CNC加工和3D打印:精密制造的混合方法

随着3D打印能力的最新发展,制造商使用增材制造技术从各种材料中制造零部件变得越来越容易,包括ABS、TPE、PLA等聚合物以及碳纤维复合材料、尼龙和聚碳酸酯。即使是像钛、不锈钢和铬镍铁合金这样的昂贵金属,在增材制造领域也变得越来越普遍。

毫无疑问,在未来几年中,添加剂制造空间将继续发展和增长,但它会使CNC加工过时等减法制造方法?绝对不。事实上,精确的数控加工对添加剂制造过程可能比你想象的更重要,因为一个名为“混合制造”的新过程很快就掌握了该行业。

3 d印刷金属
金属零件的3D打印越来越普遍,而减法制造是精密增材制造的重要组成部分。

添加剂制造与减肥制造

在实施混合制造方法之前,了解每种方法的优缺点是很重要的。下面是加法和减法制造的快速分解,以及它们各自的优缺点。

加法制造 减肥制造
添加素材层以创建零件 删除材料层以创建零件
更慢的过程,更适合小型生产运行 更快的过程,更好的大型生产运行
更适合小零件 适用于较大的零件
粗糙的表面光洁度需要显着的操作后整理 更明确的表面表面处理,需要最小的后手术后精加工
零件公差不太精确 能够保持极其精确的部分公差
更便宜的材料成本 更昂贵的材料成本
减少材料浪费 更多的材料浪费
复杂的细节更容易创建 复杂的细节可能需要复杂的程序和其他功能(5轴)

使用CNC加工创建精确的3D印刷部件

查看上图的图表,您会注意到添加剂制造和减量制造之间的关键差异之一是表面光洁度和通过每种方法可以实现的公差。这就是杂交方法的添加剂制造的地方可以是非常有益的。

随着零件从打印机关闭时,它们可以快速移动到CNC机器中,该机器具有设计用于部件完成的程序。CNC机器将能够将3D印刷部件降至许多行业所需的紧密公差,并达到所需的表面光洁度。先进的整理工具龙,锥形工具从品牌哈维工具可以轻松地加工紧凑的几何形状的3D打印零件,而极其尖锐钻石涂层工具专门设计的材料和材料工具塑料复合材料无论材料如何,都可以创造一个美丽的含可成品部分。

长达端磨机
长达工具可以轻松加工难以触及,有关3D印刷部件的复杂部分详细信息。

通过在您的商店中设计这样的工作流程,您可以通过增加减法操作来花费更少的时间担心印刷部件的精度,以保持材料成本低,创造较少的浪费,保持零件的宽度公差为精密加工卓越。

使用3D打印来增加数控加工效率

如果您的商店完全集中在减肥制造方法上,您可能认为您的商店中不需要添加添加剂。无法使用数控机器创建一切3D打印机可以,在更短的时间内?不必要。同样,通过使用两种方法在一起并采取混合方法,您可以降低制造和材料成本。

例如,你可以用典型的减法机器来加工一个零件的大部分,但使用加法方法可能需要很长时间。然后你可以用3D打印机给零件添加复杂的功能,这可能需要复杂的编程和数小时的减法机器计划。叶轮就是一个很好的例子,大部分的零件都可以加工,但复杂的鳍片和叶片可以打印到零件上,然后在数控机床上完成。

3d打印金属零件
3D印刷叶轮等待完成操作

添加剂机器到字面上“附加”到零件的能力也可以制造更便宜的方法设计。而不是使用昂贵的材料,如INCONEL或要使整个部件,部分不需要极端耐热性的部分可以加工脱离更便宜,而使用昂贵材料的耐热部分可以稍后通过添加方法添加。

混合制造机器

随着混合制造流程的普及,新型混合制造机器也越来越流行。这些混合机器是一体机,加法和减法制造都可以在一个设置中执行。许多这些机器提供了金属3D打印以及多轴加工能力,甚至准备好了最复杂的零件抛出他们的方式。只要稍加定制,大型3D打印机器或数控铣床就可以进行改造,以实现混合制造混合动力制造技术

混合制造机器
混合机加载项的示例混合动力车制造技术,采用同一台机器旋转木马的3D打印主轴和铣削刀具。

由于制造和设计技术逐步地“更聪明”CAM / CAD程序这些混合机提供了生成式设计和人工智能,有望成为航空航天、医疗、国防等先进制造业的高端机械工厂以及模具、工具和模具市场的新标准。

总的来说,到2021年,我们仍处于混合加工和先进设计方法的新革命的早期阶段,但重要的是要了解在专注于加法的车间增加一台数控机床的作用,反之亦然。通过将加法和减法结合在一起,商店可以减轻每种方法的缺点,并充分利用这两种方法的优势。

微型立铣刀如何优化加工效果

加工行业一般认为微机械线和微型铣刀是任何终端磨机直径为1/8英寸。这也经常是公差必须保持在一个更紧的窗口。因为一个工具的直径直接相关的工具的强度,微型立铣刀是相当弱的比他们的较大的同行,因此,缺乏的强度必须考虑当微加工。如果您在一个重复的应用程序中使用这些工具,那么优化这个过程是关键。

传统和微型铣刀之间的关键切割差异

用完

操作过程中的跳动对微型工具的影响要大得多,因为即使很小的跳动量也会对工具的啮合和切削力产生很大的影响。由于凹槽的不均匀啮合导致切削力增加,导致一些凹槽比传统工具磨损得更快,而在微型工具中则会出现破损。刀具振动也会影响刀具寿命,因为间歇性的冲击会导致刀具切屑,或者在微型工具的情况下,刀具断裂。在开始操作之前检查安装的超时是非常重要的。下面的例子演示了直径为。500 "的工具和直径为。031 "的工具之间的0.001 "跳动量的差异有多大。

微加工中刀具跳动直径比较图表
操作的跳动不应超过刀具直径的2%。过量的跳动将导致表面差。

芯片厚度

对于微型工具,芯片厚度和边缘半径(边缘准备)之间的比率要小得多。这种现象有时被称为“尺寸效应”,并且经常导致切割力预测的错误。当芯片厚度到边缘半径比较小时,切割器将更多或更少耕种材料而不是剪切它。这种耕作效果基本上是由于在用厚度的芯片切割芯片时由边缘半径产生的负耙角。

如果这个厚度小于一个特定的值(这个值取决于所使用的工具),材料将在工具下面挤压。一旦刀具通过,没有切屑形成,部分犁过的材料恢复弹性。由于增加了刀具和工件之间的接触面积,这种弹性恢复导致有更高的切削力和摩擦力。这两个因素最终导致较大的刀具磨损和表面粗糙度。

与微机芯的芯片厚度相关的边缘半径图
图1:(A)边缘半径大于切屑厚度的微型工具操作(B)边缘半径小于切屑厚度的常规操作

刀具偏转在常规与微加工中的应用

在微加工操作中,与常规操作相比,刀具偏转对切屑的形成和操作精度的影响要大得多。集中在刀具一侧的切削力使其在与进给方向相反的方向弯曲。这种挠度的大小取决于工具的刚度和它从主轴延伸的距离。与大直径工具相比,小直径工具固有的硬度更小,因为在操作过程中,它们的固定材料更少。理论上,双倍的长度伸出支架将导致8倍以上的挠度。使立铣刀的直径加倍,它将使挠度减少16倍。如果一个微型切削工具在第一次通过时断裂,这最有可能是由于偏转力克服了硬质合金的强度。这里有一些方法最大限度地减少刀具偏转

工件均质

工件均质成为一种可疑的因素,刀具直径减小。这意味着由于许多因素,例如容器表面,不溶性杂质,晶界和脱位,材料可能在极小的规模处具有均匀性质。这种假设通常保存用于具有低于.020的刀具直径的工具,因为切割系统需要极小,以便待调用材料的微观结构的均匀性。

表面光洁度

与传统加工相比,微加工可能会增加毛刺和表面粗糙度。在铣削过程中,毛刺随着进给量的增加而增加,随着速度的增加而减少。在加工操作过程中,通过沿主剪切区对工件材料的压缩和剪切产生切屑。这个剪切带如图2所示。如前所述,芯片的厚度与边缘半径比在微型应用中要高得多。因此,在切割过程中会产生塑性和弹性变形区,并位于主剪切区附近(图2a)。因此,当切削刃接近工件边界时,弹性区域也到达该边界(图2b)。随着前沿的推进,塑性变形扩展到该区域,由于连接的弹性变形区,在边界处形成更多的塑性变形(图2c)。当塑性变形区域连接时,永久性毛刺开始形成(图2d),并在切屑沿着滑移线裂纹时扩展(图2e)。当切屑最终从工件的边缘断开,毛刺留下(图2f)。

微型铣刀的工具路径最佳实践

由于微型工具的脆弱性,刀具路径必须以这样一种方式编程,以避免突然的切削力,并允许切削力沿多个轴分布。由于这些原因,在为小型工具路径编写程序时,应该考虑以下实践:

倾斜进入一部分

循环增加作为轴向移动到一部分的最佳做法,因为它均匀地分配沿X,Y和Z平面的切割力。如果必须在一定的切割深度径向径向进入零件,请考虑拱形工具路径,因为这逐渐将切割力逐渐加载到工具上而不是一次。

圆形路径中的微机器

您不应该使用相同的速度并为线性路径使用相同的速度和馈送。这是因为效果称为复合角速度。切削刀具上的每个齿在主轴上有效时具有自身的角速度。当使用圆形刀具路径时,另一个角速度分量被添加到系统中,因此,刀具路径外部上的齿以比预期的大致不同的速度行进。必须根据是内部或外部圆形操作来调整工具的进料。要了解如何调整饲料,请查看本文原地踏步。

开槽用一个微型工具

不要像处理大槽一样处理小槽。对于一个微型槽,你想要尽可能多的凹槽在工具上,因为这增加了通过一个更大的核心工具的刚性。这减少了由于偏转而导致刀具断裂的可能性。由于凹槽数量越多,芯片排出的空间就越小,因此轴向接合必须减少。对于直径较大的工具,你可能会降低50% - 100%的工具直径。但当使用凹槽数量较高的微型立铣刀时,根据直径大小和挠度风险,只需要降低5% - 15%。应该增加进给速度以补偿轴向啮合的减少。当使用球头端铣刀时,进给量甚至可以增加到很高,因为切屑细化发生在这些较轻的切割深度,并开始像一个高进给量磨。

在角落里放慢你的饲料

随着更多工具与该部件接合,部件的角落产生额外的切割力量。出于这个原因,速度慢下来是有益的加工在角落逐步引入这些力量的工具。

爬研磨与传统铣削在微机械加工应用中

当涉及微机器时,这有点棘手的问题。每当在零件印刷中呼叫质量表面光洁度时,应使用攀爬铣削。这种类型的刀具路径最终导致更可预测/较低的切割力,因此更高的质量表面光洁度。在爬坡中,切割器在切割开始时接触最大芯片厚度,使其倾向于从工件推开。如果设置没有足够的刚性,这可能会导致抖动问题。在传统的铣削中,当切割器重新旋转回到切割时,它将其自身拉入材料并增加切割力。常规铣削应用于长薄壁的部件以及微妙的操作。

组合粗加工和整理操作

当微加工高薄壁零件时,这些操作应该被考虑,因为在某些情况下,对于一个精加工孔型零件没有足够的支撑。

实现成功的微加工操作的有用提示

尽量减少跳动和偏转微加工时尽可能多。这可以通过使用收缩配合或压配刀架来实现。最大化与夹头的柄触点的量,同时最小化操作期间的伸出量。仔细检查打印并确保您拥有最大的端铣刀,因为更大的工具意味着较差。

  • 选择合适的切割深度因此,边缘半径比的芯片厚度不会太小,因为这将导致耕作效果。
  • 如果可能的话,测试工件的硬度在加工之前,以确认供应商广告的材料的机械性能。这使得操作员了解材料的质量。
  • 使用涂层工具如果可能在用亚铁材料中工作时,由于加工这些类型的金属产生的过量的热量而产生。工具涂层可以提高刀具寿命在30%-200%之间,并允许更高的速度,这是微加工的关键。
  • 考虑使用支持材料控制微加工过程中毛刺的出现。所述支撑材料沉积在所述工件表面,以提供辅助支撑力,并增加所述工件原始边缘的刚度。在操作过程中,支撑材料毛刺和塑性变形,而不是工件。
  • 利用洪水冷却剂降低切割力和更大的表面光洁度。
  • 仔细审查刀具路径这是应用作为几个调整可以在延长一个微型工具的寿命很长的方式。
  • 仔细检查工具几何形状要确保它适用于您正在加工的材料。当可用时,使用可变音高和可变螺旋工具,因为这将在异常高的RPMS下减少谐波,通常运行微型工具。
变螺距和不变螺距
图3:可变音高工具(黄色)与非可变音高工具(黑色)