先進(jìn)加工技術(shù)(含數(shù)控加工部分和增材制造部分)教材

1、先進(jìn)數(shù)控技術(shù)分析先進(jìn)數(shù)控技術(shù)分析基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 全組目錄全組目錄航空制造業(yè)特點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)分析機(jī)床分析轉(zhuǎn)換成代碼前處理代碼后處理分析航空增材制造分析基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 1序言序言2航空制造業(yè)特點(diǎn)航空制造業(yè)特點(diǎn)4航空增材制造分析航空增材制造分析個(gè)人目錄個(gè)人目錄基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 序言1 101課題來源課題來源 由于我之前在進(jìn)行學(xué)科課程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)產(chǎn)生了較為濃厚的興趣，對(duì)于沈飛車間的加工的零件和機(jī)床感到很“親切”，結(jié)合我們之前在學(xué)習(xí)飛行器制造工藝學(xué)課程時(shí)對(duì)數(shù)控加工的技術(shù)知識(shí)，于是想到做這方面的專題報(bào)告。 在暑假中，我在閱讀新聞時(shí)

2、偶然得知沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司于2005年突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)在我國(guó)某型艦載機(jī)上的進(jìn)行裝機(jī)工程應(yīng)用，使我國(guó)成為當(dāng)時(shí)繼美國(guó)（2002年）之后國(guó)際上第2個(gè)實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件實(shí)際裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家，在進(jìn)一步查閱關(guān)于增材制造的資料，對(duì)原有的報(bào)告進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。 基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2 2航空制造業(yè)特點(diǎn)2.0引言引言 對(duì)于一個(gè)國(guó)家來說，航空航天工業(yè)是制造業(yè)最為重要的組成部分之一，也是科技含量最高的制造領(lǐng)域之一，體現(xiàn)了國(guó)防科技工業(yè)現(xiàn)代化水平和國(guó)家現(xiàn)代制造業(yè)實(shí)力，在國(guó)防現(xiàn)代化和國(guó)民

3、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。 為了對(duì)所加工零件有更深入的了解，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析。航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)帶筋件的分析帶筋件的分析自由曲面自由曲面基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 構(gòu)件特點(diǎn)構(gòu)件特點(diǎn)2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)大量采用自由曲面形式16 從形式的角度，為了到良好的氣動(dòng)性能，結(jié)構(gòu)上大量采用自由曲面形式，其準(zhǔn)確成型難度較大。 我們?cè)阝k金車間參觀了部分軍機(jī)的鈑金復(fù)雜曲面的成型過程基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)較多形成各種復(fù)雜型腔26某型戰(zhàn)斗機(jī)構(gòu)件型腔圖 從外觀的角度，

4、為了減輕結(jié)構(gòu)重量并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能，在飛行器構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其直接結(jié)果就是往往需要在結(jié)構(gòu)上形成各種復(fù)雜型腔，其中型腔靠近外形的槽腔常為直紋曲面，而且具有復(fù)雜的槽腔、筋條、凸臺(tái)和減輕孔等特征。 我們?cè)跀?shù)控加工車間參觀了我國(guó)某大型運(yùn)輸機(jī)的翼肋成型及殲擊機(jī)的機(jī)翼構(gòu)件成型過程?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)大量采用整體構(gòu)件36 隨著航空制造工業(yè)的快速發(fā)展，由于現(xiàn)代飛機(jī)性能要求和設(shè)計(jì)水平不斷提高，為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)效率，大型航空整體結(jié)構(gòu)件逐漸替代了傳統(tǒng)的螺栓連接和鉚接的飛機(jī)組合件，且使用整體制造水平的普遍提升，使得整體結(jié)構(gòu)件成為廣泛采用的主要承

5、力構(gòu)件。 相對(duì)于傳統(tǒng)拼接的結(jié)構(gòu)，它不但可減少零件數(shù)目，降低結(jié)構(gòu)重量，而且接縫少，密封性好，裝配簡(jiǎn)單，使飛機(jī)等的結(jié)構(gòu)效率和可靠性成倍甚至數(shù)十倍地提高?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)制造過程中材料去除率大46 為了降低飛機(jī)等飛行器的自身結(jié)構(gòu)重量，增大攜帶負(fù)載的能力和實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的飛行距離，飛行器制造過程中其航空整體結(jié)構(gòu)件由整塊大型毛坯直接“掏空”加工而成，其通常去除量能達(dá)到70%，加工周期長(zhǎng)。 美國(guó)的F-22飛機(jī)中尺寸最大的Ti6Al4V鈦合金整體加強(qiáng)框，所需毛坯模鍛件重達(dá) 2796千克， 而實(shí)際成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 9

6、0%?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)加工變形問題嚴(yán)重56 從加工產(chǎn)品的良品率的角度，飛行器上的結(jié)構(gòu)件往往由于其設(shè)計(jì)水平較高而加工變形問題嚴(yán)重，影響加工效率，而當(dāng)面臨如尺寸大、材料去除率高、剛性差等特點(diǎn)時(shí)，這些問題更更加凸顯，當(dāng)工件從夾具上取下后，往往產(chǎn)生彎曲、扭曲、彎扭組合等加工變形，使零件難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于不同飛機(jī)結(jié)構(gòu)件采用不同材料毛坯和不同加工方式，它們產(chǎn)生變形的方式與程度也不盡相同。 我國(guó)中航工業(yè)集團(tuán)民用飛機(jī)轉(zhuǎn)包合作生產(chǎn)中，飛機(jī)座艙前、后側(cè)骨架數(shù)控加工后會(huì)發(fā)生彎曲變形整體梁、接頭等加工后出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形?；贑ATIA的飛行器數(shù)控

7、加工技術(shù)分析 2.1航空制造業(yè)總體特點(diǎn)航空制造業(yè)總體特點(diǎn)性能要求較高66加工精度形位精度重量控制使用壽命基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.2鋁合金的在飛行器上的應(yīng)用鋁合金的在飛行器上的應(yīng)用 近年來，隨著航空材料的快速發(fā)展，鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料成為航空整體結(jié)構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)材料，且在戰(zhàn)斗機(jī)等高機(jī)動(dòng)性飛行器中所占比重越來越大，但是航空鋁合金仍然是應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，尤其是在民用大飛機(jī)中更是如此。在各種民用大飛機(jī)系列機(jī)型中，鋁合金使用量基本在70%以上，其中，波音747中的鋁合金使用量高達(dá)到81%，有空中巨無霸之稱的A380飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料中鋁合金占66%。其中，鋁合金主要用來制作航空

8、航天產(chǎn)品的受力結(jié)構(gòu)件，如隔框、大梁、翼肋、巧條、起落架等零件。 從制造的角度，模鍛件和預(yù)拉伸板材是鋁合金整體結(jié)構(gòu)件毛坯材料的兩種主要形式。隨著金屬板制造水平的提高，平面類整體結(jié)構(gòu)件、板、框、肋、梁的鋁合金零件已普遍采用預(yù)拉伸板，在沈飛車間中也大量使用。 預(yù)拉伸板材通過在專用板材拉伸機(jī)上預(yù)先給材料少量的塑性變形，改變板材內(nèi)部原有應(yīng)力分布狀態(tài)，減小與均勻化內(nèi)部固有應(yīng)力狀態(tài)。航空鋁合金超厚板（40mm）是一種用量較大，需要采用先進(jìn)加工技術(shù)的新型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。如德國(guó)生產(chǎn)的厚280mm，長(zhǎng)20mm的鋁合金預(yù)拉伸板材，由其制造的整體結(jié)構(gòu)件壁厚為2-3，廣泛應(yīng)用于波音軍事運(yùn)輸機(jī)C-17和波音777、737飛

9、機(jī)上?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的總體特點(diǎn)分析帶筋件的總體特點(diǎn)分析結(jié)構(gòu)常見：從工藝知識(shí)、編程經(jīng)驗(yàn)、形狀的角度分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的筋這類形狀零件，可得知，筋是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最常見的形狀之一。綜合性強(qiáng)： 筋通常起提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的作用，也有部分筋有一些特殊的功用。其形狀是由結(jié)構(gòu)件本身的設(shè)計(jì)，以及工藝等諸多因素決定的。薄壁結(jié)構(gòu)：由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件本身要求零件在保證強(qiáng)度的情況下盡可能輕，因而通常情況下筋的寬度只有3-4mm，屬于薄壁結(jié)構(gòu)。種數(shù)豐富：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的筋形狀各異，數(shù)量多，常位于槽腔、輪廓之間或槽腔內(nèi)部01 課題目的2.3帶筋件的總體特點(diǎn)分析帶筋件的總體特點(diǎn)分析拓?fù)溥叄?，指筋

10、邊2，由主拓?fù)涿媾c側(cè)拓?fù)涿嫦嘟坏膬蓷l凸邊列組成，3，筋頂面加工刀軌計(jì)算的原始驅(qū)動(dòng)幾何元素，也是筋特征合并的依據(jù)）主拓?fù)涿妫?，指筋頂面，2，通常由平面、圓柱面或自由曲面組成，3，筋特征的主要加工區(qū)域約束面：1，約束面為筋兩端的端面2，約束面通常為槽腔的側(cè)壁面，一般為一些平面或直紋面3，常常需要單獨(dú)進(jìn)行加工側(cè)拓?fù)涿妫?，指筋的側(cè)面2，通常由平面、圓柱面或曲面組成3，構(gòu)成槽腔側(cè)面、或輪廓側(cè)面，其加工受到所處部位的影響筋底面：1，筋的底面2，通常多為平面3，筋底面在筋的側(cè)面加工中限定了筋側(cè)面加工的范圍特征基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的分析帶筋件的分析加工內(nèi)容151)頂面的加工

11、頂面的加工筋特征都需要加工筋頂部分1，筋特征加工中最主要的部分，2，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件筋特征的數(shù)控編程中編程占很大的比例。3，是筋特征加工中情況最多，工藝最復(fù)雜的部分。2)約束面的加工約束面的加工在一部分筋中，存在約束面需要單獨(dú)加工，1，為了精加工約束面2，在筋頂面上加工出足夠的空間，為之后筋頂面加工的進(jìn)刀做準(zhǔn)備。3)筋側(cè)面的加工筋側(cè)面的加工往往在銑槽腔內(nèi)壁面或銑輪廓面時(shí)順帶完成(只有在開口筋或獨(dú)立筋中，若筋的強(qiáng)度不夠，筋的側(cè)面才需要單獨(dú)加工)?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的分析帶筋件的分析筋加工順序的安排25筋約束面筋頂面筋側(cè)面基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶

12、筋件的分析帶筋件的分析 通常情況下，一般先加工約束面，后加工筋側(cè)面。選用這個(gè)加工順序理由是：如圖所示，在筋頂面加工中，若約束面未加工完成，則當(dāng)?shù)毒咦叩娇拷s束面的位置，由于約束面處還存在粗加工余量，將導(dǎo)致銑刀側(cè)面突然出現(xiàn)大的切削量，刀具易損。所以，此類情況，通常都是先加工約束面，再加工筋頂面. 筋側(cè)面的加工，一般都在加工筋頂面之后。由于筋是一類薄壁結(jié)構(gòu)，筋的寬度通常只有34mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于筋的長(zhǎng)度和高度。在筋頂面、約束面和側(cè)面的加工中，筋頂面的加工最易發(fā)生變形。為了防止頂面加工時(shí)發(fā)生大的變形，通常在筋的側(cè)面還未加工，還留有粗加工余量，即筋的寬度方向上還有一定厚度時(shí)，先將筋頂部分加工完成，之后再加

13、工筋的側(cè)面?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的分析帶筋件的分析筋頂面對(duì)筋加工的影響35頂面的加工，主要受筋頂面各面類型的影響，通常需要考慮有如下一些通用的原則：（1）爬坡原則：盡量實(shí)現(xiàn)從筋頂面較低處向筋頂面較高處進(jìn)行加工，方便排屑，減少刀具摩損。平底刀側(cè)刃加工，適合自下往上加工零件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡自上往下時(shí)，刀具底部將參與切削，而平底刀底部的切削能力較弱，容易損傷刀具和工件。（2）小坡度下滑原則：當(dāng)筋頂面加工不可避免的要從筋頂面較低處向較高處加工時(shí)，盡量使下滑坡度較小的方向?yàn)榧庸し较?。?）刀軌應(yīng)避免位于筋頂中線上：當(dāng)?shù)毒咧行奈挥诒患庸そ铐數(shù)闹芯€上時(shí)，加工時(shí)震動(dòng)大，故刀軌最好偏

14、移一個(gè)距離，保證切削時(shí)的平穩(wěn)性。（4）開敞性原則：從無干涉部位進(jìn)刀進(jìn)行加工。在不考慮過渡圓弧面的情況下，根據(jù)筋頂面類型的不同，如圖2-7所示，筋分為如下3種情況：a）平頂筋；b）斜頂筋；c）曲頂筋?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的分析帶筋件的分析筋兩端連接支撐情況對(duì)筋加工的影響45 筋是一類薄壁結(jié)構(gòu)，其兩端是否有連接支撐，影響筋強(qiáng)度的大小，也影響筋的加工，尤其對(duì)筋側(cè)面的加工影響較大。為防止筋側(cè)面加工時(shí)發(fā)生大的變形，工藝員必須根據(jù)筋兩端連接支撐情況的不同，采用不同的加工工藝方案。根據(jù)筋兩端是否有連接支撐，可將筋分為下列3種類型：（a）筋兩端都有連接支撐。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，此類

15、筋最多，它一般位于槽腔之間或處于輪廓上，兩端都與其它筋或其它特征相交，強(qiáng)度相對(duì)較大。（b）筋一端無連接支撐。該類筋又稱開口筋，其一端與其它特征相交，另一端無連接。（c）筋兩端都無連接支撐。該類筋又稱獨(dú)立筋，通常位于槽腔內(nèi)部，不與槽腔壁面相交。在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，此類筋還常分布于輪廓上，成耳片狀，又稱耳片筋。基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.3帶筋件的分析帶筋件的分析筋所處位置情況的不同對(duì)筋加工的影響55位于外輪廓上的筋的加工和在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的筋的加工有所不同。輪廓上的筋的加工，除了受筋自身類型、形狀的影響，通常還受裝夾方案、工藝凸臺(tái)位置以及輪廓面精度要求等因素的影響。按筋在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中

16、的位置的不同，如圖，可分為下列3種情況：a）筋在槽之間b）筋在槽之內(nèi)c）筋在輪廓上基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2.4自由曲面設(shè)計(jì)自由曲面設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代科技及工業(yè)的發(fā)展，自由曲面已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大到汽車外形，飛機(jī)機(jī)身，船舶船體，小到電話機(jī)座等，因此，如何精確、高效地設(shè)計(jì)和制造自由曲面件成為必須解決的問題。由于自由曲面一般比較復(fù)雜，計(jì)算比較繁瑣，程序段很多，用手工編程是難以完成的，應(yīng)盡可能采用自動(dòng)編程。自動(dòng)編程時(shí)，程序員根據(jù)零件圖樣和工藝要求，使用相關(guān)CAD/CAM軟件，先用CAD功能模塊進(jìn)行建模，然后利用CAM模塊產(chǎn)生刀具路徑，進(jìn)而用后置處理程序產(chǎn)生數(shù)控程序，可以通過軟件傳給數(shù)

17、控機(jī)床，完成自由曲面的加工?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 如何更好應(yīng)對(duì)上述制造要求基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3 3航空增材制造分析基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.1增材技術(shù)概述3.2我國(guó)的應(yīng)用情況3.3發(fā)展歷史3.4技術(shù)特點(diǎn)3.5增材技術(shù)的種類及介紹3.6發(fā)展方向基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.1增材技術(shù)概述增材技術(shù)概述 增材制造 ( additive manufacturing，AM ) 技術(shù)是通過 CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，其基本原理是離散-堆積原理。 自 20 世紀(jì) 80 年代末，增材制造技術(shù)逐步發(fā)展，期間也

18、被稱為 “材料累加制造” ( material increase manufacturing) 、 “快速原型” ( rapid prototyping) 、 “分層制造” ( 1ayeredmanufacturing) 、 “實(shí)體自由制造” ( solid free-form fabrication) 、 “3D 打印技術(shù)” ( 3Dprinting )等，名稱各異的叫法，分別從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 該技術(shù)源于20世紀(jì)80年代的美國(guó)，它是將表面工程、材料工程、數(shù)字建模、自動(dòng)化控制等多項(xiàng)前沿技術(shù)相結(jié)合而形成的新興制造技術(shù)，被英國(guó)雜志經(jīng)濟(jì)學(xué)人譽(yù)為

19、“制造業(yè)的革命！”3.1增材技術(shù)概述增材技術(shù)概述基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 在航空領(lǐng)域使用較多的高性能大型金屬構(gòu)件的激光增材制造，指的是通過長(zhǎng)期激光逐點(diǎn)掃描、逐線搭接、逐層熔化凝固堆積（增材制造），實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜零件的“近凈成形”。實(shí)際上是激光超常冶金快速凝固高性能“材料制備”與大型復(fù)雜構(gòu)件逐層增材“直接制造”的一體化過程（即材料制備零件成形一體化、成形控性一體化）?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.2我國(guó)的應(yīng)用情況我國(guó)的應(yīng)用情況 我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用道路上較為突出，目前應(yīng)用的型號(hào)有如下所示1，在民用飛機(jī)上，C919大飛機(jī)駕駛艙玻璃窗框架和緣條零件.2，在軍用飛機(jī)上，艦載戰(zhàn)斗

20、機(jī)-殲 15，多用途戰(zhàn)斗轟炸機(jī)殲-16，隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲20 ，隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲-31，運(yùn)-20大型運(yùn)輸機(jī)?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史 目前，該技術(shù)正在歐美掀起如火如荼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展熱潮，并已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)意設(shè)計(jì)、醫(yī)療保健、航空航天、汽車制造、模具制作、影視教育等。其發(fā)展過程中的重大事件發(fā)生時(shí)間如下所示：1995 1995 中國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想中國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想1978 1978 美國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想美國(guó)提出技術(shù)構(gòu)想2000 2000 AMS4999AMS4999美國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用美國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用 F-22 F-22 和和 F/A-l8E/FF/A-l8E/F2012 2012 電

21、子束熔絲成形電子束熔絲成形J-15J-152007 2007 中國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用中國(guó)裝機(jī)工程應(yīng)用c919c9192013 2013 電子束熔絲成形電子束熔絲成形F-35F-35基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 1978 1978 美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究心提出并被命名為美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究心提出并被命名為“激光逐層上釉激光逐層上釉”工藝。工藝。實(shí)際上早在年美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心就 已提出并被命名為“激光逐層上釉”工藝，提出通過激光熔化快速凝固逐層堆積原理制造致密金屬構(gòu)件的技術(shù)思路，雖然當(dāng)時(shí)已明確指出了現(xiàn)代金屬件激光增材制造技術(shù)的幾乎全部?jī)?yōu)點(diǎn)，但由于受當(dāng)時(shí)工業(yè)激光器功率及數(shù)控技術(shù)水平的限制，該技術(shù)并未立即

22、引起人們的注意。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 1995 1995 西北工業(yè)大學(xué)提出激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思。西北工業(yè)大學(xué)提出激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思。我國(guó)開展航空制造領(lǐng)域增材制造技術(shù)和應(yīng)用研究最具代表性的單位主要是西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)。西北工業(yè)大學(xué)于 1995 年開始在國(guó)內(nèi)率先提出以獲得極高(相當(dāng)于鍛件) 性能構(gòu)件為目標(biāo)的激光增材制造的技術(shù)構(gòu)思，并在迄今近 20 年的時(shí)間里持續(xù)進(jìn)行了 LSF 技術(shù)的系統(tǒng)化研究工作，形成了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的技術(shù)體系，并在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛的裝應(yīng)用。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA

23、的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 1998 激光增材制造構(gòu)件逐步進(jìn)入美軍項(xiàng)目中。激光增材制造構(gòu)件逐步進(jìn)入美軍項(xiàng)目中。MTS公司出資與約翰霍普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)開展了飛機(jī)機(jī)身鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光直接沉積技術(shù)研究，在對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，于1998年成立了專門從事航空鈦合金構(gòu)件激光增材制造技術(shù) 工程化應(yīng)用的 AeroMet公司。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2000 2000 美國(guó)美國(guó) SAE SAE 協(xié)會(huì)制定了協(xié)會(huì)制定了 Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V 合金合金 LSF LSF 成形的美國(guó)航空材成形的美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)

24、料標(biāo)準(zhǔn) AMS4999 AMS4999。美國(guó) SAE 協(xié)會(huì)于 2001 年制定了 Ti-6Al-4V 合金 LSF 成形的美國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn) AMS4999 ( 該 標(biāo) 準(zhǔn) 在 2011 年 進(jìn) 行 了 修 訂AMS499A)，這個(gè)事件在全球掀起了金屬零件直接增材制造的第一次熱潮。值得注意的是，在增材制造技術(shù)發(fā)展的早期，美國(guó)軍方就已對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2006 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束熔絲沉積中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子束熔絲沉積成形設(shè)備。成形設(shè)備。中航工業(yè)北京航空制造工程研

25、究所目前開發(fā)的國(guó)內(nèi)最大的電子束成形設(shè)備真空室，有效加工范圍1.5m x 0.8m x 3m,5軸聯(lián)動(dòng)，雙通道送絲。在此基礎(chǔ)上，研究了TC4 ,TA15, TC11、TC18, TC21等鈦合金以及A 100超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2007 我國(guó)突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)我國(guó)突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用。并成功實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用。 北京航空航天大學(xué)與沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司等單位

26、長(zhǎng)期“產(chǎn)學(xué)研”緊密合作，于2005年突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)在型號(hào)飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用，使我國(guó)成為當(dāng)時(shí)繼美國(guó)（2002年）之后國(guó)際上第 個(gè)實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金小型、次承力構(gòu)件實(shí)際裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。 2008年以來先后在包括 大型客機(jī)等大飛機(jī)在內(nèi)的多種型號(hào)飛機(jī)的研制和生產(chǎn)中工程應(yīng)用。這一可喜突破也使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2012 2012 在我國(guó)某型戰(zhàn)機(jī)上試飛，電子束熔絲成形制造的鈦合金零件在國(guó)內(nèi)在我國(guó)某型戰(zhàn)機(jī)上試飛，電子

27、束熔絲成形制造的鈦合金零件在國(guó)內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)上率先實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用。據(jù)報(bào)道稱，為一種艦載戰(zhàn)斗機(jī)。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 2013 2013 裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35F-35飛機(jī)已于飛機(jī)已于20132013年初試飛。年初試飛。據(jù)報(bào)道，裝有電子束熔絲沉積成形鈦合金零件的F-35飛機(jī)已于2013年初試飛。Lockheed Martin公司選定了F-35飛機(jī)的襟副翼梁，準(zhǔn)備用電子束熔絲沉積成形代替鍛造，預(yù)期零件成本降低60%。近期，美國(guó)Sciaky公司采用EBF3技術(shù)以及與鍛件結(jié)合的組合制

28、造技術(shù)已經(jīng)為 Lockheed Mar-tin 公司制造了 F-35 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的垂尾、襟翼副梁， Lockheed Martin 公司也宣稱，已在 F-35II 型戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用了900 多個(gè)增材制造的零件。不過，需要指出的是，目前 Boeing 和 Lockheed Martin 公司在飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用的增材制造零件主要還是非結(jié)構(gòu)件。3.3發(fā)展歷史發(fā)展歷史基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)隨著新軍事變革，航空裝備要滿足空軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和空軍建設(shè)的需求，其制造和維修保障能力必須與時(shí)俱進(jìn)，而先進(jìn)的裝備制造和維修技術(shù)則是加快提升國(guó)家軍事實(shí)力的重要因素。增材制造技術(shù)以其快速

29、制造的優(yōu)勢(shì)，在2014年11月 美國(guó)防部年會(huì)設(shè)備展示會(huì)上，增材制造技術(shù)不但有一個(gè)專題研討，還在其他多個(gè)專題中被提及，由此，其重要地位可見一斑?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 所制造材料性能優(yōu)異18在航空材料領(lǐng)域，目前已經(jīng)取得了技術(shù)突破，使用微米級(jí)別的鈦金屬顆粒，而后均勻打造出產(chǎn)品，其構(gòu)件的承載力等力學(xué)性能就要比其鑄造件強(qiáng)得多。其原因如下：（1）零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。（2）從理論上說，零部件越多越不安全，結(jié)合部通常都是隱患。無縫連接作為增材制造技術(shù)的一大亮點(diǎn)，不僅減少了零部件的數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配工作，提高了裝備的生產(chǎn)質(zhì)量，其安全性和可靠

30、性也隨之提高。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 降低設(shè)備的全壽命期成本。28 采用本技術(shù)可以極大降低成本，王明華團(tuán)隊(duì)利用激光快速成形技術(shù)制造出我國(guó)自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框，在此之前只有歐洲一家公司能夠做，僅每件模具費(fèi)就高達(dá)200萬美元，而利用激光快速成形技術(shù)制作的零件成本不及模具的1/10。且維修方便，基于金屬增材制造的高性能修復(fù)技術(shù)保證航空構(gòu)件的全壽命期的質(zhì)量與成本。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 生產(chǎn)周期短38 傳統(tǒng)的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造的生產(chǎn)方式，它是一個(gè)材料逐層疊 加 的過程，這種數(shù)字化制造模式

31、將車、銑、刨、鉗等復(fù)雜工序省去，直接根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)生成任何形狀的產(chǎn)品，可以將許多組合部件集為一體，大大降低了制造工藝的復(fù)雜性。 如在C-919的制造中，現(xiàn)在僅需 55 天，中國(guó)就可以“打印出”C-919 客機(jī)的主風(fēng)擋整體窗框。 歐洲一家飛機(jī)制造公司表示，他們生產(chǎn)同樣的東西至少要兩年。當(dāng)然，他們使用是傳統(tǒng)的生產(chǎn)飛機(jī)部件的方式。近凈成形，只需一步完成；加工設(shè)計(jì)靈活度高，可以實(shí)現(xiàn)特殊功能零部件的“原位”鑄造等等。這樣就大大降低了制造成本，提高了制造效率與加工質(zhì)量。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 制造裝備簡(jiǎn)單。48 傳統(tǒng)方法對(duì)制造技術(shù)及裝備的要求高，通常需要大規(guī)格鍛坯加

32、工及大型鍛造模具制造、萬噸級(jí)以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造成本高，例如，傳統(tǒng)飛機(jī)鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造方法是鍛造和機(jī)械加工，先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造制坯、加工大型鍛造模具，然后再用萬噸級(jí)水壓機(jī)等大型鍛造設(shè)備鍛造出零件毛坯，最后再對(duì)毛坯零件進(jìn)行大量機(jī)械加工。整個(gè)工序下來，耗時(shí)費(fèi)力，有的構(gòu)件，光大型模具的加工就要用一年以上的時(shí)間，要?jiǎng)佑脦兹f噸級(jí)的水壓機(jī)來工作，甚至還需要輔助設(shè)施。 增材制造設(shè)備便于攜帶，甚至可以用于前沿陣地維修保障。增材制造設(shè)備不需要大型的輔助設(shè)備，體積小，占用空間少，設(shè)備移動(dòng)調(diào)整方便，它可以不受場(chǎng)地和環(huán)境限制，甚至實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。只要有專用設(shè)備和適

33、用的原材料，可以在任何地方實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 4.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 通過組合制造技術(shù)改造提升傳統(tǒng)航空制造技術(shù)58 將傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床立式加工設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，使其能夠采用激光工程化凈成形實(shí)現(xiàn)金屬 3D 打印。該項(xiàng)目獲得美國(guó)制造資助，由 Optomec 公司牽頭，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)包括 Mach Motion 公司、Tech Solve 公司、洛克希德丁公司和美國(guó)陸軍貝尼特實(shí)驗(yàn)室。 該項(xiàng)目通過采用模塊化設(shè)計(jì)方式，嵌入最新的控制系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，

34、能將任意的數(shù)控機(jī)床升級(jí)使其具備 3D 打印功能， 從而經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)增材和減材制造工藝的結(jié)合。 從而經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)增材和減材制造工藝的結(jié)合。 該項(xiàng)目證明了美國(guó)制造有效加速增材制造技術(shù)向主流制造技術(shù)過渡的使命，這一成果將有望對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生改變游戲規(guī)則的影響。 一臺(tái)機(jī)床同時(shí)具備增材和減材功能，將極大地影響企業(yè)的加工能力和成本效益。 美國(guó)制造還將進(jìn)一步討論數(shù)控機(jī)床升級(jí) 3D 打印技術(shù)， 并探討在車間集成先進(jìn)增材制造技術(shù)的挑戰(zhàn)機(jī)遇及長(zhǎng)期影響。 3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 此外，本技術(shù)還可應(yīng)用于機(jī)床的維修等，報(bào)廢的零部件或者整機(jī)基本上作為廢品處理，如此連鎖損失，造成了更大

35、的浪費(fèi)。本平臺(tái)之 LCD技術(shù)是一種激光熔覆仿形修復(fù)技術(shù)，在鋼鐵行業(yè)用處極為廣泛。采用 LCD 激光熔覆沉積技術(shù)，既能使失效或報(bào)廢設(shè)備及零部件重新使用，又可以使新品延長(zhǎng)使用壽命，甚至可以多次修復(fù)。據(jù)調(diào)查，寶鋼、鞍鋼、本鋼、首鋼、武鋼、唐鋼、太鋼、攀鋼、包鋼，都對(duì)沉積技術(shù)非常感興趣，有的已從中受益。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 可設(shè)計(jì)能力強(qiáng)68可以制造一些過去無法實(shí)現(xiàn)的航空功能結(jié)構(gòu)，顯著提升航空構(gòu)件的效能，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊性和多功能設(shè)計(jì)，Air Bus 公司通過對(duì)飛機(jī)短艙鉸鏈進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，使最終制造的零件減重 60% ，并解決了原有設(shè)計(jì)所存在的使用

36、過程中高應(yīng)力集中問題。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 材料利用率高78 材料利用率高，美國(guó)的F-22飛機(jī)中尺寸最大的Ti6Al4V鈦合金整體加強(qiáng)框，所需毛坯模鍛件重達(dá) 2796千克， 而實(shí)際成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%，2010年，利用激光直接制造C919達(dá)中央翼根肋，傳統(tǒng)鍛件毛坯重達(dá)1607千克，而利用激光成形技術(shù)制造的精坯重量?jī)H為136千克，節(jié)省了91.5%的材料，并且經(jīng)過性能測(cè)試，其性能比傳統(tǒng)鍛件還要好。 另外傳統(tǒng)飛機(jī)制造業(yè)不僅耗時(shí)久，而且浪費(fèi)太多材料。一般只有 10%的原材料能被利用，剩下的在鑄模、鍛造、切割和拋光工序中就損失

37、了。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 可制造材料種類多88除常見的PLA，ABS等塑料材料外，在金屬方面主要包括鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼、合金鋼及等難熔金屬，現(xiàn)在常見的可制造材料為TC4，M100鋼，TA15、TA12鈦合金及Inconel 718合金材料。此外進(jìn)行相關(guān)改裝后還可以加工多種有機(jī)材料。3.4技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.5增材技術(shù)的種類及介紹增材技術(shù)的種類及介紹經(jīng)過短短42年的發(fā)展，其技術(shù)種類因其多種多樣的出發(fā)點(diǎn)而種類繁多，而且，相似于電子行業(yè)的“摩爾定律”在每個(gè)月都會(huì)新的重大技術(shù)突破，如上個(gè)月22日，華中科技大學(xué)的張

38、海鷗教授主導(dǎo)研發(fā)的金屬3D打印新技術(shù)“智能微鑄鍛”，相似于Sciaky的EBAM技術(shù)相似，但是有望改變國(guó)際上由西方國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)的金屬走絲3D打印格局?；贑ATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 3.5增材技術(shù)的種類及介紹增材技術(shù)的種類及介紹基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是以原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)。通過專用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實(shí)體零件。選區(qū)激光熔化技術(shù)選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Las

39、er Melting)SLM ( Selective Laser Melting)3.5增材技術(shù)的種類及介紹增材技術(shù)的種類及介紹基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 （1）成型能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)于鑄件的高復(fù)雜性構(gòu)件的直接制造，成形件的復(fù)雜性基本不受限制。加工死角位置可直接成形，避免加工殘留，組件整體成形可減少連接結(jié)構(gòu)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕量化?？梢灾圃靷鹘y(tǒng)方法無法成形的復(fù)雜零件，對(duì)零件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化意義重大。SLM 是三維打印家族中，在成形件的復(fù)雜程度方面，名列第一，可完成嵌套性、蜂窩性和三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)的成形。選區(qū)激光熔化技術(shù)選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Laser

40、Melting)SLM ( Selective Laser Melting)3.5增材技術(shù)的種類及介紹增材技術(shù)的種類及介紹基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 （2）精度高，激光選區(qū)熔化成形技術(shù)通常采用粒徑30m左右的超細(xì)粉末為原材料，圖4為激光選區(qū)熔化成形技術(shù)制造鈦合金零件所使用的TC4超細(xì)球形粉，通常鋪粉厚度100m（最薄鋪粉厚度可達(dá)20m），每個(gè)加工層控制的很薄，可達(dá)到30m。另外該技術(shù)還使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度（可達(dá)0.1mm）以及優(yōu)異的表面質(zhì)量（粗糙度Ra可達(dá)3050m），圖5為選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金表面形貌。因此該技術(shù)具有精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異

41、等特點(diǎn)，制造的零件只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的噴砂或拋光即可直接使用。由于材料及切削加工的節(jié)省，其制造成本可降低20%40%，生產(chǎn)周期也將縮短80%。選區(qū)激光熔化技術(shù)選區(qū)激光熔化技術(shù)SLM ( Selective Laser Melting)SLM ( Selective Laser Melting)3.5增材技術(shù)的種類及介紹增材技術(shù)的種類及介紹基于CATIA的飛行器數(shù)控加工技術(shù)分析 （3）通常成形尺寸較小，只能進(jìn)行單種材料的直接成形，目前成熟的商用化裝備的成形尺寸一般小于 300 mm。（4）成型效率低，SLM 技術(shù)的沉積效率要比 LSF 技術(shù)低 1 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，（5）利用率高，材料利用率很高，一般在 90% 以上，若設(shè)計(jì)和操作得當(dāng)，合格率幾乎為 100% 。（6）材料上，目前激光增材制造對(duì)于鋁、鎂等一類低熔點(diǎn)高活性合金的成熟度還較低，較為成功的案例主要集中于 Al Si10Mg 合金的 SLM 成形。Al Si10Mg 合金相當(dāng)于我國(guó)的 ZL104 合金。給出了 SLM 成形 AlSi10Mg 合金的力學(xué)性能。可以看到，SLM 成形 Al Si10Mg合金的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于鑄造 ZL104 合金 T6 態(tài)的力學(xué)性能。這一方面來源于 SLM 成形過程中 A