CN107891200A - 一种电火花电极的激光3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电火花电极的激光3D打印制造方法，其步骤是：①将金属基板加工平整；②设置刮刀的刮粉量；③将电极的3D设计图沿高度方向分割成多层片层结构；④调整激光器的打印参数；⑤将电极的每个片层分成多个区域，控制激光束在铺满粉末的区域内进行搭接扫描熔覆；⑥在金属基板上进行电极首层的扫描熔覆，然后重复先将金属基板向下移动一个片层厚度，再进行电极下一层扫描熔覆的操作，直至完成整个电极的扫描熔覆为止；⑦将金属基板与成型的电极分离，完成电火花电极的激光3D打印制造。本发明利用激光3D打印技术，将高含量陶瓷成分的金属基材料直接3D打印成具有复杂结构的电火花电极，不需要模具，工序简单，生产效率高，成本低，制造的电极能够满足电火花加工和电火花沉积技术的要求。

Description

一种电火花电极的激光3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及一种电火花电极的制造方法，具体是涉及一种采用激光3D打印金属基粉末，直接生产出可供电火花表面处理用电极的方法。

背景技术

电火花加工(EDM)技术是一种特种加工技术，几乎可以加工具有任何硬度的导电金属材料，具有很强的使用价值。其原理是利用工具电极与金属工件之间脉冲性火花放电产生的电火花腐蚀现象来蚀除材料，以达到对工件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电火花加工与机械加工方式相比，具有无切力、工件加工精度高、不受材料硬度限制等方面的优势，在加工特殊性能材料和复杂表面及微细、微精、薄壁、低刚度等方面得到了广泛应用。随着技术的发展，出现了电火花沉积技术，它是通过电极材料种类和电源特性的改变，创造性地将电火花技术从材料去除技术扩展成为增材制造技术，极大扩展了电火花技术的应用领域。

电火花电极的制造，是电火花加工的关键技术，因为电火花加工的精度，在很大程度上取决于电极的制造精度。电火花加工用的电极的典型制造方法是车削和铣削，也有用数控方法来加工的；但是，对于内部结构复杂的电极，这些传统的材料去除的方法往往很难达到要求，传统的电极制造方法，是铣削、车削、数控加工等，对于具有复杂型面的的电极，用这些方法来加工，效率低，成本高，甚至根本无法加工。尤其针对电火花涂层技术使用的电极，传统的方法更难实现。因为电火花沉积层针对不同使用工况有千差万别的需求，比如耐热、耐磨、减摩、导电、导热等特性，这些特殊的有时材料很难制成块体材料，或难以进行机械加工，虽然通过粉末冶金的方法可以实现某些材料电极的成型，但存在制作周期长、需要制造专用模具、成本高的问题，尤其针对材料成分多变、形状复杂的电极，制作难度非常高。

中国专利200910098720.5“一种应用于电火花加工的组合电极夹具”，公开了一种应用于电火花加工的组合电极夹具，包括有电极固定装置和电极，有与电极固定装置连接固定的转接板，电极固定连接在电极装夹夹具上，电极装夹具定位在转接板上，在该转接板的覆盖范围内，且放电条件类似的电极可以挂在同一块转接板上同时加工，可大大提高加工效率和解决因某个电极出现异常或损耗可随时拆装，降低了成本缩短了制造周期。但由于多个电极需要繁琐的调配工作，增加了工作量。

中国专利20091009076公开了一种适用于难加工材料内花键结构的电火花成型加工整体式工具电极,其涉及一种适用于难加工材料内花键结构的电火花成型加工整体式工具电极。针对航空、航天、汽车制造、高档数控装备等高科技领域中广泛应用的高强度钢等难加工材料内花键结构,根据电火花加工的工艺特性,提出了一种新型的电火花粗、精成型加工工具电极,并通过制作工艺保证工具电极的制造精度,用于电火花成型加工以实现难加工材料内花键结构的低成本、高效率、高精度加工。但其难点在于粗、精加工电极的制作，该专利并没有具体提出电极的制造方法。

中国专利20091009076“一种钨镍铜合金及其制备方法”，涉及一种钨镍铜合金的制备方法，该方法采用处理工艺制取高密度蒿性能电火花加工用WCu电极材料。热等静压处理使WCu电极性能有较大幅度的提高，钨镍铜合金的抗拉强度在650MPa以上，但该方法制备电极过程中需要多种工艺技术（冷等静压(CIP)成型→烧结→熔渗→热等静压(HIP)），技术复杂，需要加工各种形状的模具，制造周期长，成本高，生产的柔性差。

3D打印是一种先进的增材制造技术，其原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层的平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。激光3D打印技术突破了传统的材料去除原理，摒弃了制造模具的限制，具有最大的个性化和柔性制造特征，其技术的本质是采用激光微区冶金的原理，逐点、逐线、逐面地制造个性化的关键部件，能够大量节约材料、人力和时间，是一种革命性的先进加工手段。

有人曾设想过采用3D打印技术制造电火花电极的方法：先将准备好的电极零件的CAD数据，经过分层软件进行分层，然后用每层的二维数据信息，驱动激光束来扫描烧结预铺的混有树脂粘结剂的铜粉固化成相应的一薄层材料，众多的薄层材料依次逐层累加，成三维实体EDM电极，然后再进行烧结，去除电极中的树脂粘结剂，最后进行渗铜处理。但因涉及的激光器功率不足，工序复杂，成本较高，电极精度低等的原因，还没有试制成功。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种不需要模具，工序简单，生产效率高，成本低，制造的电极能够满足电火花加工和电火花沉积技术的要求，电极结构复杂程度和尺寸不受限制的电火花电极激光3D打印制造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特点是包括以下步骤：

①将金属基板用机械加工的方法加工平整，厚度≥20mm，并用丙酮擦拭除油，喷砂粗化；

②将所需粉末加入供粉仓中，并设置刮刀的刮粉量为单层厚度0.05～0.2mm；

③将电极的3D设计图沿高度方向分割成多层片层结构，单个片层的层厚为0.05～2mm；

④将激光器功率调至100～500W，并调整激光束使其经过聚焦后的宽度为0.1～0.2mm，且在粉末表面的移动速度为1000～5000mm/s；

⑤将电极的每个片层分成多个区域，控制激光束在铺满粉末的区域内进行搭接扫描熔覆，搭接率为20～60%，成型过程中采用Ar气或N₂作为保护气；

⑥在金属基板上进行电极首层的扫描熔覆，然后重复先将金属基板向下移动一个片层厚度，再进行电极下一层扫描熔覆的操作，直至完成整个电极的扫描熔覆为止；

⑦通过金属丝电火花切割加工沿金属基板表面将金属基板与成型的电极分离，并将分离得到的电极进行表面抛光后，即获得符合要求的电火花电极。

其中，所述粉末由金属粉末和陶瓷粉末组成，其中金属粉末的含量为40～70wt%，陶瓷粉末的含量为30～60wt%。

所述金属粉末的粒度为5～50μm。

所述金属粉末为黑色金属、有色金属中的一种或它们的组合。

所述黑色金属为Fe基、Ni基或Co基。

所述有色金属为Ti、Al、W或Ta。

所述陶瓷粉末为碳化物、氮化物或氧化物。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明利用激光3D打印技术，将高含量陶瓷成分的金属基材料直接3D打印成具有复杂结构的电火花电极，不但工序简单，方便实用，可靠性高，有效地解决了高合金电火花电极成型难度大、容易偏析、需要定制模具的问题，而且制造的电极能够很好地满足电火花加工和电火花沉积技术的要求。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的电极模型结构示意图。

图2为本发明的电极片层中激光3D打印路径图。

图3为本发明实施例1激光3D打印模具钢合金的金相组织图。

图4为本发明实施例2激光3D打印WC-Co的金相组织图。

图5为本发明实施例3激光3D打印Ti6Al4V-SiC的金相组织图。

具体实施方式

本发明所述电火花电极的激光3D打印制造方法，包括以下步骤：

①将金属基板用机械加工的方法加工平整，厚度≥20mm，并用丙酮擦拭除油，喷砂粗化；

②将所需粉末加入供粉仓中，并设置刮刀的刮粉量为单层厚度0.05～0.2mm；所述粉末由金属粉末和陶瓷粉末组成，其中金属粉末的含量为40～70wt%，粒度为5～50μm，且金属粉末为黑色金属、有色金属中的一种或它们的组合，黑色金属为Fe基、Ni基或Co基，有色金属为Ti、Al、W或Ta；陶瓷粉末为碳化物、氮化物或氧化物，且含量为30～60wt%；

③将电极的3D设计图沿高度方向分割成多层片层结构（如图1所示），单个片层的层厚为0.05～2mm；

④将激光器功率调至100～500W，并调整激光束使其经过聚焦后的宽度为0.1～0.2mm，且在粉末表面的移动速度为1000～5000mm/s；

⑤将电极的每个片层分成多个区域，控制激光束在铺满粉末的区域内进行搭接扫描熔覆（扫描熔覆路径如图2所示），搭接率为20～60%，成型过程中采用Ar气或N₂作为保护气；

⑥在金属基板上进行电极首层的扫描熔覆，然后重复先将金属基板向下移动一个片层厚度，再进行电极下一层扫描熔覆的操作，也就是说，先将金属基板向下移动一个片层厚度，再进行电极第二层的扫描熔覆，然后将金属基板继续向下移动一个片层厚度，再进行电极第三层的扫描熔覆，如此重复，直至完成整个电极的扫描熔覆为止；

⑦通过金属丝电火花切割加工沿金属基板表面将金属基板与成型的电极分离，并将分离得到的电极进行表面抛光后，即获得符合要求的电火花电极。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

将5～50μm的金属粉末与陶瓷粉末，按照重量比70:30混合均匀，将钢板（300×300×20mm）打磨除锈，丙酮擦拭除油，将Φ3×10的圆柱形电极分割成500层圆环，层厚为0.02mm，每层之内按照一个打印区域进行打印，打印区域之内采用多道搭接，激光光斑尺寸0.1mm，搭接率50%；调整激光器参数为300W，单层刮粉厚度0.2mm，进行多层激光3D打印。

实施例1：

称取5000克MS1模具钢粉末，加入到供粉仓中，调整刮刀铺粉厚度为0.2mm；

将Φ3×10的电极分割成500层圆环，层厚为0.02mm，打印区域之内采用多道搭接，搭接率50%；

激光器输出功率为200W，光斑尺寸0.1mm，熔覆速度为3000mm/s。

实施例2：

分别称取1500克WC粉末，3500克Co基自熔合金粉末，在研磨钵中充分混合均匀，加入供粉仓中，调整刮刀铺粉厚度为0.2mm；

将Φ3×10的电极分割成500层圆环，层厚为0.02mm，打印区域之内采用多道搭接，搭接率50%；

激光器输出功率为300W，光斑尺寸0.1mm，熔覆速度为2500mm/s。

实施例3：

分别称取1500克SiC粉末，3500克Ti6Al4V粉末粉末充分混合，加入供粉仓中，调整刮刀铺粉厚度为0.2mm；

将Φ3×10的电极分割成500层圆环，层厚为0.02mm，打印区域之内采用多道搭接，搭接率50%；

激光器输出功率为400W，光斑尺寸0.1mm，熔覆速度为2000mm/s。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于包括以下步骤：

①将金属基板用机械加工的方法加工平整，厚度≥20mm，并用丙酮擦拭除油，喷砂粗化；

②将所需粉末加入供粉仓中，并设置刮刀的刮粉量为单层厚度0.05～0.2mm；

③将电极的3D设计图沿高度方向分割成多层片层结构，单个片层的层厚为0.05～2mm；

④将激光器功率调至100～500W，并调整激光束使其经过聚焦后的宽度为0.1～0.2mm，且在粉末表面的移动速度为1000～5000mm/s；

⑤将电极的每个片层分成多个区域，控制激光束在铺满粉末的区域内进行搭接扫描熔覆，搭接率为20～60%，成型过程中采用Ar气或N₂作为保护气；

⑥在金属基板上进行电极首层的扫描熔覆，然后重复先将金属基板向下移动一个片层厚度，再进行电极下一层扫描熔覆的操作，直至完成整个电极的扫描熔覆为止；

⑦通过金属丝电火花切割加工沿金属基板表面将金属基板与成型的电极分离，并将分离得到的电极进行表面抛光后，即获得符合要求的电火花电极。

2.根据权利要求1所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述粉末由金属粉末和陶瓷粉末组成，其中金属粉末的含量为40～70wt%，陶瓷粉末的含量为30～60wt%。

3.根据权利要求2所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述金属粉末的粒度为5～50μm。

4.根据权利要求2所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述金属粉末为黑色金属、有色金属中的一种或它们的组合。

5.根据权利要求4所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述黑色金属为Fe基、Ni基或Co基。

6.根据权利要求4所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述有色金属为Ti、Al、W或Ta。

7.根据权利要求2所述电火花电极的激光3D打印制造方法，其特征在于：所述陶瓷粉末为碳化物、氮化物或氧化物。