CN106735208A - 大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，包括如下步骤：三维数模的建立和分切、第一数模零件的制造和第二数模零件的制造、第一数模零件和第二数模零件结合体的热处理等。本发明提供的一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，将激光选区熔化成形技术和激光熔覆技术有效结合起来，用以制造传统难以制造的大尺寸复杂结构金属零件，解决许多难以制造的大尺寸复杂结构的零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

Description

大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于低成本小批量产品制造，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著，在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景。

增材制造技术无需模具，可直接低成本一体化制造复杂构件，并有望基于增材制造技术在构型能力上的优势，进一步优化现飞行器零部件结构，提高结构效率，实现高性能。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，能够显著缩短研发周期和研发成本。

金属增材制造技术按热源类型可分为三类：激光、电子束和电弧。目前，应用最为广泛的技术是激光增材制造，其主要包括激光选区熔化成形技术和激光熔覆技术，其中激光选区熔化成形技术适合制造小尺寸精密零件，激光熔覆技术适合制造大尺寸零件，现皆已应用于航空航天等高精尖技术领域部分零部件。

但随着新型飞行器低成本、高可靠性要求的不断提升，零部件逐渐向大型化、结构复杂化发展，传统方法无法制造该类零件，而现有单一激光增材制造技术难以满足制造要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，用以制造传统难以制造的大尺寸复杂结构金属零件，使其能满足设计要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其包括如下步骤：

S1：构建大尺寸复杂结构零件的三维数模；

S2：将所述三维数模进行修复后，切分成适合激光选区熔化成形技术制造精密复杂结构的第一数模和适合激光熔覆技术制造大尺寸结构的第二数模；

S3：对所述第一数模进行悬臂分析、摆放角度分析以及添加支撑分析，并在所述第一数模和第二数模的接口端面添加余量；

S4：对步骤S3中的三维数模进行切片，转化成二维切片信息，并将所述二维切片信息生成加工程序文件，导入激光选区熔化成形设备中；

S5：设定所述激光选区熔化成形设备的成形工艺参数，并将成形基板进行毛化后装配到激光选区熔化成形设备中，并装配刮刀；

S6：向激光选区熔化成形设备的料缸添加金属粉末，并调整激光选区熔化成形设备的成形舱中的氧气含量，启动激光选区熔化成形设备，依次制备第一数模零件和第二数模零件，形成第一数模零件和第二数模零件的结合体；

S7：将所述第一数模零件和第二数模零件的结合体冷却后进行热处理，对第一数模零件进行去除基板线切割，对第二数模零件以及整体大尺寸零件的外形尺寸进行数控加工，得到大尺寸复杂结构金属零件的增材。

作为优选方案，步骤S3中所述的余量具体为沿第一数模端面水平方向单边添加0.5~1.0mm余量，沿第一数模端面垂直方向添加1.0~1.5mm余量。

作为优选方案，步骤S5中所述的成形工艺参数包括：激光功率为100~360W，扫描速度为500~1800mm/S，激光搭接为0.90~0.12mm，铺粉层厚为0.02~0.06mm，补粉量为0.03~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15。

作为优选方案，步骤S5中的刮刀的下底面与基板表面的间隙不大于0.05mm。

作为优选方案，步骤S6中所述的金属粉末的粒度不超过62μm。

作为优选方案，步骤S6中所述的第一数模零件的制备方法为：

根据第一数模加工程序的第一层轨迹，对成形基板上的金属粉末选择性熔化，熔池冷却并凝固成实体，第一层扫面两遍，形成第一数模部分的第一层截面；

成形缸下降单层高度，料缸上升一定高度，刮刀将粉末均匀地铺在成形基板上，多余粉末收到回收料缸内，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第一数模零件成形结束；

该一定高度的计算方法依据公式：

H=h*(1+S₁/S)

H为料缸上升高度；

h为成型缸单层高度；

S₁为零件截面外轮廓面积；

S为成型缸面积。

作为优选方案，步骤S6中所述的第二数模零件的制备方法为：

取出第一数模零件后，将带基板的第一数模零件固定到激光熔覆设备工作平台上，去除第一数模零件部分上端面的氧化皮以及污物；

选择粒度为50~110μm的金属粉末，加入到送粉器粉斗中，保证送粉器正产工作；

根据第二数模采用熔覆专用编辑程序软件（OFFICELITE软件），编写激光熔覆程序，调整熔覆头，并试运行动作；

设定熔覆参数并调整所述激光熔覆设备中舱室的氧气含量，开启激光熔覆设备，送粉器侧向送粉到第一数模零件上端面，激光器出光将粉末熔化，与第一数模零件上端面冶金结合，冷却并凝固成实体，形成第二数模部分的第一层截面；

机械臂上升一层层厚高度，送粉器将粉末送到第二数模部分的第一层截面上，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第二数模零件成形结束。

作为优选方案，所述熔覆参数包括：激光功率为1000~2500W，扫描速度为5~15mm/s，激光搭接为1.0~1.8mm，铺粉层厚为0.20~0.60mm，光斑直径为1.0~3.0mm，送粉器速率为200~600mg/s。

作为优选方案，步骤S7中所述的热处理的具体操作为：

选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理条件：温度为300~900℃，保温时间2~6小时，真空度不低于1×10^-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，将激光选区熔化成形技术和激光熔覆技术有效结合起来，用以制造传统难以制造的大尺寸复杂结构金属零件，解决许多难以制造的大尺寸复杂结构的零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

步骤1：采用三维画图软件（如CATIA），构建大尺寸复杂结构零件的三维数模，并采用专用修复软件（如MAGICS）对三维数模进行修复；

步骤2：采用专用修复软件，将大尺寸复杂结构零件的三维数模切分成两种三维数模，第一数模是适合于激光选区熔化成形技术制造的精密复杂结构，第二数模是适合于激光熔覆技术制造的大尺寸结构；

步骤3：采用专用修复软件对第一数模进行悬臂分析、摆放角度分析、以及添加支撑分析，并在第一数模与第二数模接口端面添加余量，沿第一数模端面水面方向单边添加0.5~1.0mm余量，沿第一数模端面垂直方向添加1.0~1.5mm余量；

步骤4：采用专用切片软件对步骤3的三维数模进行切片，转化成二维切片信息，并生成相应的加工程序文件，并导入到激光选区熔化成形设备中；

步骤5：设定激光选区熔化成形设备的成形工艺参数：激光功率为100~360W，扫描速度为500~1800mm/s，激光搭接为0.90~0.12mm，铺粉层厚为0.02~0.06mm，补粉量为0.03~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15；

步骤7：采用喷砂机将成形基板表面毛化，装配到激光选区熔化成形设备的成形缸上，并装配刮刀，调整刮刀下地面与基板表面的间隙不大于0.05mm；

步骤8：选取粒度为0~62μm的金属粉末，将其加入到料缸中，采用刮刀将粉末均匀地铺在基板上，并开始向设备成形舱室内部充入纯度为99.999%的氩气，使成型仓内部的氧含量降到200ppm内；

步骤9：激光选区熔化成形设备开始工作，根据第一数模加工程序的第一层轨迹，对成形基板上的金属粉末选择性熔化，熔池冷却并凝固成实体，第一层扫面两遍，形成第一数模零件部分的第一层截面；

步骤10：成形缸下降单层高度，料缸上升一定高度，刮刀将粉末均匀地铺在成形基板上，多余粉末收到回收料缸内，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第一数模零件成形结束；

步骤11：第一数模制造完毕后，继续向设备内充入氩气，并保持设备内氧含量低于100ppm，待冷却12小时后，即可打开设备取出零件；

步骤12：取出零件后，将带基板的零件放置到激光熔覆设备工作平台上，利用成形基板的四个固定孔，将其固定在工作平台上，采用钢丝刷打磨方式，去除第一数模部分上端面的氧化皮以及污物等；

步骤13：选择粒度为50~110μm的金属粉末，将其加入到送粉器粉斗中，保证送粉器正产工作；

步骤14：根据第二数模，采用熔覆专用编辑程序软件，编写激光熔覆程序，调整熔覆头，并试运行动作；

步骤15：设定熔覆参数：激光功率为1000~2500W，扫描速度为5~15mm/s，激光搭接为1.0~1.8mm，铺粉层厚为0.20~0.60mm，光斑直径为1.0~3.0mm，送粉器速率为200~600mg/s；

步骤16：开始向激光熔覆设备舱室内部充入纯度为99.999%的氩气，使舱室内部的氧含量降到200ppm以下；

步骤17：开启激光熔覆设备，送粉器侧向送粉到第一数模零件上端面，激光器出光将粉末熔化，与第一数模零件上端面冶金结合，冷却并凝固成实体，形成第二数模部分的第一层截面；

步骤18：机械臂上升一层层厚高度，送粉器将粉末送到第二数模部分的第一层截面上，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第二数模零件成形结束，形成第一数模零件和第二数模零件的结合体；

步骤19：待冷却4小时以上，取出第一数模零件和第二数模零件的结合体。选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理制度：温度为300℃~900℃，保温时间2~6小时，真空度不低于1×10-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉。

步骤20：热处理完后，对数模1进行去除基板线切割，对数模2零件以及整体大尺寸零件的外形尺寸进行数控加工，直至达到设计要求。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，将激光选区熔化成形技术和激光熔覆技术有效结合起来，用以制造传统难以制造的大尺寸复杂结构金属零件，解决许多难以制造的大尺寸复杂结构的零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建大尺寸复杂结构零件的三维数模；

S2：将所述三维数模进行修复后，切分成适合激光选区熔化成形技术制造精密复杂结构的第一数模和适合激光熔覆技术制造大尺寸结构的第二数模；

S3：对所述第一数模进行悬臂分析、摆放角度分析以及添加支撑分析，并在所述第一数模和第二数模的接口端面添加余量；

S4：对步骤S3中的第一数模进行切片，转化成二维切片信息，并将所述二维切片信息生成加工程序文件，导入激光选区熔化成形设备中；

S5：设定所述激光选区熔化成形设备的成形工艺参数，并将成形基板进行毛化后装配到激光选区熔化成形设备中，并装配刮刀；

S6：向激光选区熔化成形设备的料缸添加金属粉末，并调整激光选区熔化成形设备的成形舱中的氧气含量，启动激光选区熔化成形设备，依次制备第一数模零件和第二数模零件，形成第一数模零件和第二数模零件的结合体；

S7：将所述第一数模零件和第二数模零件的结合体冷却后进行热处理，对第一数模零件进行去除基板线切割，对第二数模零件以及整体大尺寸零件的外形尺寸进行数控加工，得到大尺寸复杂结构金属零件的增材。

2.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S3中所述的余量具体为沿第一数模端面水平方向单边添加0.5~1.0mm余量，沿第一数模端面垂直方向添加1.0~1.5mm余量。

3.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S5中所述的成形工艺参数包括：激光功率为100~360W，扫描速度为500~1800mm/S，激光搭接为0.90~0.12mm，铺粉层厚为0.02~0.06mm，补粉量为0.03~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15。

4.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S5中的刮刀的下底面与基板表面的间隙不大于0.05mm。

5.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S6中所述的金属粉末的粒度不超过62μm。

6.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S6中所述的第一数模零件的制备方法为：

根据第一数模加工程序的第一层轨迹，对成形基板上的金属粉末选择性熔化，熔池冷却并凝固成实体，第一层扫面两遍，形成第一数模部分的第一层截面；

成形缸下降单层高度，料缸上升一定高度，刮刀将粉末均匀地铺在成形基板上，多余粉末收到回收料缸内，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第一数模零件成形结束。

7.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S6中所述的第二数模零件的制备方法为：

取出第一数模零件后，将带基板的第一数模零件固定到激光熔覆设备工作平台上，去除第一数模零件部分上端面的氧化皮以及污物；

选择粒度为50~110μm的金属粉末，加入到送粉器粉斗中，保证送粉器正产工作；

根据第二数模采用熔覆专用编辑程序软件，编写激光熔覆程序，调整熔覆头，并试运行动作；

设定熔覆参数并调整所述激光熔覆设备中舱室的氧气含量，开启激光熔覆设备，送粉器侧向送粉到第一数模零件上端面，激光器出光将粉末熔化，与第一数模零件上端面冶金结合，冷却并凝固成实体，形成第二数模部分的第一层截面；

机械臂上升一层层厚高度，送粉器将粉末送到第二数模部分的第一层截面上，激光沿加工程序轨迹扫描，直至第二数模零件成形结束。

8.如权利要求7所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述熔覆参数包括：激光功率为1000~2500W，扫描速度为5~15mm/s，激光搭接为1.0~1.8mm，铺粉层厚为0.20~0.60mm，光斑直径为1.0~3.0mm，送粉器速率为200~600mg/s。

9.如权利要求1所述的大尺寸复杂结构金属零件的增材制造方法，其特征在于，步骤S7中所述的热处理的具体操作为：

选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理条件：温度为300~900℃，保温时间2~6小时，真空度不低于1×10^-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉。