CN107584117A - 一种基于离散制造技术制备金属制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：步骤1，原料准备；步骤2，零件分段成形；步骤3，分段零件连接面的预处理；步骤4，分段零件预连接；步骤5，热等静压扩散连接；步骤6，去除定位紧固螺纹。本制备方法中适用的金属材料包括镍合金、不锈钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金等，利用增材制造技术离散成形金属零件，金属零件的材料、形状及尺寸不受约束，避免现有增材制造技术无法成形高精度大尺寸复杂形状零件的缺点，缩短了制造周期，提高了金属零件制造效率，扩大了增材制造技术的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及金属制件制备方法技术领域，具体地涉及一种基于离散制造技术制备金属制件的方法。
背景技术
铸、锻、焊结合机械加工的方法一直是传统金属制品主要的加工制造方式，能够解决大部分常用、易加工材料制件高精度制造问题。但是一些具有特殊性能或特殊用途的金属材料，如：镍合金、钛合金、铝合金、高温合金等，由于材料的特殊性能，导致传统加工制造方法无法或难以解决制造/加工问题。
随着工业化的不断改进，増材制造技术在各领域均得到了广泛的应用。目前可直接成形金属零件的快速成形方法主要有三种：选择性激光烧结(SLS)，激光熔覆(LC)，选区激光熔化(SLM)。选区激光熔化是基于离散-堆积理念的增量制造技术，与传统的铸、锻、焊结合机械加工的方法相比，利用高能束激光逐层选择性地熔化金属粉末堆积成形金属零件，具有生产周期短、零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等明显优势。而随着选区激光熔化技术应用领域的增大，在应用过程中逐渐发现其成形中的一些短板，主要有以下两个方面：
第一，限于目前SLM设备成形尺寸的大小，SLM工艺目前所能成形最大设备为西安铂力特增材技术股份有限公司自主研发的S500和S600，其所能成形的零件轮廓尺寸为600mm×600mm×600mm或335mm×335mm×1500mm，但仍无法满足某些领域所要求的大尺寸高精度复杂零件；
第二，由于SLM工艺制造零件成本高昂，主要用于成形高精度复杂零件，若较大尺寸零件中存在某一段复杂程度低，形状简单，传统机加方法即可加工，如果全部采用SLM工艺成形，反而会提高零件成本，降低成形效率。
选区激光熔化是基于离散-堆积理念的增量制造技术，与传统的去除材料加工方法相反，利用高能束激光逐层选择性地熔化金属粉末堆积成形金属零件，具有生产周期短、零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等明显优势。但是由于以上两种缺点极大地限制了增材制造工艺在航空航天等各个领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，解决了现有增材制造技术无法成形大尺寸精密金属零件的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在100℃～130℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
本发明的特点还在于，
步骤1中，筛取后的金属粉末粒径为10μm～60μm。
步骤2.1中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形。
步骤2.2中，逐层打印的层厚为20μm～80μm。
步骤3中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.4～Ra0.8。
步骤4中，压应力为5N～20N。
步骤5中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为500℃～1200℃，压力为60MPa～200MPa，时间为0.5h～4h。
本发明的有益效果是，解决了现有增材制造技术无法成形大尺寸(外形尺寸超过335mm×335mm×1500mm或600mm×600mm×600mm为大尺寸零件)精密金属零件的问题；本制备方法中适用的金属材料包括镍合金、不锈钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金等，利用增材制造技术离散成形金属零件，金属零件的材料、形状及尺寸不受约束，避免现有增材制造技术无法成形高精度大尺寸复杂形状零件的缺点，缩短了制造周期，提高了金属零件制造效率，扩大了增材制造技术的应用领域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在100℃～130℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；
步骤1中，筛取后的金属粉末粒径为10μm～60μm；
步骤1中，金属材料包括镍合金、不锈钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金；
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；
步骤2.1中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；
步骤2.2中，逐层打印的层厚为20μm～80μm；
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；
步骤3中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.4～Ra0.8；
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；
步骤4中，压应力为5N～20N；
分段零件预连接后，应使用非接触式的三维扫描仪对零件外形尺寸进行测量，与三维数码模型进行对比，预连接零件与模型的尺寸精度差应控制在±0.1～±0.5之间；
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；
步骤5中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为500℃～1200℃，压力为60MPa～200MPa，时间为0.5h～4h；
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件
实施例1
一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在100℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；其中，筛取后的金属粉末粒径为10μm-30μm。
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；其中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；其中，逐层打印的层厚为20μm。
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；其中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.8。
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；其中，压应力为5N；尺寸精度控制在±0.3mm。
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；其中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为500℃，压力为60MPa，时间为0.5h。
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
实施例2
一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在130℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；其中，筛取后的金属粉末粒径为20μm-40μm。
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；其中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；其中，逐层打印的层厚为80μm。
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；其中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.4。
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；其中，压应力为20N；尺寸精度控制在±0.3mm。
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；其中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为1200℃，压力为200MPa，时间为4h。
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
实施例3
一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在120℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；其中，筛取后的金属粉末粒径为40μm-60μm。
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；其中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；其中，逐层打印的层厚为60μm。
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；其中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.6。
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；其中，压应力为10N；尺寸精度控制在±0.3mm。
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；其中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为1100℃，压力为100MPa，时间为3h。
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
实施例4
一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在110℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；其中，筛取后的金属粉末粒径为30μm-40μm。
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；其中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；其中，逐层打印的层厚为70μm。
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；其中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.5。
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；其中，压应力为10N；尺寸精度控制在±0.3mm。
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；其中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为900℃，压力为100MPa，时间为2h。
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
实施例5
一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在105℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；其中，筛取后的金属粉末粒径为20μm-40μm。
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；其中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；其中，逐层打印的层厚为70μm。
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；其中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.6。
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；其中，压应力为18N；尺寸精度控制在±0.3mm。
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；其中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为800℃，压力为80MPa，时间为2.5h。
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
本发明有如下优点：本制备方法中适用的金属材料包括镍合金、不锈钢、钛合金、铝合金、高温合金、铜合金等，利用增材制造技术离散成形金属零件，金属零件的材料、形状及尺寸不受约束，避免现有增材制造技术无法成形高精度大尺寸复杂形状零件的缺点，缩短了制造周期，提高了金属零件制造效率，扩大了增材制造技术的应用领域。
Claims (7)
1.一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，原料准备
先将金属粉末材料在100℃～130℃下真空保温2h，做烘干处理，然后对金属粉末进行筛取；
步骤2，零件分段成形
步骤2.1，依据增材制造设备尺寸将零件模型，分割为2～3段，同时在零件模型连接面添加定位紧固螺纹孔数模，进行成形；
步骤2.2，将步骤1得到的金属粉末装入增材制造设备中，根据步骤2.1中将分段后的零件模型切片分层，将零件模型的三维形状信息转换成二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的分段零件；
步骤3，分段零件连接面的预处理
将步骤2得到的分段零件的连接面进行机加，同时进行打磨抛光，然后对连接面进行清洗，去除杂质及油污；
步骤4，分段零件预连接
在真空环境中使用螺栓与螺母通过定位紧固螺纹孔将经过步骤3处理后的分段零件预紧连接，使得两连接面存在压应力；
步骤5，热等静压扩散连接
将步骤4中得到的预连接后的零件至于热等静压设备中，进行热等静压扩散连接；
步骤6，去除定位紧固螺纹
将经过步骤5处理后的零件上的多余部位的定位紧固螺纹除掉，最终获所需的金属制件。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤1中，筛取后的金属粉末粒径为10μm～60μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤2.1中，在分割零件模型时，依据截面最小原则，从最小截面处分开，分段成形。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤2.2中，逐层打印的层厚为20μm～80μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤3中，连接面预处理打磨抛光的工艺为铣削、打磨或电化学抛光等工艺复合处理，使得连接面粗糙度降至Ra0.4～Ra0.8。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤4中，压应力为5N～20N。
7.根据权利要求1所述的一种基于离散制造技术制备金属制件的方法，其特征在于，步骤5中，热等静压扩散连接的工艺条件为：温度为500℃～1200℃，压力为60MPa～200MPa，时间为0.5h～4h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180116 |