CN105458264B - 一种接触式机械振动条件下增材制造方法 - Google Patents

一种接触式机械振动条件下增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种接触式机械振动条件下增材制造方法，通过在电弧送丝增材制造或者激光送粉熔化增材制造的过程中，同步引入一定频率的机械振动，使零件处于一种微振动状态，通过机械振动作用于增材制造过程中形成的微小液态熔池，起到细化晶粒，使组织变得更加均匀和减少甚至消除气孔、夹杂及未熔合现象。同时振动作用于刚凝固的金属，使振动产生的应力和增材制造过程中产生的残余应力叠加产生局部塑形变形，达到减小增材制造零件的残余应力和变形的目的，使振动条件下增材制造加工的零件具有更优良的性能。

Description

一种接触式机械振动条件下增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体的是一种适用于电弧送丝增材制造和激光送粉熔化增材制造的方法，通过一个安装在增材制造平台上的激振器使平台振动，从而在振动过程中同步完成增材制造成形。
背景技术
激光送粉熔化增材制造和电弧送丝增材制造，是一种基于离散材料逐层堆积成形原理，依据产品三维CAD模型，通过添加填充材料逐层堆积出产品原型或零部件的新型制造技术。激光送粉熔化增材制造使用金属粉末作为填充材料，电弧送丝增材制造使用金属丝材作为填充材料，两种方法都能实现复杂零件的近净成形制造。在加工的过程中这两种方法都可能出现气孔、夹杂和变形等缺陷，影响零件的加工精度和使用性能。
激光送粉熔化增材制造和电弧送丝增材制造加工零件时都是使填充材料快速熔化和快速凝固逐层堆积成形，材料在熔化的过程中，如果填充材料受潮、保护气体不纯和保护的效果不好的情况下，液态熔池会溶解部分气体，熔池凝固时，如果气体来不及逸出就会在工件内形成气孔，在铝合金增材制造过程中这种现象尤其严重。由于氢在液态的铝中溶解度很大，而在固态铝中的溶解度几乎为零，增材制造过程中当熔池冷却到凝固温度时氢的溶解度急剧下降，析出大量的氢来不及逸出，会在铝合金中形成大量的氢气孔，导致零件力学性能下降，特别是动态力学性能，如疲劳和裂纹扩展性能下降。
增材制造过程中零件在高温状态下容易氧化，产生的氧化物容易形成夹杂，也会影响零件的力学性能。
增材制造是一个局部加热和冷却过程，零件上温度分布不均匀，因此会在零件内部产生较大的内应力。较大内应力会引起变形，从而影响零件的加工精度，当内应力大到一定程度时甚至会导致零件开裂、报废。
综上所述在如果控制不当，增材制造过程中会产生气孔、夹杂、变形和开裂等缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，通过在增材制造过程中同步引入机械振动，使液态熔池处于微振动状态。
本发明的技术方案是：在增材制造过程中通过同步引入机械振动，使正在加工的零件处于小幅度的振动状态，振幅小于1mm。
具体地，本发明提出一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，包括如下步骤：
(1)准备工作，将增材制造基板固定于振动平台上，将激振器固定于振动平台上；所述振动平台由刚性材料制成；
(2)将加速度传感器安装在基板上，设定激振器的振动时间和激振频率，开启激振器；调节激振器频率并通过加速度传感器测量基板上的振动加速度，使基板振动达到预定振动加速度为止；所述预定振动加速度为根据不同的填充材料在不同的热输入下对应的最佳振动加速度，选择振动加速度的原则是在不影响成形的情况下使振动加速度达到最大值。
(3)开启增材制造设备，开始在基板上进行沉积作业；
(4)零件沉积完成后，继续保持振动状态10～20分钟，关闭激振器，完成整个制造过程。
进一步的，所述的增材制造的方法中，振动平台下部设有四个橡胶垫，使平台更容易振动。
进一步的，所述的增材制造的方法中，振动平台是长方形的平台，更有利于振动波的传递。
进一步的，所述的增材制造的方法中，所述橡胶垫放置在平台的长度方向和宽度方向，距边缘的九分之二处；所述激振器安装在振动平台的一侧中间，可使振动平台上的振动加速度分布更加均匀。
进一步的，所述的增材制造的方法中，增材制造方法为电弧送丝增材制造或激光送粉熔化增材制造。
进一步的，所述的增材制造的方法中，制造该类零件的材料可以但不限于铝合金、钛合金、高温合金和钢。
如上所述振动条件下增材制造，由于不同的金属在不同的温度下具有不同的流动性，因此不同的填充材料在不同的热输入下对应着一个最佳的振动加速度，选择振动加速度的原则是在不影响成形的情况下使振动加速度达到最大值。因此在进行振动增材制造时必须先进行试验，得出不同材料在不同热输入下的最佳振动加速度。
如上所述的增材制造是一个填充材料不断熔化和凝固的过程，机械振动在加工过程中有两种作用，其一是对液态金属熔池振动作用，其二是对已凝固金属零件产生振动时效作用。
第一，对液态金属熔池的振动。增材制造过程中同步引入一定频率和幅度的机械振动可以使熔池中的液态金属产生剧烈的振动，加强了液态金属枝晶的冲击作用和对枝晶根部的重熔作用，使细小的枝晶脱落，增加了游离的晶核，提高了形核率，从而达到细化晶粒的目的。另外，振动还促进了液态金属中细小气泡的合并长大，加速了气泡的上浮和逸出速度，可以减少或消除气孔。同时也可以促使夹杂物浮到液态熔池的表面，减少零件中夹杂。
第二，振动作用于已经凝固的金属。振动产生的应力与已经凝固金属中的内应力叠加，使零件局部产生微观塑性变形，从而减小或消除零件中残余应力和变形，提高零件的制造精度。
采用本发明提出的方法，对在增材制造过程中同步施加一定频率的机械振动，减少在电弧送丝增材制造和激光送粉熔化增材制造过程中存在气孔、夹杂、变形和开裂等缺陷，同时可以细化晶粒，使加工的零件组织更加均匀。
总之，本方法相对于现有技术具有以下优点：
(1)接触式机械振动条件下增材制造可以减少或消除增材制造过程中的气孔和夹杂、等缺陷，并且可以减小或消除零件的残余应力、变形和开裂，提高制造零件的质量和成品率。
(2)接触式机械振动条件下增材制造可以增加熔池中液态金属对枝晶的冲击作用，使枝晶脱落，增加游离晶核，提高形核率从而细化晶粒，并且可以使组织变得更加均匀。
(3)接触式机械振动条件下增材制造加工的零件具有更高的强度、韧性和疲劳性能。
附图说明
图1振动条件下增材制造装置；
图中1-振动控制柜、2-激振器、3-加速度传感器、4-增材制造零件、5增材制造沉积设备、6-基板、7-橡胶垫、8-振动平台。
具体实施方式
本发明在增材制造过程中同步引入机械振动，使液态熔池产生振动凝固。振动凝固是液态金属在凝固的过程中对液态熔池施加一定频率的机械振动，它可以提高液态金属的流动性，因此在铸造过程中经常引入振动来提高液态金属的充型能力，同时还可以减少零件的缩松和缩孔等缺陷。另外，液态金属在凝固过程中持续不断的机械振动，增强了液态金属对枝晶的冲刷作用，增加了液态金属中的游离晶核，提高了形核率从而可以达到细化晶粒的目的。
液态金属凝固后继续对工件施加一定频率的机械振动，持续数分钟至数十分钟，可以使机械振动产生的动应力与零件内的残余应力叠加，当叠加后的应力超过材料的屈服极限时，工件发生微观的塑形变形，从而可以降低零件的残余应力、减小零件的变形。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
振动增材制造的振动设备由激振器、振动控制柜、加速度传感器、振动平台、橡胶垫组成。本实施例中激振器采用偏心电机，用于产生机械振动。振动时间和激振频率的设定和调节通过振动控制柜实现。加速度传感器用于测量零件上的振动加速度；振动平台由刚性材料制成，材料为Q235轧制钢板，用于传递振动和装夹基板，橡胶垫用于放置振动平台；以上设备如图1示。
实施例1
如上所述接触式机械振动条件下增材制造选择的增材制造方法为电弧送丝增材制造，激振器为偏心电机，通过振动控制柜设定其工作时间和振动加速度；选用的填充材料为直径1.0mm的ER85-G高强钢焊丝，对应的最佳振动加速度为17m/s2，振动平台由刚性材料制成的材料为Q235轧制钢板，送丝速度为4m/min，焊接速度为3mm/s，偏心电机的偏心角度为20°，对应的电机的转速为2268r/min，振动平台的尺寸为2700mm×800mm×50mm，
(1)准备工作，将偏心电机和增材制造基板固定于振动平台上，所述振动平台是是由刚性材料制成；其中振动平台下放置四个橡胶垫，每个橡胶垫放置的位置：长度方向距离振动平台的端部为600mm，宽度方向距离端部为180mm，偏心电机安装在平台的一侧中间。
(2)然后将加速度传感器安装在基板上，开启激振器，在振动控制柜上设定振动时间和振动加速度；调节偏心电机的转速为2268r/min，使基板上的振动加速度为17m/s2，直到基板上的振动加速度达到稳定状态。
(3)开启增材制造设备，开始在基板上进行沉积作业；
(4)零件沉积完成后，继续保持振动状态10分钟，关闭激振器，完成整个制造过程。
实施例2
如上所述接触式机械振动条件下增材制造选择的增材制造方法为电弧送丝增材制造，激振器为偏心电机，通过振动控制柜设定其工作时间和振动加速度；选用的填充材料为直径1.2mm的铝镁合金焊丝，振动平台由刚性材料制成的材料为Q235轧制钢板，送丝速度为9.4m/min，焊接速度为6mm/s，偏心电机的偏心角度为20°，电机的转速为2300r/min，基板放置位置的振动加速度为20m/s2，振动平台的尺寸为2700mm×800mm×50mm，
(1)准备工作，将激振器和增材制造基板固定于振动平台上，所述振动平台是是由刚性材料制成；其中振动平台下放置四个橡胶垫，每个橡胶垫放置的位置：长度方向距离振动平台的端部为600mm，宽度方向距离端部为180mm，偏心电机安装在平台的一侧中间。
(2)然后将加速度传感器安装在基板上，开启激振器，在振动控制柜上设定振动时间和振动加速度；调节偏心电机的转速为2300r/min，使基板上的振动加速度为20m/s2(相对于铝镁合金焊丝的最佳振动加速度)，直到基板上的振动加速度达到稳定状态。
(3)开启增材制造设备，开始在基板上进行沉积作业；
(4)零件沉积完成后，继续保持振动状态20分钟，关闭激振器，完成整个制造过程。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，其特征在于：通过在增材制造过程中同步引入机械振动，使液态熔池处于微振动状态，并对刚凝固的金属施加微振动；所述微振动指振幅小于1mm的振动；
包括如下步骤：
(1)准备工作，将增材制造基板固定于振动平台上，将激振器固定于振动平台上，所述激振器安装在振动平台的一侧中间，使振动平台上的振动加速度分布更加均匀；所述振动平台由刚性材料制成；
(2)将加速度传感器安装在基板上，设定激振器的振动时间和激振频率，开启激振器；调节激振器频率并通过加速度传感器测量基板上的振动加速度，使基板振动达到预定振动加速度为止；所述预定振动加速度为根据不同的填充材料在不同的热输入下对应的最佳振动加速度，振动加速度的原则是在不影响成形的情况下使振动平台上的振动加速度达到最大值；
(3)开启增材制造设备，开始在基板上进行沉积作业；
(4)零件沉积完成后，继续保持振动状态10～20分钟，关闭激振器，完成整个制造过程。
2.根据权利要求1所述的一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，其特征在于：所述振动平台下部设有四个橡胶垫。
3.根据权利要求1或2所述的一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，其特征在于：所述振动平台是长方形的平台。
4.根据权利要求3所述的一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，其特征在于：所述橡胶垫放置在平台的长度方向和宽度方向，距边缘的九分之二处。
5.根据权利要求1或2所述的一种接触式机械振动条件下增材制造的方法，其特征在于：所述增材制造方法为电弧送丝增材制造或激光送粉熔化增材制造。
6.根据权利要求1或2所述的一种接触式机械振动条件下增材制造方法，其特征在于：所述填充材料是铝合金、钛合金和钢中的任一种。
7.根据权利要求1或2所述的一种接触式机械振动条件下增材制造方法，其特征在于：所述填充材料是高温合金。
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