CN108274123A - 一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法 - Google Patents

一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于激光增材构件内壁的增材‑抛光一体化加工方法。该方法可应用于各类激光增材制造零件的内壁表面抛光，在激光增材制造过程中，在完成一段增材加工之后，利用增材制造设备的激光器直接对这段增材零件的内壁表面进行抛光，利用激光处理快速获得平整光洁的内壁表面，完成抛光之后，再进行下一段的增材加工，从而实现增材‑抛光加工的一体化工艺。通过在增材过程中进行抛光加工，在待抛光内壁表面增材制造完成后进行即时的抛光，能够实现对深凹槽、深孔结构、大拐点结构、密封器件等传统抛光手段无法处理的内壁表面进行抛光处理。通过分段增材‑抛光的加工方式，能够较容易地实现大面积、复杂形状、高深宽比乃至封闭腔体的内壁抛光。

Description

一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法。可将该方法广泛应用于激光增材制造的各类金属零件的内壁表面抛光处理，利用激光抛光处理快速获得更小粗糙度的平整内壁表面。属于机械加工技术领域。
背景技术
激光增材制造技术是上世纪80年代才发展起来的一项先进制造技术。该技术基于离散/堆积成形原理，将制件三维CAD模型进行切片分层处理，使其转换成厚度很薄的二维平面模型，采用大功率激光器，通过数控系统控制工作台按照分层软件给定的路径进行逐点、逐线、逐层扫描，使材料粉末熔化并层层叠加，从而实现结构复杂零件的无模具、快速、全致密的成型。
目前采用激光增材制造技术成型的零件致密度可达99％以上，其力学性能已优于铸件。但目前增材制造零件表面粗糙度一般仍在10μm～50μm之间，而机械精加工表面粗糙度能够达到2.5μm以下。另一方面，在许多应用领域对增材制造零件表面粗糙度有较高的要求，故对增材制造零件的后续表面抛光加工不可或缺。
目前改善增材制造零件表面质量的抛光技术主要有机械抛光、电化学抛光、磨粒流抛光等。传统的机械抛光如砂轮抛光、皮带抛光和滚筒抛光等，其材料去除效率高，成本低廉，但其可加工区域受工艺所限，适用于平面等简单的外表面抛光，对内表面和复杂表面则极难加工。电化学抛光技术利用阳极氧化牺牲的原理实现对阳极工件的抛光，其优点在于对表面形状要求低，适用范围广，但它只适用于金属零件抛光，目前还存在表面平整度不够高、晶界腐蚀等问题，抛光过程使用的化学溶液可能造成的环境污染问题也尚待解决。磨粒流抛光是通过夹具配合工件形成加工通道，两个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来回挤动，磨料均匀而渐进地对通道表面或边角进行研磨，完成抛光加工。加工过程中磨料必须构成通路，因此磨粒流工艺不适用于盲孔和磨料流道无法形成通路的工件和部位的抛光加工。
激光抛光是一种新型的获得材料表面高光洁度的热加工方法。这项工艺内在本质是激光加热引起的材料表层重熔。无论是在宏观尺度或微观尺度进行的激光抛光工艺，材料粗糙表面经激光加热融化后形成的熔池在表面张力和重力的多向作用下，熔池内熔融材料通过流动将会重新分配在初始位置周围，从而在快速凝固后使绝大多数粗糙表面的峰谷高度差减小，由此获得对粗糙表面的抛光效果。但现有激光抛光技术作为一种后处理手段，抛光范围仍受到加工表面位置和光路限制，难以实现对腔体内表面等的抛光加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，以解决现有技术中存在的问题，该方法可广泛应用于各类激光增材制造零件的表面抛光，在激光增材制造过程中，利用增材制造设备的激光器直接对增材零件表面进行抛光，利用激光处理快速获得平整光洁的零件表面，实现增材-抛光加工的一步成型。
本发明提出一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，流程如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)确定增材制造零件的三维建模模型：本发明中的三维建模模型是激光同轴送粉熔融沉积加工的激光加工头运动成型模型，并且在需要激光抛光加工的内表面按高度设置分段插入断点，并在各段断点之间插入激光抛光的扫描路径，最终用于增材制造机床加工的三维模型。
(2)将激光器的激光参数调至增材加工所需参数，调整送粉设备的送粉速率，启动送粉设备和激光器，进行增材制造加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)将激光器的激光参数调至激光抛光加工所需参数，调整增材零件的位置及角度，仅启动激光器，沿断点处用步骤(1)中预设的扫描路径对指定区域进行激光抛光加工；
(4)重复上述步骤(2)和(3)，直至完成整个零件的增材加工及预设的表面抛光；
(5)取出增材制造的零件，完成后续的清洁处理。
其中，增材制造的零件材料是钢铁材料或有色金属及其合金，具体包括但不限于铸铁，钢，铝基、钛基、铜基、钴基、镍基等合金。
其中，步骤(1)中的分段高度取决于步骤(3)中单次调整增材零件位置及角度所能实现的抛光加工区域大小，高度设置范围为1～10mm。
其中，步骤(2)中的激光参数设定为连续波激光器或脉冲激光器，激光波长为193nm～1070nm，激光功率为50W～3kW；对于脉冲激光器，脉宽为20ns～10ms，频率为10-10kHz，对于同轴送粉平台，送粉速率0.3～20g/min；扫描速度为1～20mm/s；
其中，步骤(3)中的激光参数设定为连续波激光器或脉冲激光器，激光波长为193nm～1070nm，激光功率为30～200W；对于脉冲激光器，脉宽为20ns～10ms，频率为10-10kHz，扫描速度为50～200mm/s。
其中步骤(3)中调整增材零件的位置和角度取决于增材零件的几何参数(如外径、壁厚，高度等)以及激光加工头的外径、焦距；增材零件既不与激光加工头发生碰撞，也不遮挡激光对增材零件待抛光区域的抛光加工。将增材零件的位置调整至待抛光区域在激光加工头正下方，待抛光加工面与入射激光的夹角范围为50°～85°。
本发明公开了一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，开辟了一种新型的获得高光洁度零件内壁的增材制造-抛光一体化的加工方法。抛光过程利用激光加热融化后形成的熔池在表面张力和重力的多向作用下，熔池内熔融材料通过流动将会重新分配在初始位置周围，从而在快速凝固后使绝大多数粗糙表面的峰谷高度差减小，由此获得对粗糙表面的抛光效果；相比于传统的机械抛光和化学/电化学抛光方法，本发明的优点在于：
(1)本发明为非接触式抛光：传统接触式抛光在样品上施加了外力,样品在外力下容易破裂。而本发明非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。可解决超硬、超软、脆性等材料的抛光问题。
(2)去除了传统抛光技术(如研磨抛光中)的磨痕。普通光学加工中采用砂粒研磨的方式，微小颗粒对玻璃表面有很小的刮痕，通过原子力显微镜等手段可以观察到这些刮痕。刮痕深度可能达几十纳米，从而影响抛光质量。采用激光抛光,可克服这一问题的产生。
(3)微区抛光：激光束的精细聚焦、柔性变换等特征，可以充分满足微结构的抛光处理要求。
(4)选区和复杂结构抛光：激光抛光通过分段和选区加工实现对特定区域和复杂曲面的抛光。
同时，相比于现有的激光抛光方法，本发明的优点在于:
(1)该方法将增材制造过程与抛光过程结合，在加工过程调整激光参数和控制送粉设备的开关，实现增材制造和抛光加工在同一台加工机床的切换，减少工艺流程。
(2)该方法实现在增材过程中进行抛光加工，在待抛光表面增材制造完成后进行即时的抛光，通过分段的增材-抛光加工，使得对深凹槽、深孔结构、大拐点结构、密封器件等各类复杂内壁表面的抛光加工变为可能。
附图说明：
图1所示为本发明方法流程图。
图2所示为本发明方法实施例1单杆活塞缸缸筒零件半剖图。
图3所示为实施例1加工流程图。
图4所示为实施例1缸筒的增材过程示意图。
图5所示为实施例1缸筒内壁的抛光过程示意图。
图中标号说明：
1-激光束；2-同轴送粉激光加工头；3-金属粉末；4-加工工件。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
本发明公开的一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)确定增材制造零件的三维建模模型：本发明中的三维建模模型是激光同轴送粉熔融沉积加工的激光加工头运动成型模型，并且在需要激光抛光加工的内表面按高度设置分段插入断点，并在各段断点之间插入激光抛光的扫描路径，最终用于增材制造机床加工的三维模型。
(2)将激光器的激光参数调至增材加工所需参数，调整送粉设备的送粉速率，启动送粉设备和激光器，进行增材制造加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)将激光器的激光参数调至激光抛光加工所需参数，调整增材零件的位置及角度，仅启动激光器，沿断点处用步骤(1)中预设的扫描路径对指定区域进行激光抛光加工；
(4)重复上述步骤(2)和(3)，直至完成整个零件的增材加工及预设的表面抛光；
(5)取出增材制造的零件，完成后续的清洁处理。
实施例1:
在激光同轴送粉熔化沉积设备上实现TC4单杆活塞缸缸筒(如图2所示)的增材加工及对筒内圆柱面的激光抛光加工，其工艺流程如图3所示，具体步骤如下：
(1)确定缸筒的三维建模模型，在需要抛光的缸筒内壁处设置分段插入断点，即在内壁上按指定高度均分成若干段，为避免与激光加工头碰撞(安全区域设为沿激光轴线半径50mm圆柱面外)，每段高度选取为5mm，即安全距离的十分之一，在每一段之间都插入断点，并插入激光抛光的扫描路径。
(2)将选用的1064nm波长连续激光的激光参数调至增材加工所需参数，激光功率为600W，送粉速率为2g/min，扫描速度为3mm/s，启动送粉设备和激光器，采用固定工件移动激光加工头的方式进行增材制造加工，如图4所示，完成第一段缸筒加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)调整工件姿态和角度，工件倾斜角度设为70°，调整激光参数至抛光加工所需参数，功率为80W，扫描速度为70mm/s，启动激光器，采用固定工件，激光加工头扫描运动的方式，对激光头下方圆筒内壁弧度15°范围区域进行扫描抛光，如图5所示，完成后旋转15°进行新的区域抛光，重复直至完成对第一段缸筒全部内壁的激光抛光，暂停；
(4)重复上述(2)(3)步骤，直至完成缸筒各段的增材加工及内壁面的抛光加工。
(5)取出零件，对表面残留粉末进行清洁。
实施例2:
在激光同轴送粉熔化沉积设备上实现TA15方形筒件(外边长30mm，壁厚3mm，长200mm)的增材加工及对筒内四个侧面的激光抛光加工，具体步骤如下：
(1)确定方筒的三维建模模型，沿高度方向均分成若干段，每段高度选取为2mm，在每一段之间都插入断点，并插入激光抛光的扫描路径。
(2)将选用的1064nm波长连续激光的参数调至增材加工所需参数，激光功率为800W，送粉速率为3g/min，扫描速度为6mm/s，启动送粉设备和激光器，采用固定工件，移动激光加工头的方式进行增材制造加工，完成第一段筒件加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)调整工件姿态和角度，工件倾斜角度设为75°，调整激光参数至抛光加工所需参数，功率为90W，扫描速度为95mm/s，启动激光器，采用固定工件，激光加工头扫描运动的方式，对激光头下方的筒件内侧面进行扫描抛光，完成后工件旋转90°进行新的侧面抛光，重复直至完成对第一段缸筒全部四个内侧面的激光抛光，暂停；
(4)重复上述(2)(3)步骤，直至完成筒件各段的增材加工及内壁面的抛光加工。
(5)取出零件，对表面残留粉末进行清洁。
实施例3:
在激光同轴送粉熔化沉积设备上实现Mg-3Ca镁合金方形筒件(外径60mm，内径50mm，高100mm)的增材加工及对筒内四个侧面的激光抛光加工，具体步骤如下：
(1)确定方筒的三维建模模型，沿高度方向均分成若干段，每段高度选取为3mm，在每一段之间都插入断点，并插入激光抛光的扫描路径。
(2)将选用的1064nm波长脉冲激光的参数调至增材加工所需参数，激光功率为60W，脉冲频率10Hz，脉冲宽度2.5ms，送粉速率为3g/min，扫描速度为1mm/s，离焦2mm，启动送粉设备和激光器，采用固定工件，移动激光加工头的方式进行增材制造加工，完成第一段筒件加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)调整工件姿态和角度，工件倾斜角度设为60°，调整激光参数至抛光加工所需参数，功率为40W，扫描速度为50mm/s，启动激光器，采用固定工件，激光加工头扫描运动的方式，对激光头下方的筒件内侧面进行扫描抛光，完成后工件旋转90°进行新的侧面抛光，重复直至完成对第一段缸筒全部四个内侧面的激光抛光，暂停；
(4)重复上述(2)(3)步骤，直至完成筒件各段的增材加工及内壁面的抛光加工。
(5)取出零件，对表面残留粉末进行清洁。
实施例4:
在激光同轴送粉熔化沉积设备上实现IN718高温合金圆形筒件(外径120mm，内径100mm，长100mm)的增材加工及对圆筒内表面的激光抛光加工，具体步骤如下：
(1)确定方筒的三维建模模型，沿高度方向均分成若干段，每段高度选取为5mm，在每一段之间都插入断点，并插入激光抛光的扫描路径。
(2)将选用的1070nm波长脉冲激光的参数调至增材加工所需参数，激光功率为1500W，脉冲频率5kHz，脉冲宽度35ns，送粉速率为10g/min，扫描速度为20mm/s，离焦0.4mm，启动送粉设备和激光器，采用固定工件，移动激光加工头的方式进行增材制造加工，完成第一段筒件加工，运行至预设的断点，暂停；
(3)调整工件姿态和角度，工件倾斜角度设为70°，调整激光参数至抛光加工所需参数，功率为200W，扫描速度为180mm/s，启动激光器，采用固定工件，激光加工头扫描运动的方式，对激光头正下方圆筒内壁弧度10°范围区域进行扫描抛光，完成后旋转10°进行新的区域抛光，重复直至完成对第一段缸筒全部内壁的激光抛光，暂停；
(4)重复上述(2)(3)步骤，直至完成筒件各段的增材加工及内壁面的抛光加工。
(5)取出零件，对表面残留粉末进行清洁。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤(1)：确定增材制造零件的三维建模模型：
步骤(2)：将激光器的激光参数调至增材加工所需参数，调整送粉设备的送粉速率，启动送粉设备和激光器，进行增材制造加工，运行至预设的断点，暂停；
步骤(3)：将激光器的激光参数调至激光抛光加工所需参数，调整增材零件的位置及角度，仅启动激光器，沿断点处用步骤(1)中预设的扫描路径对指定区域进行激光抛光加工；
步骤(4)：重复上述步骤(2)和步骤(3)，直至完成整个零件的增材加工及预设的表面抛光；
步骤(5)：取出增材制造的零件，完成后续的清洁处理。
2.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：所述三维建模模型是激光同轴送粉熔融沉积加工的激光加工头运动成型模型，并且在需要激光抛光加工的内表面按高度设置分段插入断点，并在各段断点之间插入激光抛光的扫描路径，最终用于增材制造机床加工的三维建模模型。
3.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：增材制造的零件材料是钢铁材料或有色金属及其合金。
4.根据权利要求3所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：增材制造的零件材料是铸铁、钢、铝基、钛基、铜基、钴基及镍基合金。
5.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：步骤(1)中的分段高度取决于步骤(3)中单次调整增材零件位置及角度所能实现的抛光加工区域大小，高度设置范围为1～10mm。
6.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：步骤(2)中的激光参数设定为连续波激光器或脉冲激光器，激光波长为193nm～1070nm，激光功率为50W～3kW；对于脉冲激光器，脉宽为20ns～10ms，频率为10-10k Hz，对于同轴送粉平台，送粉速率0.3～20g/min；扫描速度为1～20mm/s。
7.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：步骤(3)中的激光参数设定为连续波激光器或脉冲激光器，激光波长为193nm～1070nm，激光功率为30～200W；对于脉冲激光器，脉宽为20ns～10ms，频率为10-10kHz，扫描速度为50～200mm/s。
8.根据权利要求1所述一种用于激光增材构件内壁的增材-抛光一体化加工方法，其特征在于：步骤(3)中调整增材零件的位置和角度取决于增材零件的几何参数以及激光加工头的外径、焦距；增材零件既不与激光加工头发生碰撞，也不遮挡激光对增材零件待抛光区域的抛光加工；将增材零件的位置调整至待抛光区域在激光加工头正下方，待抛光加工面与入射激光的夹角范围为50°～85°。
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