CN108296715B - 一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，属于金属大型构件制造领域。该方法先通过锻造加工金属大型构件的基体部分，再通过LSF增材制造技术在已锻造成型的基体部分上加工复杂形状细节构造；其中，对复杂及难成形构造进行两段式或一次性成形；对于两段式成形，在锻造基体的同时锻造凸台作为复杂及难成形构造的基部；对于一次性成形，在锻造基体的同时锻造第一凹槽，然后在第一凹槽中一次性完成复杂及难成形构造的成形。本发明有效解决了金属大型锻件上精细、复杂结构部位的难成形问题，使得整体成形简单，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，降低了加工成本，同时能够保证整体构件强度。

Description

一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法
技术领域
本发明属于大型金属构件制造领域，更具体地，涉及一种锻造和金属3D打印的复合制造方法。
背景技术
随着航空、航天、兵器、国防科工等领域的发展，高性能难加工金属关键构件的用量越来越大，整体的趋势呈现为大型化、整体化、轻量化、高性能、高可靠性和长寿命，而金属大型构件传统制备方法的关键流程周期长，经过铸锭、制坯、模具制造、锻造、机加工等流程，加工量大，材料利用率低，成本高。
在上述流程中，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，是锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。在航空、航天、兵器、国防科工等领域中，负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的板、杆、壳状构造可用轧制的板材、型材或焊接件外，其余均采用锻件。
对于凸出于基体表面的高肋、枝芽、异形凸起等形状的复杂构造，以及锻造过程中易发生折叠、充不满等缺陷的难成形结构，传统方法是采用飞边槽进行加工，但飞边槽加工方式降低了材料利用率，并且组织、性能难以控制。
此外，由于航空、航天、兵器、国防科工等领域的大型金属构件工作条件复杂严苛，对零件的强度要求极高，如果将上述具有复杂构造或难成形结构的大型金属构件通过分体制造再焊接组合的方式进行加工，虽然可以大大提高材料利用率和成型率，但是零件整体强度也会降低，安全隐患极大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于金属大锻件的锻造和增材制造的复合工艺方法，其目的在于使用锻造法结合增材制造法分别加工基体和基体上的复杂、难成形构造，由此解决传统锻造法飞边损耗高、加工周期长、低损耗与高强度难以兼顾的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，用于制造具有复杂形状细节构造的金属大型构件，包括如下步骤：
第一步，将金属大型构件的模型分为复杂、难成形构造中的至少一种以及基体；复杂、难成形构造中的至少一种采用两段式加工或一次性加工；
对于两段式加工，将单个复杂和/或难成形构造分为结构相对简单的基部和相对复杂的支部；其中，基部作为基体上的凸台，与基体一同锻造成型；对于一次性加工，在基体上锻造与复杂和/或难成形构造位置相对应的第一凹槽；
对基体设计用于锻造的模具、荒坯和制坯工装，采取数值模拟的方式对基体锻造过程和结果进行预测，根据基体的材料和形状特点制定锻造工艺；
第二步，先用自由锻方法将铸锭开坯，得到锭料；然后将锭料两端切除，并按基体尺寸将锭料分割；
第三步，利用分割后的锭料对基体制坯，得到坯料；
第四步，对坯料依次进行加热、预锻、终锻、机加工、冷却、清理和热处理，得到基体的锻件；
第五步，将金属大型构件中未成形的将复杂和/或难成形构造建模，生成相应的三维实体模型；
第六步，将三维实体模型切片分层，从而将三维实体信息转化为二维轮廓信息，输入数控系统；
第七步，在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末按照未成形的复杂和/或难成形构造的二维轮廓信息在基体上的凸台或第一凹槽位置逐层堆积，得到完整的金属大型构件。
进一步地，对于两段式加工，在凸台上开设第二凹槽，进行LSF增材制造时，从第二凹槽中开始制造支部。
进一步地，第二凹槽为十字形。
进一步地，第二凹槽深度为1mm～50mm。
进一步地，第一凹槽深度为1mm～50mm。
进一步地，同步送粉激光熔覆采用的激光功率为300W～8.0KW。
进一步地，所述金属粉末的材料为钛合金、铝合金、镍基高温合金或钢，金属粉末的尺度为15μm～500μm。
进一步地，所述数控系统至少需要5轴，包括X、Y、Z方向的移动以及激光加工头的转动和摆动，用于控制激光熔覆枪头及送粉喷头的同步运动，以确保任意形状构件的成形。
进一步地，在激光熔覆的过程中，引入惰性气体保护气氛。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、金属3D打印凭借技术的优势，可以有效地缩短加工周期、提高材料利用率、降低成本。LSF技术能够实现高性能致密金属零件的无模快速近终成形，所制造的金属零件不仅形状复杂，而且其力学性能比采用锻造技术制造的零件有全面、显著的提高，复杂细节构件自身的强度可以得到有力保证。
2、本发明将锻造和同步送粉激光熔覆(又称金属激光立体成形技术，缩写为LSF)结合，构件的基体部分采用锻造成形，而复杂或难成形结构采用LSF方法进行增材制造。相对于金属构件传统制备流程，这种方法结合了锻造和增材制造两者的优势，既保证了构件整体的成形性，又保证了精细、复杂结构部位的质量，还可以最大程度减少制坯工作量，减少加热火次，减少了飞边金属损耗，提高了材料利用率，降低加工成本，缩短了加工周期。
3、相对于传统金属大锻件制备技术，本发明实现了精细、复杂结构部位的一次成形，有效防止了该部位在原有锻造过程中产生充不满的缺陷，使得金属构件整体成形简单，并且提高了该部位的质量。
4、本发明可以大大简化荒坯形状，最大程度减少模拟和制坯的工作量，缩短了加工周期。
5、本发明对精细、复杂结构部位一次成形，无须加工飞边槽，降低了模具制造要求，减少了飞边金属损耗，提高了材料利用率，降低了加工成本。
6、复杂形状细节构造采用两段成型方式进行加工，较简单的部分随基体一同锻造，较复杂的部分通过LSF增材制造技术进行加工，可以预留足够的精加工空间，同时避免激光熔化时的热量对基体组织性能产生影响，尤其适用于对基体表面组织性能及平面度要求高的零件。
7、在凸台上开设凹槽，从凹槽中开始进行LSF增材制造，可以增加增材制造部分与凸台部分的结合面积，大大增强增材制造组织与锻造组织之间的结合力，相比于传统的焊接结合部为点状或线状而言，通过凹槽形成的结合部为空间构造，整体强度大大提高。而十字槽在提升整体结合强度的同时，各向强度均衡，大大提升了抗扭能力。
8、对于无法通过两段成型方式进行加工的复杂形状细节构造，通过直接在锻件表面开槽的方式，在凹槽内进行LSF增材制造，在具备上述凹槽优点的同时，尤其适用于基体表面有一定形状或图案的大型零件的加工。
9、通过本发明的方法可以在设计阶段改变零件的形状，提高设计的自由度。现有技术中在设计大型金属构件时是按照便于锻造加工的方向来设计构件形状的，因此受到锻造加工的工艺条件限制，不能自由按照实际使用性能需求进行设计和制造。而LSF增材制造技术对任何复杂形状都可以成形，因此，在设计构件形状时可以更多地考虑实用性，而不用考虑是否便于锻造成形，从而能够从设计源头开始就提升构件整体使用性能。
附图说明
图1是基于金属大锻件的锻造和增材制造的复合工艺方法流程图；
图2是本发明第一实施例的成品示意图；
图3是图1锻造成型的基体构造示意图；
图4是本发明第二实施例的成品示意图；
图5是图4的基体构造示意图；
图6是本发明第三实施例的成品示意图；
图7是图6的基体构造示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于金属大锻件的锻造和增材制造的复合工艺方法，具体流程见图1，包括以下步骤：
第一步，产品与工艺设计：
将金属大型构件的模型分为复杂、难成形构造中的至少一种以及基体；复杂、难成形构造中的至少一种采用两段式加工或一次性加工；对于两段式加工，将单个复杂和/或难成形构造分为结构相对简单的基部和相对复杂的支部；其中，基部作为基体上的凸台，与基体一同锻造成型；对于一次性加工，在基体上锻造与复杂和/或难成形构造位置相对应的第一凹槽；对基体设计用于锻造的模具、荒坯和制坯工装，采取数值模拟的方式对基体锻造过程和结果进行预测，根据基体的材料和形状特点制定锻造工艺。
第二步，下料：大锻件多用铸锭直接锻造，由于其内部组织、成分不均匀，通常先用自由锻方法进行开坯，然后将锭料两端切除，并按一定尺寸将坯料分割开来；
第三步，制坯：根据零件形状的特点采用不同的制坯工步；
第四步，模锻成形：包括加热、预锻、终锻，以及后续的机加工、冷却、清理和热处理；
锻件质量检测：包括锻件几何形状与尺寸、表面质量、内部质量、力学性能和化学成分等几个方面的检测。
第五步，复杂及难成形结构建模：将产品中未成形的部位进行建模，在计算机中生成该结构的三维CAD实体模型，所述建模可以使用计算机软件建模或采用扫描方法建模。；
第六步，切片分层：将上述模型按一定厚度切片分层，即将三维信息转化为二维轮廓信息；
第七步，同步送粉激光熔覆：在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末按照零件的二维轮廓在锻件基材上逐层堆积，直到形成三维实体件，其中，所述激光功率为300W～8.0KW。金属粉末材料包括钛合金、铝合金、镍基高温合金和钢，粉末材料的尺度为15μm～500μm。在激光熔覆的过程中，对一些活泼材料(钛合金、铝合金等)的成形引入以惰性气体为主的保护气氛。本发明中的数控系统至少需要5轴，具有X、Y、Z方向的移动以及激光加工头的转动和摆动，以确保任意复杂形状构件的成形。
实施例1：
以下结合图2和图3，以具有复杂难成形结构的构件为例对本发明进行详细的说明，选用的激光功率为300W～8.0KW，金属粉末材料是钛合金、铝合金、镍基高温合金和钢中的一种，粉末材料的尺度为15μm～500μm。
本例中基体上的复杂结构一方面具有长度较高的枝芽，另一方面枝芽结构复杂，横截面为十字形，很难由锻造直接成形，故本实施例对其成形工艺重新进行设计。本实施例的枝芽构造采用两段式加工，将枝芽分为圆柱状的基部和十字形支部。基部与基体一同按照步骤一至步骤四的方法锻造成形，支部结构采用步骤五至步骤七的方法采用LSF增材制造成形，最终得到整体件。
具体地，基体锻造过程中，先对基体的模锻件进行结构设计，以易成形和方便后续增材制造为原则，然后设计模具、荒坯(又称荒型毛坯)和制坯工装，设计采取数值模拟的方式对锻造过程和结果进行预测，最后根据产品材料和形状的特点进行锻造工艺的制定。在锻造基体的同时，在基体对应枝芽的位置锻造凸台作为枝芽的基部，随后在凸台上进行LSF增材制造完成枝芽的支部。
实施例2：以下结合图4和图5，以具有长度较高的枝芽结构的大锻件为例对本发明进行详细的说明，采用材料和参数范围同实施例1。因为枝芽结构很难充型，故对成形工艺重新进行设计，基体采用锻造成形，枝芽采用增材制造成形。另外，为使锻造部分和增材制造部分的连接更为紧密，可以仿照实施例1，采用如图5所示的结构，在基部上锻出高度较小的凸台作为枝芽的基部，并且在凸台上带有十字凹槽(即第二凹槽)，然后从十字凹槽处开始增材制造成形，最终成形整体件。第二凹槽也可以是其他形状，如果没有抗扭要求，采用圆槽或方槽亦可，均能够提升枝芽与。
实施例3：
以下结合图6和图7，以具有难成形凸起结构的大锻件为例对本发明进行详细的说明，采用材料和参数范围同实施例1。图6中有3处凸起部位难以充型，所以对成形工艺进行设计，基体部分采用锻造成形，凸起采用增材制造成形，为使锻造部分和增材制造部分连接更为紧密，可以采用图7结构，在基体上锻出凹槽，然后从凹槽处开始增材制造成形，最终成形整体件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，用于制造具有复杂形状细节构造的金属大型构件，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将金属大型构件的模型分为复杂、难成形构造中的至少一种以及基体；复杂、难成形构造中的至少一种采用两段式加工或一次性加工；
对于两段式加工，将单个复杂和/或难成形构造分为结构相对简单的基部和相对复杂的支部；其中，基部作为基体上的凸台，与基体一同锻造成型；对于一次性加工，在基体上锻造与复杂和/或难成形构造位置相对应的第一凹槽；
对基体设计用于锻造的模具、荒坯和制坯工装，采取数值模拟的方式对基体锻造过程和结果进行预测，根据基体的材料和形状特点制定锻造工艺；
第二步，先用自由锻方法将铸锭开坯，得到锭料；然后将锭料两端切除，并按基体尺寸将锭料分割；
第三步，利用分割后的锭料对基体制坯，得到坯料；
第四步，对坯料依次进行加热、预锻、终锻、机加工、冷却、清理和热处理，得到基体的锻件；
第五步，将金属大型构件中未成形的复杂和/或难成形构造建模，生成相应的三维实体模型；
第六步，将三维实体模型切片分层，从而将三维实体信息转化为二维轮廓信息，输入数控系统；
第七步，在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末按照未成形的复杂和/或难成形构造的二维轮廓信息在基体上的凸台或第一凹槽位置逐层堆积，得到完整的金属大型构件；所述数控系统至少需要5轴，包括X、Y、Z方向的移动以及激光加工头的转动和摆动，用于控制激光熔覆枪头及送粉喷头的同步运动，以确保任意形状构件的成形。
2.如权利要求1所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，对于两段式加工，在凸台上开设第二凹槽，进行LSF增材制造时，从第二凹槽中开始制造支部。
3.如权利要求2所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，第二凹槽为十字形。
4.如权利要求2所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，第二凹槽深度为1mm～50mm。
5.如权利要求1所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，第一凹槽深度为1mm～50mm。
6.如权利要求1所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，同步送粉激光熔覆采用的激光功率为300W～8.0KW。
7.如权利要求1～4任意一项所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，所述金属粉末的材料为钛合金、铝合金、镍基高温合金或钢，金属粉末的尺度为15μm～500μm。
8.如权利要求1～4任意一项所述的一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，其特征在于，在激光熔覆的过程中，引入惰性气体保护气氛。
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