使用频率高的环境， 本课题运 设计了 ! 用N E 开发工具， D 与研究室机床机代码的
科技成果 ・ 学术论文
等离子熔积直接制造中的铣削光整技术
! " # $ % & ’( ) * ) + , ) * ) / / ) * ) *0 ) # ’ & 1. % * " $ % & 1 " # ) * $3 / % + 4 %0 ’ 2 + ) 1 ) 2 * -. -2 5
华中科技大学材料学院模具国家重点实验室 ［摘要］ 将铣削表面光整与等离子熔积直接成形 技术相结合， 研究了如何选择复合铣削光整加工用的 刀具， 以及齿进给、 切削速度对零件表面粗糙度的影 响； 探讨了进行熔积成形与铣削光整复合的可行性。 关键词：等离子熔积直接成形 刀具 表面粗糙 度 ］ ! ［6 7 ! 8 9 6 : 8 " # $ ( ) # *" + ) , . /, # $ # " & # $ % & ’ % ， 0 # 1 1 # $ $ ** # ) / . 2 1 " 0 -* / 4 " # 2 # 4 $2 / . & $ # + /2 & / . + 2 6 %3 3 5 2 / ) " / 1 / . 2 / * , 4 ) & ( ) # * " + ) , . / , # $ # " & # $ # 1 1 # $ $ * / , , / . 2 ’ %0 % 4 , , / / * 6 / ) 6 2 4 4 2 &$ *0 # 1 1 # $ / / *4 $2 & /3 ) 2" + ) , . / 3 %" 3 ) 4 + & $ / " " ) / " 2 + * # / * 7 8 & / , / " # ( # 1 # 2 4 , 2 & / & ( ) # * 1 " 6 % ’ ’ 3 0 -* / 4 " # 2 # 4 $$ *" + ) , . / , # $ # " & # $ # 1 1 # $ / . & $ # + / # " 3 %0 %2 5 * # " . + " " / * 7 ：0 ; ’ = 2 # > + ) # ’ & 15 / % + 4 %> ’ 2 + ) 1 ) 2 * : " 1 1 ’ # < 5 ! " # $ % & ’ # 2 " , * ’ + + 金属零件及模具的直接快速制造是快速成形技术 （9 ） 的重要发展方向。该技术要解决的关键问题是 : 如何提高零件或模具的表面精度和制造效率以及如何 保证其综合性能、 质量， 从而能够直接快速地制造耐 久、 高精度和表面质量满足批量生产要求的金属零件 和模具。 业已出现的直接制造致密度高的金属原型快速成 ） 、 金属薄板层叠 形技术主要有： 激光近终成形 （; < = > （; 等， 然而这些方法都基于层积成形原理， 不可 ?@） 避免地要产生侧表面阶梯效应， 导致出现精度和表面 以及激光熔敷 质量不高的问题。形状沉积制造 （> A@） 技术， 将铣削与成形技术相复合， 在解决金属快速原型 表面台阶效应方面作了有益的尝试， 但该方法尚局限 于简单形状的原型制造。 等离子熔积直接制造具有成本低， 快速制造金属 或难熔难加工材料的零件， 不受熔积材料限制， 组织致 密等优点， 但由于分层和高温熔积成形的影响， 也同样 产生台阶效应并带来精细轮廓的损失， 致使成形件尺 ［ ］ B 。 寸和表面精度未能达到使用要求 为在上述工艺领域有所探索， 本课题提出在成形 过程中采用复合铣削技术对成形件进行光整加工， 根 据不同的零件结构、 材料和尺寸精度选用合适的加工 张海鸥 游 俊 王桂兰 熊新红
表! 齿进给与表面粗糙度关系的试验条件
图! 机代码生成流程图 . 0 ! 1 2 3 4 5 . 6 7 8 9 6 : ; < 4 2 5 6 81 = 1; 6 > 3 /
材
料
切削速度
轴向切深
径向切深 ／ C ’ 3 C % 0 *
’ "） ／ C ／ （ ・. ’ 7 # G C ; C C
加工刀具 %C C的 !" @ A 1 B 刀具
! " ! 工艺参数 ! 0 ! 0 " 齿进给对表面粗糙度的影响 齿进给由刀具转速、 进给速度以及齿数决定， 计算 公式如下：
$ % !&’ * %( , %) * %+ ’ " %+ ’ " % （ 、 ) +值可重复但不能缺省）
# 8 ， （ ） " %& 7 式中， 为齿进给， 为刀具进给速度， # $ 为刀具转 ! E 8 为刀具齿数。 速， & 7 在表!所示的试验条件下改变齿进给， 得到齿进 给与表面粗糙度的关系曲线， 如图F所示。 ! E" $
#)$!$! , ， （ ） 7 & 4 6 6 6 $ $ % 5 3 为切削速度， 式中， ! #) 为刀具直径。 ) 如果齿进给与切削速度搭配不当不但会降低表面 精度， 还会加快刀具的损耗。为找出齿进给与切削速 度的匹配关系， 试验仍以表面粗糙度作为检验指标。 通过不同齿进给和不同切削速度的试验， 得出图 8齿进给9切削速度关系曲线。 ! )"
图B 采用复合工艺制作的中空中凸零件 " # % B F ( ; ; ( ?1 3 /) ( 3 = * D. 1 ’ 2 , 1 > ’ # ) 1 2 * /> $ G > ’ # /. ; 1 + 0 1/ * ( + # 2 # ( 31 3 /0 # ; ; # 3 G . $
" 结论
本课题针对等离子熔积直接制造中的铣削光整技 术要求， 对光整加工中的刀具选择、 零件表面粗糙度的 影响参数以及熔积成形与铣削光整复合工艺可行性等 方面进行了研究， 得出以下结论： ） 复合涂层硬质合金刀具能够适应干铣削、 热铣 （ 4 削等方面的综合要求， 可用于等离子熔积直接制造中 的铣削光整。 （ ） 对影响高速铣削表面粗糙度的齿进给和切削 7 速度两个重要因素进行的研究表明： 合适的齿进给量 ／ 齿； 为提高表面精度， 可以适当 约为6 % 6 7 " 6 % 6 7 !0 0 减小齿进给量和切深， 但同时应适当提高主轴切削速 度。 （ ） 进行等离子熔积成形和表面铣削复合加工试 A 验， 制作了中空中凸零件， 表明本课题提出的熔积成形 与铣削光整复合工艺是可行的。 参 考 文 献
［ ］ ! ， 而切削厚度’ 之增加， 变形系数#减小 ;和变形系数 ( E 的增大。 E 的增加使振 # 的综合影响将导致切削力( 动加剧及积屑瘤产生， 致使试件的表面粗糙度值提高。 ! P ! P ! 齿进给与切削速度的关系
图* @ A 1 B 立铣刀 . 0 * @ A 1 B3 7 >C . 9 9 . 7 D 5 5 3 2 / /;
! % % &年第来自百度文库期 $ ! 航空制造技术・
在数控高速铣削中， 对于粗加工、 半精加工和精加 工应采用不同的铣削参数才能高效地达到预期的加工
科技成果 ・ 学术论文
了该工艺的可行性。 表A 熔积与铣削复合加工试验条件
材 料 切削速度 ／ （ ・# 3 ! ) 0 0 4 7 6
9 4）
轴向切深 ／ 0 ’ . 0 6 % 7
图F 表面粗糙度’齿进给关系曲线 . 0 F K 3 9 4 5 . 6 7 L < . ; D 2 M 3 N 3 5 : 3 3 7 2 6 D < 7 3 L L / G / 4 7 > 8 3 3 > O 3 2 O 5 6 6 5 < G 由图F可知， 当齿进给过低时， 粗糙度值高。这可 能是因为此时前刀面的切屑主要变形过程为挤压变 形， 摩擦力增大， 引起振动影响表面质量。而当齿进给 大于% ／ 齿后， 随着齿进给的增大， 工件的表面 0 % ! , C C 粗糙度值也会随之提高。 由主切削力 ( E 的计算公式可知， （ " ) F ( E ""%’ ;%’ :% #*+） ， 式中， ( " 为材料的剪切屈服强度， ’ E 为主切削力， ;为 切削厚度， ’: 为切削宽度， + 为与 # 为切削变形系数， 刀具有关的系数。 如图,所示， 随着齿进给的增加，切削厚度 ’ ;随
刀具、 工艺路线， 研究铣削工艺参数对零件表面质量的 影响， 将合适的铣削工艺条件用于实际加工过程， 探讨 将熔积成形与铣削光整这两种工艺加以复合的可行 性。
? 试验条件
? @ ? 试验机床 等离子熔积直接制造是在单层或多层等离子熔积 成形后， 进行复合光整加工， 并将此复合工序反复进行 直至得到最终零件的制造工艺。本研究项目开发的制 造系统由一台数控机床上的两套加工子系统组成， 图 左侧的可旋转加工头为等离子喷枪， 右 B为机床简图， 侧的加工头为铣削主轴。复合制造时， 由机床导轨 !、 可进行五轴 "、 # 轴的运动来实现两工位的交替工作， 联动数控加工。
B ?
科技成果 ・ 学术论文
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! 熔积成形与铣削光整复合工艺
对于熔积成形后难以进行表面加工的零件， 可将 熔积成形与铣削光整工艺复合。为此， 本研究初步探 讨了此项复合工艺的可行性， 即在熔积成形一层或多 层后对熔积层铣削加工， 这样既可以去除熔积层表面 的焊渣和氧化膜， 也可以通过铣削进行表面光整。 成形加工试验按表 A 中所示的条件进行， 结果表 明： 采用以上工艺条件， 避免了前述的缺陷， 刀具磨损 及变形很小， 加工表面质量好， 达到了较好的效果。图 由此证明 B为采用复合工艺制作的中空中凸的零件，
径向切深 齿进给% ／ 5 ／ 0 0 （每齿） ’ 0 * 0 6 % A 6 % 6 7 7
C D % " * 7 ! E
图! 切屑变形过程 " # % ! & ’ ( ) * + + ( , ) # * , ( ’ 0 1 2 # ( 3 $ ./ 要求。在诸多参数中， 齿进给对于表面精度有重要影 响， 而齿进给与切削速度密切相关。 由公式 （ ） 和切削速度公式可得齿进给与切削速 4 度关系式：
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! 铣削刀具及工艺参数
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图B 熔积复合机床简图 C # 7 B @ . & # $ / 2 4 4 1 , 4 ) & ( ) # *3 1 " 0 -* / 4 " # 2 # 4 $ % ’ 3 ? @ A 铣削机代码转换程序设计 本课题选用能够满足复杂结构， 特别是自由曲面 零件 的 实 体 建 模、 辅 助 加 工、 机代码输出的 ! D的 ／ E F A E F@ 软件模块。但用于本制造过程需要解决由 生成的机代码向本系统的数控机床机代码转换的 ! D 问题， 如程序段号、 指令格式和数字精度等级， 特别是 在圆弧指令 D ， G H D G I方面， ! D 采用缺省的编译方法， 但本数控机床的编译系统要求代码包括所有的指令单 元 （J， ， ） ， 如表B所示。 K， L M 为了适应圆弧指令使用频率高的环境， 本课题运 设计了 ! 用N E 开发工具， D 与研究室机床机代码的
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表! 齿进给与表面粗糙度关系的试验条件
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" 结论
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在数控高速铣削中， 对于粗加工、 半精加工和精加 工应采用不同的铣削参数才能高效地达到预期的加工
科技成果 ・ 学术论文
了该工艺的可行性。 表A 熔积与铣削复合加工试验条件
材 料 切削速度 ／ （ ・# 3 ! ) 0 0 4 7 6
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轴向切深 ／ 0 ’ . 0 6 % 7
图F 表面粗糙度’齿进给关系曲线 . 0 F K 3 9 4 5 . 6 7 L < . ; D 2 M 3 N 3 5 : 3 3 7 2 6 D < 7 3 L L / G / 4 7 > 8 3 3 > O 3 2 O 5 6 6 5 < G 由图F可知， 当齿进给过低时， 粗糙度值高。这可 能是因为此时前刀面的切屑主要变形过程为挤压变 形， 摩擦力增大， 引起振动影响表面质量。而当齿进给 大于% ／ 齿后， 随着齿进给的增大， 工件的表面 0 % ! , C C 粗糙度值也会随之提高。 由主切削力 ( E 的计算公式可知， （ " ) F ( E ""%’ ;%’ :% #*+） ， 式中， ( " 为材料的剪切屈服强度， ’ E 为主切削力， ;为 切削厚度， ’: 为切削宽度， + 为与 # 为切削变形系数， 刀具有关的系数。 如图,所示， 随着齿进给的增加，切削厚度 ’ ;随
刀具、 工艺路线， 研究铣削工艺参数对零件表面质量的 影响， 将合适的铣削工艺条件用于实际加工过程， 探讨 将熔积成形与铣削光整这两种工艺加以复合的可行 性。
? 试验条件
? @ ? 试验机床 等离子熔积直接制造是在单层或多层等离子熔积 成形后， 进行复合光整加工， 并将此复合工序反复进行 直至得到最终零件的制造工艺。本研究项目开发的制 造系统由一台数控机床上的两套加工子系统组成， 图 左侧的可旋转加工头为等离子喷枪， 右 B为机床简图， 侧的加工头为铣削主轴。复合制造时， 由机床导轨 !、 可进行五轴 "、 # 轴的运动来实现两工位的交替工作， 联动数控加工。