CN104148776A - 基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法 - Google Patents

基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其包括以下步骤：1)用三维绘图软件建模，并转换为STL格式；2)分层处理；3)预备金属成型材料；4)预备支撑金属粉末材料；5)开启金属堆焊成型机按照分层堆焊成型路径轨迹进行堆焊；6)当一层堆积完成之后，重复步骤(4)至(5)，直至完成整个零件的堆焊，获得金属零件。本发明方法的工序简洁，成本低，易于实现，能快速对不同形状的金属零件进行堆焊成型，成型效率高，效果好，不仅可以制造出力学性能良好，致密度高、强度高、硬度和刚度较好的金属零件，还大大提高了金属零件的快速成型速度，缩短了整个成型周期，利于广泛推广应用。

Description

基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法
技术领域
本发明涉及堆焊成型技术领域，具体涉及一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法。
背景技术
金属零件的制造方法众多，从不同的工艺角度分析，传统的工艺方法主要有切削加工法、铸造法和锻造冲压法。切削加工过程中对原材料的利用率低，对于形状复杂的零件加工成本较高。铸造加工过程中零件的缺陷问题很严重，次品率高。锻造冲压成型过程中对于形状复杂的零件加工模具的成本较高，加工模具较为困难。
快速成型(RP)技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是″分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台″立体打印机″。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计(CAD)数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法″到今天的″增长法″，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。
目前金属快速成型中有激光熔覆成型、等离子弧熔覆成型和熔化极气体保护焊堆焊成型等，其中激光熔覆成型的零件精度高，能够实现复杂形状零件的成型，但激光熔覆成型的成本较高，熔覆效率较低。等离子弧熔覆成型过程中电弧温度高，热量集中熔覆成型的效果好，但设备成本较高，对悬臂结构的零件加工比较困难。
为此，提供一种易于实现、成本低，且成型效果好的金属零件堆焊成型方法为当世之所需。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种成型工序简洁，成本低，易于实现，能快速对不同形状的成型模型进行堆焊成型，且成型效果好，效率高的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其包括以下步骤：
(1)根据所需成型金属零件的形状和结构，用三维绘图软件创建出相应形状和结构的三维零件模型，并将该三维零件模型转换为STL格式图档；
(2)对STL格式图档进行分层处理，获得分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中；
(3)预备金属成型材料，将该金属成型材料放置在金属堆焊成型机的送料机构上；
(4)预备支撑金属粉末材料，沿分层堆焊成型路径轨迹用所述支撑金属粉末材料在金属堆焊成型机的工作台面上铺出一层支撑粉层；加铺有支撑粉层后，在堆焊成型的过程能够有效的防止熔融状态的金属液体流淌，对悬臂结构的零件起到支撑作用，并且能够填充相邻焊缝之间的间隙；
(5)开启金属堆焊成型机，金属堆焊成型机按照分层堆焊成型路径轨迹进行堆焊；
(6)当一层堆积完成之后，重复步骤(4)至(5)，进行逐层堆焊，直至完成整个零件的堆焊，获得金属零件。
作为本发明的一种改进，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)通过上位机软件将STL格式图档的三角面片数据全部读取出来，然后选择要分层的方向，该方向包括：X方向、Y方向和Z方向，接着将每个三角面片沿该方向上的顶点的最大值和最小值调取出来，同面片数据一起保存；
(2.2)设定分层的层数，算出每层高度，从底层到顶层，拿每层的高度与所有的面片数据的最大值和最小值进行比较，如果相交则计算交点，不相交就跳到下个三角面片继续比较，将交点按层保存，待调用；
(2.3)对每层的交点数据进行处理，每个三角面片的交点数据按顺序排列成封闭的曲线，并对该图形进行填充，将填充后的运动坐标点传给下位机，形成堆焊成型路径轨迹；
(2.4)收集各层的堆焊成型路径轨迹形成分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中。
作为本发明的一种改进，所述金属成型材料为线径为0.6～1mm的铁焊丝、铝焊丝或铜焊丝。
作为本发明的一种改进，所述支撑成型材料为40-80目的金属材料粉末，该金属材料粉末为以下材料之一或多种混合：铁粉末、铝粉末、铜粉末。
作为本发明的一种改进，所述步骤(4)中支撑粉层的厚度为1～2.5mm。
作为本发明的一种改进，所述金属堆焊成型机的焊接电流为110～130A，送料机构的送丝速度为60～70mm/s，工作台面的移动速度为4.5～5.5mm/s。
作为本发明的一种改进，所述步骤(5)是在充满CO2或惰性气体的封闭空间中完成的。这样在成型过程中能够有效的减小CO2气体或惰性气体的吹力，减小零件的变形。
作为本发明的一种改进，其还包括以下步骤：(7)对金属零件进行去应力退火处理，即可获得力学性能较好、致密度高、强度高、硬度和刚度较好的金属零件。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法改变了传统的金属零件的制作工艺过程，整个制作工序简洁，成本低，易于实现，能快速对不同形状的成型模型进行堆焊成型，成型效率高，效果好，不仅可以制造出力学性能良好，致密度高、强度高、硬度和刚度较好的金属零件，满足了金属零件的实用性能的要求，还大大提高了金属零件的快速成型速度，缩短了整个成型周期，利于广泛推广应用。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图。
图2是本发明方法中分层处理步骤的流程图。
图3是本发明方法中金属堆焊成型机的结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图3，本实施例提供的一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其包括以下步骤：
(1)根据所需成型金属零件的形状和结构，用三维绘图软件创建出相应形状和结构的三维零件模型，并将该三维零件模型转换为STL格式图档。三维绘图软件可以为UG、Pro-E等。
(2)对STL格式图档进行分层处理，获得分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中；参见图2，具体的，是通过上位机软件进行分层的，包括以下步骤：(2.1)通过上位机软件将STL格式图档的三角面片数据全部读取出来，然后选择要分层的方向，该方向包括：X方向、Y方向和Z方向，接着将每个三角面片沿该方向上的顶点的最大值(Hmax)和最小值(Hmin)调取出来，同面片数据一起保存；(2.2)设定分层的层数，算出每层高度，从底层到顶层，拿每层的高度与所有的面片数据的最大值(Hmax)和最小值(Hmin)进行比较，如果相交则计算交点，不相交就跳到下个三角面片继续比较，将交点按层保存，待调用；(2.3)由于每个三角面片的交点数据只有两种可能：线段或点，对每层的交点数据进行处理，每个三角面片的交点数据按顺序排列成封闭的曲线，并对该图形进行填充，将填充后的运动坐标点传给下位机，形成堆焊成型路径轨迹；(2.4)收集各层的堆焊成型路径轨迹形成分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中。本发明基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法优选在堆焊前便已经把数据处理好，而大多数的传统堆焊方法是在成型过程中再进行分层。这样做的优点在于，避免了在加工过程中设备的等待，保证设备运作的连续性，相应的也提高了工作效率。
(3)预备金属成型材料，将该金属成型材料放置在金属堆焊成型机的送料机构1上；所述金属成型材料优选为线径为0.6～1mm的铁焊丝、铝焊丝或铜焊丝。
(4)预备支撑金属粉末材料，该支撑成型材料优选为40-80目的金属材料粉末，该金属材料粉末为以下材料之一或多种混合：铁粉末、铝粉末、铜粉末。沿分层堆焊成型路径轨迹用所述支撑金属粉末材料在金属堆焊成型机的工作台面2上铺出一层支撑粉层，该支撑粉层的厚度为1～2.5mm，优选为1.5mm；加铺有支撑粉层后，在堆焊成型的过程能够有效的防止熔融状态的金属液体流淌，对悬臂结构的零件起到支撑作用，并且能够填充相邻焊缝之间的间隙；
(5)开启金属堆焊成型机，参见图3，通过金属堆焊成型机的升降台3来相应调节工作台面2的高度，使焊枪4上的焊丝5与工作台面2之间的间距为2mm；具体的，焊枪4连接在送料机构1上的。通过旋转机构6的转动，能相应焊枪4转动，并配合工作台面2的移动，能快速对不同形状的成型模型进行堆焊成型。打开送丝开关，开始起弧焊接，即当焊丝5接触到工作台面2后短路产生电弧融化焊丝，融化的焊丝随着金属堆焊成型机按照分层堆焊成型路径轨迹移动，逐渐沉积堆焊在工作台面2上；优选的，该步骤(5)是在充满CO2或惰性气体的封闭空间中完成的，惰性气体可以为氩气等。即先设有一封闭的空间，然后把将金属堆焊成型机放在该空间内，接着往该空间内注满CO2或惰性气体，这样在成型过程中能够有效的减小CO2气体或惰性气体的吹力，减小零件的变形。
(6)当一层堆积完成之后，重复步骤(4)至(5)，具体的，先通过升降台3将工作台面2调整下降1.5mm，然后在工作台面2上铺支撑金属粉末材料，其中支撑粉层的厚度为1.5mm，等铺粉完成后，再进行步骤(5)，然后依次例推，逐层堆焊，直至完成整个零件的堆焊，获得金属零件。
(7)优选的，还对金属零件进行去应力退火处理。所述步骤(7)具体包括以下步骤：(7.1)将金属零件装入炉中，加热到600～640摄氏度，并保温2～4小时；(7.2)保温完成后，停止加热，待炉冷至200摄氏度后，从炉中取出金属零件进行空冷，即完成去应力退火处理。
本实施例中，所述金属堆焊成型机的焊接电流优选设定为110～130A，送料机构1的送丝速度优选设定为60～70mm/s，工作台面2的移动速度优选设定为4.5～5.5mm/s。通过合理的选择焊丝的直径、送丝速度、焊接电流、粉末的粒度、铺粉的厚度和工作台面2的运动速度结合优化路径的算法，使得成型的金属零件致密度好、强度高、硬度和刚度好、力学性能较好。
本发明提供的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法改变了传统的金属零件的制作工艺过程，整个制作工序简洁，成本低，易于实现，能效结合金属堆焊成型机，采用极坐标方式进行加工，通过金属堆焊成型机上的旋转机构6和工作台面2的相应移动配合，以及合理的选择焊丝的直径、送丝速度、焊接电流、粉末的粒度、铺粉的厚度和工作台面2的运动速度结合优化路径的算法，达到在堆焊沉积过程中动作的连贯性，成型速度快、效果好，使得成型的金属零件致密度好、强度高、硬度和刚度好、力学性能较好。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法，均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)根据所需成型金属零件的形状和结构，用三维绘图软件创建出相应形状和结构的三维零件模型，并将该三维零件模型转换为STL格式图档；
(2)对STL格式图档进行分层处理，获得分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中；
(3)预备金属成型材料，将该金属成型材料放置在金属堆焊成型机的送料机构上；
(4)预备支撑金属粉末材料，沿分层堆焊成型路径轨迹用所述支撑金属粉末材料在金属堆焊成型机的工作台面上铺出一层支撑粉层；
(5)开启金属堆焊成型机，金属堆焊成型机按照分层堆焊成型路径轨迹进行堆焊；
(6)当一层堆积完成之后，重复步骤(4)至(5)，进行逐层堆焊，直至完成整个零件的堆焊，获得金属零件。
2.根据权利要求1所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)通过上位机软件将STL格式图档的三角面片数据全部读取出来，然后选择要分层的方向，该方向包括：X方向、Y方向和Z方向，接着将每个三角面片沿该方向上的顶点的最大值和最小值调取出来，同面片数据一起保存；
(2.2)设定分层的层数，算出每层高度，从底层到顶层，拿每层的高度与所有的面片数据的最大值和最小值进行比较，如果相交则计算交点，不相交就跳到下个三角面片继续比较，将交点按层保存，待调用；
(2.3)对每层的交点数据进行处理，每个三角面片的交点数据按顺序排列成封闭的曲线，并对该图形进行填充，将填充后的运动坐标点传给下位机，形成堆焊成型路径轨迹；
(2.4)收集各层的堆焊成型路径轨迹形成分层堆焊成型路径轨迹数据，并将该分层堆焊成型路径轨迹数据导入金属堆焊成型机的控制系统中。
3.根据权利要求1所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述金属成型材料为线径为0.6～1mm的铁焊丝、铝焊丝或铜焊丝。
4.根据权利要求1所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述支撑成型材料为40-80目的金属材料粉末，该金属材料粉末为以下材料之一或多种混合：铁粉末、铝粉末、铜粉末。
5.根据权利要求4所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤(4)中支撑粉层的厚度为1～2.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述金属堆焊成型机的焊接电流为110～130A，送料机构的送丝速度为60～70mm/s，工作台面的移动速度为4.5～5.5mm/s。
7.根据权利要求1所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤(5)是在充满CO2或惰性气体的封闭空间中完成的。
8.根据权利要求1-7任一所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
(7)对金属零件进行去应力退火处理。
9.根据权利要求8所述的基于金属粉末支撑的堆焊成型金属零件的方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括以下步骤：
(7.1)将金属零件装入炉中，加热到600～640摄氏度，并保温2～4小时；
(7.2)保温完成后，停止加热，待炉冷至200摄氏度后，从炉中取出金属零件进行空冷，即完成去应力退火处理。
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