CN104999080A - 一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，主要用于高精度的、具有复杂微细结构的零件的加工，属于激光快速成型技术领域；本发明的基本实施过程如下：第一步，建模与工艺规划；第二步，激光送丝熔覆形成基底材料；第三步，激光送丝熔覆成形；第四步，进行五轴联动复合加工；第五步，按照步骤三、四的方式逐层沉积及复合加工，直至最后加工出高精度的金属零件；第六步，去除基底材料，得到最终的成品；该方法可以制造微米级的具有复杂内腔或深槽、薄壁等特征的微细结构件。

Description

一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法

技术领域

本发明属于激光快速成型技术领域，具体涉及一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法。

背景技术

随着制造技术的发展，精密微细复杂结构件在航空、航天、兵器等领域的使用越来越广泛，其在国防科工事业中发挥的作用也日益显著。而增材制造技术及装备的日趋成熟为微细复杂结构件的设计带来了全新的思路，但是普通增材制造方法加工出来的零件表面质量相对较差，往往需要后续的处理才能真正投入使用。特别对于某些深槽、曲面内腔等结构在成形后是无法进行加工的，而通常这些部位正是部件使用过程中的危险点，若不进行表面处理极容易出现故障。另外，精密微细结构往往存在薄壁、大长径比特征零件，单一的铣削无法满足该类零件的高精度加工，目前解决此类问题的一个可行的方案便是将这些单一的切削工艺进行真正意义上的复合，即车铣复合、车磨复合，甚至车铣磨复合，以获得优异的形状精度的同时保证了零件的表面精度。因此，一种将增材与减材制造相结合、车铣磨复合的完整制造方法对精密微细复杂结构件的制造显得尤为重要。

现有的增减材复合加工工艺研究主要包括，日本松浦机械制作所的金属粉末镭射造形复合加工工艺、德国DMG公司的金属3D打印复合5轴加工技术、国内华中科技大学的等离子熔积成形与铣削光整复合加工工艺等。金属粉末镭射造形复合加工工艺是将选择性激光烧结技术与五轴联动铣削加工技术复合起来，主要用于工模具件的复合成形，其缺点在于使用粉末床的方式进行成形在切削过程中会引起切屑以及加工表面与粉末粘结，切屑与粉末混在一起不利于回收，以及难以或不能对内腔结构或悬臂结构进行切削。金属3D打印复合5轴加工是DMG公司推出的，其将激光粉末熔覆技术与五轴联动加工技术复合，主要面向航天航空等高温材料及贵重金属进行成形加工，该工艺是将切削作为光整加工进行使用的，因此只有在因结构的需要才转换成形、切削工艺，另外，使用粉末沉积的结构件其力学性能也较金属丝沉积的差。等离子熔积采用等离子束作为加热源，对粉末或金属丝进行沉积，其与铣削加工复合在一起是国内复合增材加工的首例。但不管从理论计算还是实验研究均表明，相对激光束来说，等离子束的束径(光斑)较大，难以成形精细的结构，这也是采用等离子熔积方法作为成形手段的一大缺点；其次，等离子束熔积的热影响区较大，使切削难以获得较高的尺寸精度以及形状精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，主要用于高精度的、具有复杂微细结构的零件的加工,该方法可以制造微米级的具有复杂内腔或深槽、薄壁等特征的微细结构件。

本发明的基本实施过程如下：

第一步，建模与工艺规划：首先通过扫描或建模的方式得到所需加工金属结构件的三维形状数据；然后根据材料的特点以及三维形状的几何特点进行工艺规划；

第二步，激光送丝熔覆形成基底材料：按照设计的工艺规划通过激光加工头和送丝头对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在工作台的转台上表面形成基底材料；

第三步，激光送丝熔覆成形：按照设计的工艺规划通过激光加工头和送丝头对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在基底材料的上表面逐层沉积形成沉积层；

第四步，进行五轴联动复合加工：待沉积层达到设定层厚时，将工作台转台转移到电主轴下方，并利用电主轴与工作台形成的五轴联动加工系统对沉积层进行复合加工；

第五步，按照步骤三、四的方式逐层沉积及复合加工，直至最后加工出高精度的金属结构件；

第六步，去除基底材料：金属结构件加工完毕后，通过切割方法将基底材料去除，得到最终的成品。

进一步的，在第一步中，所述工艺规划包括：成形工艺规划以及电主轴的切削工艺规划；

所述成形工艺规划指成形过程的所有工艺参数，包括激光功率、所选取金属丝的材质、金属丝的丝径、送丝头的送丝速度、每一层沉积开始之前工作台沿竖直方向下降的高度、工作台水平轴移动的速度、工作台转轴的转速及工作台水平轴的数控插补过程；

所述电主轴的切削工艺规划包括刀具的选取、切削进给量、切削深度及切削速度。

进一步的，所述切削工艺规划的切削为干切削，并不添加冷却液或者润滑油，且在沉积层处于高温状态下进行。

进一步的，在进行第二步之前，对金属丝进行干燥处理或者对金属丝进行预热。

进一步的，所述金属丝为普通钢丝或不锈钢丝，金属丝径不超过0.8mm。

进一步的，所述激光加工头的激光为脉冲激光，激光加工头的激光光斑为0.2mm-0.6mm。

进一步的，在进行激光送丝熔覆的过程中引入保护气体，进行激光送丝熔覆时先将工作区抽真空，再加入氩气进行保护。

进一步的，在第二步中，送丝头与激光加工头固定在外部支撑结构上，且使激光加工头发射的激光能够作用在送丝头上的金属丝上；工作台进行三轴联动，逐层沉积形成沉积层；在第三步中，所述五轴联动加工系统为利用工作台的速度、位置控制，同时通过电主轴的铣削、磨削或车铣、车磨的单一或复合工艺对沉积层表面进行复合加工。

有益效果：(1)本发明相对于已有激光快速成形及已有复合快速成形方法能够加工出更高精度、更优表面光洁度的结构件，并且将激光送丝熔覆成形的增材制造与进行五轴联动复合加工的减材制造相结合，直接加工出能够投入使用的工件。

(2)本发明的工作台具有四轴，并可实现三至四轴联动，工作台及切削电主轴结合，共有六轴，并可实现五轴联动；可以加工出任意三维曲面。

(3)本发明的工作环境为先将工作区抽真空，再加入氩气进行，且保护在激光送丝熔覆过程中引入保护气体，避免了焊道内部以及上表面出现影响零件力学性能的氧化层。

附图说明

图1为本发明的制造过程流程图；

图2为本发明的装置结构示意图；

图3为本发明的加工对象一。

图4为本发明的加工对象二。

其中，1-激光加工头，2-送丝头，3-工作台，4-电主轴。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造装置，参见附图2，包括：激光加工头1、送丝头2、工作台3以及电主轴4；

所述工作台3包括三个直线位移台及一个转台；三个直线位移台依次安装一起，从上至下分别为沿X轴、Y轴、Z轴进行运动的直线位移台，其中，X轴、Y轴和Z轴互相垂直，Z轴为竖直方向；转台安装在上端的直线位移台上，转台的自转方向设为C轴，转台的自转轴线与Z轴方向一致，工作台3可进行X轴、Y轴、C轴联动，成形出复杂曲面；

所述电主轴4的自转方向设为B轴，电主轴4的自转轴线与Y轴方向一致，电主轴4具有沿竖直方向Z’轴的直线运动以及沿B轴的旋转运动；

送丝头2与激光加工头1固定在外部支撑结构上，激光加工头1、送丝头2位于转台的上方，且激光加工头1发射的激光作用在送丝头2上的金属丝上；电主轴4位于工作台3上方，电主轴4切削加工时，电主轴4的Z’轴、B轴与工作台3的X轴、Y轴、C轴运动配合，实现五轴联动，可以加工出任意三维曲面。

本发明提供了一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，参见附图1，其基本实施过程如下：

第一步，建模与工艺规划：首先通过扫描或建模的方式得到所需加工金属结构件的三维形状数据；通过三维建模软件对三维形状数据进行处理，并根据工艺特点对三维形状数据进行优化；然后根据材料的特点以及三维形状的几何特点进行工艺规划，其中包括成形工艺规划以及切削工艺规划；

第二步，激光送丝熔覆形成基底材料：按照设计的工艺规划通过激光加工头1和送丝头2对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在工作台3的转台上表面形成基底材料；

第三步，激光送丝熔覆成形：按照设计的工艺规划通过激光加工头1和送丝头2对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在基底材料的上表面逐层沉积形成沉积层；

第四步，进行五轴联动复合加工：待沉积层达到设定层厚时，将工作台3的转台转移到电主轴4下方，并利用电主轴4与工作台3形成的五轴联动加工系统对沉积层进行复合加工，以保证沉积层的表面质量，同时为下一次的激光送丝熔覆提供更好的沉积表面；

第五步，按照步骤三、四的方式逐层沉积及复合加工，直至最后加工出高精度的金属结构件；

第六步，去除基底材料：金属结构件加工完毕后，通过切割方法将基底材料去除，得到最终的成品。

实例1：

第一步，建模与工艺规划，首先通过扫描或建模的方式得到所需加工件的三维形状数据；通过三维建模软件对三维形状数据进行处理，并根据工艺特点进行对三维形状数据进行优化；然后根据材料的特点以及三维形状的几何特点进行工艺规划，其中包括成形工艺规划以及电主轴的切削工艺规划；

所述成形工艺规划指成形过程的所有工艺参数，包括激光功率、所选取金属丝的材质、金属丝的丝径、送丝头2的送丝速度、每一层沉积开始之前工作台3沿Z轴下降的高度、扫描速度(工作台3的X轴、Y轴移动的速度和C轴的转速)及轮廓信息(工作台3的X轴、Y轴的数控插补过程)；

所述电主轴的切削工艺规划包括刀具的选取、切削进给量、切削深度及切削速度；本发明的切削为干切削，并不添加冷却液或者润滑油，且在沉积层处于高温状态下进行，因此切削工艺规划需要在传统切削工艺规划的基础上进行一定的修正；

第二步，激光送丝熔覆形成基底材料，首先，对金属丝进行一定的干燥处理或者对金属丝进行适当预热，然后，按照设计的工艺规划通过激光加工头1和送丝头2对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在工作台3的转台上表面形成基底材料，以保证所加工金属结构件的材料均匀性；

第三步，激光送丝熔覆成形，按照设计的工艺规划通过激光加工头1和送丝头2对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在基底材料的上表面逐层沉积形成沉积层；其中，送丝头2与激光加工头1固定在外部支撑结构上，且使激光加工头1发射的激光能够作用在送丝头2提供的金属丝上；工作台3进行X轴、Y轴、C轴联动，沉积出复杂曲面；

所述金属丝为普通钢丝或不锈钢丝等丝材，金属丝径不超过0.8mm；

所述激光加工头1采用的激光光斑为0.2mm-0.6mm，激光加工头1的激光为脉冲激光，成形焊道为一系列熔滴搭接形成的结果，故为避免焊道内部以及上表面出现影响零件力学性能的氧化层，在激光送丝熔覆过程必须引入保护气体，激光送丝熔覆时先将工作区抽真空，再加入氩气进行保护；

第四步，进行五轴联动复合加工，待沉积层达到设定层厚时，将工作台3的转台沿X轴方向转移到电主轴4下方，并利用电主轴4与工作台3形成的五轴联动加工系统对沉积层进行复合加工，即利用工作台3的速度、位置控制，通过电主轴4的铣削、磨削或车铣、车磨等单一或复合工艺对沉积层表面进行复合加工，以保证沉积层的表面质量，同时为下一次的激光送丝熔覆提供更好的沉积表面；

第五步，按照步骤三、四的方式逐层沉积及复合加工，直至最后加工出高精度的金属结构件；所述电主轴4为高转速电主轴，在高转速电主轴的作用下，最终加工的成品精度能达微米级；

第六步，去除基底材料，金属结构件加工完毕后，在其他设备上通过切割方法将基底材料去除，得到最终的成品。

实例2：

参见附图3、4，为本发明所能加工的典型零件；该零件具有复杂内壁或薄壁，并且槽宽很小，具有高精度表面质量；生产时，必须一边通过激光送丝熔覆成形一边进行五轴联动复合加工，否则成形完毕后刀具无法进入曲面深槽内部。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，

第一步，建模与工艺规划：首先通过扫描或建模的方式得到所需加工金属结构件的三维形状数据；然后根据材料的特点以及三维形状的几何特点进行工艺规划；

第二步，激光送丝熔覆形成基底材料：按照设计的工艺规划通过激光加工头(1)和送丝头(2)对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在工作台(3)的转台上表面形成基底材料；

第三步，激光送丝熔覆成形：按照设计的工艺规划通过激光加工头(1)和送丝头(2)对金属丝进行激光送丝熔覆，熔化为液态的金属丝在基底材料的上表面逐层沉积形成沉积层；

第四步，进行五轴联动复合加工：待沉积层达到设定层厚时，将工作台(3)的转台转移到电主轴(4)下方，并利用电主轴(4)与工作台(3)形成的五轴联动加工系统对沉积层进行复合加工；

第五步，按照步骤三、四的方式逐层沉积及复合加工，直至最后加工出金属结构件；

第六步，去除基底材料：金属结构件加工完毕后，通过切割方法将基底材料去除，得到最终的成品。

2.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，在第一步中，所述工艺规划包括：成形工艺规划以及电主轴的切削工艺规划；

所述成形工艺规划指成形过程的所有工艺参数，包括激光功率、所选取金属丝的材质、金属丝的丝径、送丝头(2)的送丝速度、每一层沉积开始之前工作台(3)沿竖直方向下降的高度、工作台(3)水平轴移动的速度、工作台(3)转轴的转速及工作台(3)水平轴的数控插补过程；

所述电主轴的切削工艺规划包括刀具的选取、切削进给量、切削深度及切削速度。

3.如权利要求2所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述切削工艺规划的切削为干切削，且在沉积层处于高温状态下进行。

4.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，在进行第二步之前，对金属丝进行干燥处理或者对金属丝进行预热。

5.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述金属丝为普通钢丝或不锈钢丝，金属丝径不超过0.8mm。

6.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述激光加工头(1)的激光为脉冲激光，激光加工头(1)的激光光斑为0.2mm-0.6mm。

7.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，在进行激光送丝熔覆的过程中引入保护气体氩气。

8.如权利要求1所述的一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法，其特征在于，在第二步中，送丝头(2)与激光加工头(1)固定在外部支撑结构上，且使激光加工头(1)发射的激光作用在送丝头(2)上的金属丝上；工作台(3)进行三轴联动，逐层沉积形成沉积层；在第三步中，所述五轴联动加工系统为利用工作台(3)的速度、位置控制，同时通过电主轴(4)的铣削、磨削或车铣、车磨的单一或复合工艺对沉积层表面进行复合加工。