CN108161000A - 一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，该工艺将大型结构件按照一定的标准，比如构件的形状、尺寸或易于产生应力集中的位置进行划分，分块进行“增材+机加”再组合的方式，结合机加工和增材制造的优点获得符合要求的完整构件。本发明避免了复杂结构件以及尺寸较长的筒状结构件内壁后续机加工的困难，实现大型金属复杂构件的成型加工；分块机加工再清洗再组合，避免了污染，保证了成形件组织均匀性，同时也保证了成形件具备良好的力学性能；此外，降低了成形过程中内应力集中的问题，避免了金属零件的变形和开裂。

Description

一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及大型复杂金属构件的加工工艺。

背景技术

金属构件激光增材制造技术是一种先进的近净成形技术，它将激光熔覆技术和快速原型制造技术有机结合，以金属粉末/丝为原料、通过激光熔化/快速凝固逐层沉积、直接由零件CAD模型实现复杂金属构件的无模具、全致密、近净成形快速制造。该技术将高性能材料制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压+机械加工等传统大型金属构件制造技术相比具有以下优点： (1)无需大型锻铸工业装备、制造工序少、材料利用率高、生产周期短、成本低；(2)零件一般具有成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能较好；(3)具有高度的柔性和超快结构设计响应能力、使变革性结构设计不再受制造技术制约；(4)能灵活的改变金属构件的化学成分、实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，可用于新型合金设计和损伤金属构件的修复。

但是，金属增材制造技术也有自身不足，一方面，由于金属增材制造技术采取逐层堆积的方式成形，对于厚壁件或者截面较大的构件，或者大型复杂金属结构件，因为在成形过程中热量释放不均匀，造成内应力集中，导致金属零件变形甚至开裂等问题；另一方面，增材制造对于表面精度控制不好，表面粗糙度较大，后续还需要切削加工来完成加工。

而机加工属于“减材加工”，机加工去掉表面材料，使得表面粗糙度得以改善。同时，采用精度较高的机床进行加工，即可直接加工出所需构件，可以构件的保证了尺寸精度，同时，机加工可以释放残余应力，解决成形大型构件的基本问题；但是对于复杂结构件，或者尺寸较长的柱状或筒状，内壁的机加工基本难以实现。例如，机加工车床加工最大尺寸为480mm，成形件如果尺寸较长(>480mm)，尤其是筒状结构，一次增材制造后对其内表面进行的机加工十分困难。

可见，机加工与增材制造的优缺点具有很强的互补性；现有技术中，已经有将增材制造和加工进行结合的报道，例如专利CN201510795835.5中，将数控机床与3D打印设备复合到一台机床上，采取沉积一层机加一层的加工方式，但该技术方案存在以下几个方面的问题，第一，难以避免由于切削液未清洗而带来的污染，机加之后直接进行沉积，导致结构件内部有大量杂质，成形件的组织和性能难以保证；第二，对于大型构件，沉积一层机加一层，将大大降低生产效率和成本，基本难以实现；第三，对于复杂结构件，例如内部镂空的结构，采用增材一层沉积一层的方式难以保证成形件的精度。即上述专利申请公开的方案限于小型零件的堆焊加工，而不适宜大型复杂金属构件的制造。

对于大型复杂金属构件，如何实现增材制造和机加工的有机结合，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，该工艺将大型结构件按照一定的标准(构件的形状、尺寸或易于产生应力集中的位置)进行划分，分块进行“增材+机加”再组合的方式，一方面避免了复杂结构件以及尺寸较长的筒状结构件内壁后续机加工的困难，实现大型金属复杂构件的成型加工；另一方面，分块机加再清洗再组合，避免了污染，保证了成形件组织均匀性，同时也保证了成形件具备良好的力学性能；第三方面降低了成形过程中内应力集中的问题，避免了金属零件的变形和开裂。

为实现上述目的，本发明采用的第一种技术方案如下：

一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，所述工艺包括如下步骤：

S1，根据实际零件尺寸和形状要求通过有限元分析软件设计零件的三维模型；

S2，根据划分条件将构件划分为若干加工部分；所述划分条件包括零件几何形状、尺寸和应力集中点中一种或多种，使得被划分后的任意一个加工部分能够进行机加工成形；

S3，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型进行零件第一加工部分的激光增材制造处理；

S4，取出零件的第一加工部分，对其内外表面以及连接第二加工部分的位置进行机加工；

S5，对机加工好的第一加工部分进行清洗，烘干；

S6，在惰性气体保护气氛下，以S5步骤清洗、烘干后的第一部分零件为基材，继续进行激光增材制造处理，直至完成零件的第二加工部分；

S7，重复S4-S5步骤，完成对零件的第二加工部分的机加工处理；

S8，重复S6-S7步骤，获得完整零件。

为实现上述目的，本发明采用的第一种技术方案如下：

一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，所述工艺包括如下步骤：

S1′，根据实际零件尺寸和形状要求通过有限元分析软件设计零件的三维模型；

S2′，根据划分条件将构件划分为若干加工部分；所述划分条件包括零件几何形状、尺寸和应力集中点中一种或多种，使得被划分后的任意一个加工部分能够进行机加工成形；

S3′，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型进行零件若干加工部分的分别激光增材制造处理；

S4′，针对S3′步骤分别增材制造处理后的各个加工部分，对其内外表面以及准备进行相互连接的表面部分进行机加工；

S5′，对S4′机加工好的各个加工部分进行清洗，烘干；

S6′，在惰性气体保护气氛下，将S5′步骤清洗、烘干后的各个加工部分根据零件的三维形状通过所述相互连接的表面进行激光增材连接；

S7′，对S6′步骤所述激光增材连接的部分进行机加工；并且清洗、烘干，得到完整零件。

进一步，所述S2步骤中，对于零件尺寸较长的筒状构件，划分条件为以可以进行内壁机加工的筒的长度来进行。

进一步，所述机加工包括车加工、铣加工、磨加工、刨加工或镗加工。

进一步，所述S3和S6步骤中或者S3′步骤中的激光增材制造处理使得构件机加工表面预留机加工余量。

进一步，所述金属构件为钛合金管材。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明集成了“增材+机加”工艺制造优势；提出大型复杂金属构件“增材+ 机加”的方式，具体具有如下优势：

(1)增材制造技术采用逐层堆积制造，在激光束扫描过程中，熔化道搭接，粉末粘附以及层间结合造成的热循环会导致成形件表面粗糙度较大，较差的表面不仅会使成形件的强度、耐磨性、抗腐蚀性变差，还会影响成形件的工作精度，甚至产生应力集中，萌生疲劳裂纹，变形和开裂，制约了激光增材制造技术的应用，采用本发明的方法克服了这一问题，可以释放构件残余应力，避免成形过程中金属零件的变形和开裂。

(2)避免复杂构件后续机加工的困难。对于大型复杂金属构件可以通过增材制造的方式得以成形。按构件自身情况依据机加工机床可以加工的尺寸分为几个部分，增材一段机加一段，最终实现复杂结构件的一次成形。

(3)提高效率。传统的锻造+机械加工技术在制造复杂大型钛合金构件时面临着材料利用率低、制造周期长、生产成本高等问题，严重制约了大型复杂金属结构件在现代航空工业中的应用。采用“增材+机加”的方式，有效的解决了材料利用率低、制造周期长、生产成本高等问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1(a)-1(f)，为根据本发明实施方式的实施例一的加工过程的示意图；

图2(a)-2(d)，为根据本发明实施例方式的实施例二的加工过程的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

一种钛合金管状结构件的激光增材制造与机加工复合制造方法，包括以下步骤：

第一步，通过有限元分析软件设计零件的三维模型，零件尺寸为长1200mm 的管状结构，截面外直径为200mm，管壁厚为20mm。

第二步，根据机加工车床尺寸的限制，将零件分为402mm+402mm+402mm 三个部分来分步增材，即每部分增材长度为H＝402mm(H<480mm)；其中每部分多出的2mm为机加工需要去除的厚度；

第三步，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型进行零件第一部分的增材制造处理，得到零件如图1(a)。

第四步，取出零件的第一部分，对其内外表面以及顶部，即连接第二部分的位置进行机加工去除表面的氧化皮，厚度大约为2mm。

第五步，对加工好的零件的第一部分进行清洗，烘干，尤其是零件的顶部，得到零件如图1(b)。

第六步，在惰性气体保护气氛下，以清洗、烘干的第一部分零件为基材，继续进行激光增材制造处理，直至完成零件的第二部分如图1(c)。

第七步，重复第四步第五步的方法,得到零件如图1(d)。

第八步，重复第六步第七步，获得完整的零件如图1(e)、(f)所示。

实施例二

一种钛合金管状结构件的激光增材制造与机加工复合制造方法，包括以下步骤：

第一步，通过有限元分析软件设计零件的三维模型，零件尺寸为长1200mm 的管状结构，截面外直径为200mm，管壁厚为20mm；

第二步，根据机加工车床尺寸的限制，将零件分为402mm+402mm+402mm 三个部分来分步增材，即每部分增材长度为H＝402mm(H<480mm)；其中每部分多出的2mm为机加工需要去除的厚度；

第三步，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型同时进行零件三个部分的增材制造处理，得到零件如图2(a)；

第四步，将零件的三个部分取出，分别对其内外表面以及顶部进行机加工去除表面的氧化皮，厚度大约为2mm。

第五步，对加工好的零件进行清洗，烘干，尤其是零件的顶部，得到零件如图2(b)。

第六步，在惰性气体保护气氛下，用激光增材制造技术连接三个部分，直至完成零件如图2(c)。

第七步，对连接部分进行机加工，去除氧化皮，并且清洗、烘干，得到完整零件如图2(d)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：

S1，根据实际零件尺寸和形状要求通过有限元分析软件设计零件的三维模型；

S2，根据划分条件将构件划分为若干加工部分；所述划分条件包括零件几何形状、尺寸和应力集中点中一种或多种，使得被划分后的任意一个加工部分能够进行机加工成形；

S3，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型进行零件第一加工部分的激光增材制造处理；

S4，取出零件的第一加工部分，对其内外表面以及连接第二加工部分的位置进行机加工；

S5，对机加工好的第一加工部分进行清洗，烘干；

S6，在惰性气体保护气氛下，以S5步骤清洗、烘干后的第一部分零件为基材，继续进行激光增材制造处理，直至完成零件的第二加工部分；

S7，重复S4-S5步骤，完成对零件的第二加工部分的机加工处理；

S8，重复S6-S7步骤，获得完整零件。

2.一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：

S1′，根据实际零件尺寸和形状要求通过有限元分析软件设计零件的三维模型；

S2′，根据划分条件将构件划分为若干加工部分；所述划分条件包括零件几何形状、尺寸和应力集中点中一种或多种，使得被划分后的任意一个加工部分能够进行机加工成形；

S3′，在惰性气体保护气氛下，在激光器中，按照三维模型进行零件若干加工部分的分别激光增材制造处理；

S4′，针对S3′步骤分别增材制造处理后的各个加工部分，对其内外表面以及准备进行相互连接的表面部分进行机加工；

S5′，对S4′机加工好的各个加工部分进行清洗，烘干；

S6′，在惰性气体保护气氛下，将S5′步骤清洗、烘干后的各个加工部分根据零件的三维形状通过所述相互连接的表面进行激光增材连接；

S7′，对S6′步骤所述激光增材连接的部分进行机加工；并且清洗、烘干，得到完整零件。

3.如权利要求1或2所述的联合制备工艺，其特征在于，所述S2步骤或S2′步骤中，对于零件尺寸较长的筒状构件，划分条件为以可以进行内壁机加工的筒的长度来进行。

4.如权利要求1或2所述的联合制备工艺，其特征在于，所述机加工包括车加工、铣加工、磨加工、刨加工或镗加工。

5.如权利要求1或2所述的联合制备工艺，其特征在于，所述S3和S6步骤中或者S3′步骤中的激光增材制造处理使得构件机加工表面预留机加工余量。

6.如权利要求1或2所述的联合制备工艺，其特征在于，所述金属构件为钛合金管材。