一种连接3D打印与机械加工的装夹方法与流程

一种连接3d打印与机械加工的装夹方法
技术领域
1.本发明属于精密机械加工领域，具体涉及一种连接3d打印与机械加工的装夹方法。


背景技术：

2.激光选区熔化技术(selective laser melting，slm)因具有高柔性、快速成形、不受零件形状复杂程度的约束等优势而深受航空航天领域研究人员的青睐。零件为薄壁异形件，壁厚仅有1mm，受3d打印设备成型极限尺寸的影响，在壁厚≤1mm时，极难以成型，成型表面质量较差、打印过程中极易发生翘曲变形，卡刀、导致打印失败，即使打印成功后处理去除支撑时因支撑强度高于零件，易导致零件变形甚至掰断，采用3d打印成型薄壁异形复杂结构件的方法风险较大；受激光选区熔化加工方式局限性，成型精度满足不了零件使用要求，高精度配合面往往需要后续机械加工。3d打印件加工余量较小，一般小于1mm，如何简单高效精准实现3d打印件的装夹定位，一直是较难解决的技术难题，零件越复杂，越难精确定位。目前比较常见的方法是将打印基板作为零件的一部分，用于机械加工装夹定位，但是零件在基板的打印位置无法精确定位；零点底面一般是通过支撑连接到基板，零件底部的特征无法通过基板一次装夹加工，零件从基板去除后无法精确装夹和定位。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题：
4.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种连接3d打印与机械加工的装夹方法，设计了一种简单、高效的用于复杂异形薄壁结构件精确定位和装夹的工艺柄，用于3d打印件后续机械加工过程中的装夹和定位。该发明不仅能保证复杂异形薄壁件打印过程中不发生翘曲变形、不卡刀，提高薄壁件的打印成功率和质量；还能快速高效实现3d打印件在后续机械加工中的精确定位和装夹，省略钳工划线工序，简化工艺流程，缩短加工周期。
5.本发明的技术方案是：一种连接3d打印与机械加工的装夹方法，其特征在具体步骤如下：
6.步骤1：模型设计；
7.基于零件结构建立3d打印零件模型，所述零件模型包括结合为一体的零件主体和工艺柄，工艺柄沿零件主体的周向设置，外轮廓为便于定位的矩形结构；
8.所述工艺柄的长度方向与打印方向垂直或平行，底部直接与打印基板接触；
9.步骤2：模型打印；
10.首先，根据零件模型结构特征设定打印工艺参数，并设计支撑；然后，将设计好的工艺文件导入设备进行3d打印；最后，将打印完的零件按3d打印后处理工序进行处理，得到3d打印毛坯件；
11.步骤3：机械加工；
12.首先，根据零件的位置对工艺柄进行加工，保证装夹基准的平面度，保证定位基准
位置准确；然后，将加工后的工艺柄作为后续精加工的装夹基准，完成零件的精确加工。
13.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，在模型设计之前需要确定零件摆放方案，根据3d打印的工艺特点，需要对复杂薄壁异型零件进行3d打印摆放设计，确定最终摆放方案。
14.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，对零件模型进行局部优化：将局部细小特征去除，即螺纹孔、光孔、小尖角、凸台的去除；更改倒角或横孔的形状便于3d打印。
15.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，零件模型的整体贴量为0.5mm，
16.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，对于薄壁异形零件的工艺柄设置：在薄壁异形零件和矩形框架工艺柄之间沿周向设置连接板，通过连接板将薄壁异形零件与工艺柄连接为一体结构；所述连接板位于薄壁异形零件的竖直切面面上。
17.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，对于薄壁管件的工艺柄设置：所述工艺柄为长方体结构，上表面与薄壁管件的一侧端口贴合，下表面作为定位基准。
18.本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，对于复杂异形薄壁件选用小层厚烧结参数，能够成形较好的内部质量和表面粗糙度。
19.本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，对添加完支撑的零件模型进行工艺过程仿真，优化，仿真迭代直至满足打印要求。
20.本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，在进行工艺柄加工时采用虎钳装夹的方式，扫平工艺柄，保证平面度0.01以内，作为后续进行零件机械加工的基准。
21.有益效果
22.本发明的有益效果在于：本发明设计的工艺柄不仅能保证复杂异形薄壁件打印过程中不发生翘曲变形、不卡刀，提高薄壁件的打印成功率和质量；还能快速高效实现3d打印件在后续机械加工中的精确定位和装夹，省略钳工划线工序，简化工艺流程，缩短加工周期。本发明适用于所有壁厚在1-2mm、不易装夹进行机械加工的复杂异形薄壁结构零件的3d打印和机械加工一体化成形。
23.因此，本发明对于应用3d打印加工复杂薄壁异形零件具有较强的指导意义，可极大的方便此类零件的工艺设计、打印过程规划、零件形状稳定性控制等，缩短产品的研发生产周期，降低生产成本，具有广泛的推广应用价值。
附图说明
24.图1是本发明薄壁异形零件四周添加工艺柄前后模型对比示意图；
25.图2是本发明薄壁异形零件底部添加工艺柄前后模型对比示意图；
26.图3是本发明中薄壁异形零件3d打印实物图；
27.图4是本发明中薄壁异形零件机械加工后实物图。
28.附图标记说明：1.零件主体，2.工艺柄。
具体实施方式
29.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.本发明的工艺方法主要包含3个重要方面。第一，根据3d打印工艺特点对零件进行打印摆放；第二，考虑后续机械加工装夹方案；第三，设计工艺柄的位置、大小、形状。
32.工艺步骤如下：
33.(1)模型摆放：根据3d打印工艺特点，对复杂薄壁异型零件进行3d打印摆放设计，确定最终摆放方案；
34.(2)模型优化：根据摆放方式和3d打印工艺特点，对模型进行局部优化。主要有将局部细小特征去除，如螺纹孔、光孔、小尖角、凸台；更改局部形状便于3d打印，如添加倒角、更改横孔形状，后续通过机加实现；
35.(3)模型贴量：考虑后续需要机加的位置，将零件模型进行贴量处理，成形传统机加精毛坯；
36.(4)设计机械装夹工艺柄：添加工艺柄，便于3d打印成形及后续机械加工装夹和定位，工艺柄应满足以下要求a)工艺柄应为矩形且厚度、宽度、间距适当，均匀分布在零件四周；b)其设置和布局应方便操作、具有可靠性、精度满足加工要求，易于实现、具有经济性，利于编程和加工，不易造成干涉和碰撞；c)工艺柄长度方向应与打印方形垂直或平行，底部直接与打印基板接触，便于保证工艺柄的打印精度；d)工艺柄三个垂直方向应开放，不与零件和打印基板相连，便于机加进行精确装夹和定位；d)工艺柄应位于打印零件摆放方向底部与基板直接接触，或位于与摆放方向平行，但底面应与基板接触，便于保证工艺柄的打印精度和零件打印成形成功率。
37.(5)选择打印工艺参数：该零件为复杂异形薄壁件，选用小层厚烧结参数，成形内部质量和表面粗糙度较好；
38.(6)支撑设计：根据烧结工艺参数、模型摆放确定支撑添加位置、数量及强度；
39.(7)工艺过程仿真：对添加完支撑的模型进行工艺过程仿真，优化，仿真迭代直至满足打印要求；
40.(8)3d打印：将设计好的工艺文件导入设备进行3d打印；
41.(9)后处理：将打印完的零件按3d打印后处理工序进行处理，得到3d打印毛坯件。
42.(10)机械加工：工艺柄是复杂薄壁异形零件装夹与定位的基准，工艺柄平面度超差或者工艺柄定位不准确会直接导致零件尺寸超差报废。3d打印成型零件时，工艺柄与零件一同进行成形，可以准确的保证工艺柄与零件的相对关系。但通过3d打印而成的零件工艺柄表面平面度与粗糙度较差，不能直接作为后续精加工定位与装夹基准，进行机械加工时需要首先根据零件的位置对工艺柄进行加工，保证装夹基准的平面度，保证定位基准位置准确。工艺柄的加工机械加工中决定零件加工成败的重要工序，也是整个加工过程的一个难点。因3d打印时设计了特殊的工艺柄，该工艺柄成型精度较高，与零件的相对关系比较精确，可以直接装夹定位进行工艺柄加工，加工后的工艺柄作为后续精加工的装夹基准，完成零件的精确加工。
43.实施例1
44.参照图1-4所示，复杂异形薄壁件3d打印与机械加工工艺过程如下：
45.(1)模型摆放：根据3d打印工艺特点，对复杂薄壁异型零件进行3d打印摆放设计，确定零件竖直摆放，配合面与打印方向平行，并根据零件局部特征在另外两个方向进行适当调整，形成最终的摆放方案，如图1所示；
46.(2)模型优化：根据摆放方式和3d打印工艺特点，将局部细小特征去除，如螺纹孔、光孔、小尖角、凸台，后续通过机加实现；
47.(3)模型贴量：考虑零件对表面质量及安装面精度要求较高，将零件模型整体贴量0.5mm，成形传统机加精毛坯，保证零件表面质量；
48.(4)设计机械装夹工艺柄：添加工艺柄，便于后续机械加工装夹和定位，考虑零件的半开放性，在零件四周及底部添加工艺柄，如图1所示。
49.(5)选择打印工艺参数：该零件为复杂异形薄壁件，选用小层厚烧结参数，成形内部质量和表面粗糙度较好；
50.(6)支撑设计：根据烧结工艺参数、模型摆放确定支撑添加位置、数量及强度；
51.(7)工艺过程仿真：对添加完支撑的模型进行工艺过程仿真，优化，仿真迭代直至满足打印要求；
52.(8)3d打印：将设计好的工艺文件导入设备进行3d打印；
53.(9)后处理：将打印完的零件按3d打印后处理工序进行处理，得到3d打印毛坯件。
54.(10)机械加工：在进行工艺柄加工时采用虎钳装夹的方式，扫平工艺柄，保证平面度0.01以内，作为后续进行机械加工的基准，加工后的零件实物如图4所示。
55.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。