CN108372299B - 一种低应力电子束快速成形装置及成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低应力电子束快速成形装置及方法。该装置包括成形系统和控制系统，成形系统中设置了扫描线圈，扫描线圈安装于电子枪下端，采用该装置的成形过程中对加工区域实现整体预热、均热以降低成形零件内部温度梯度、减小内应力，从而控制大型整体零件电子束增材制造过程的变形问题。

Description

一种低应力电子束快速成形装置及成形方法
技术领域
本发明涉及一种低应力电子束快速成形装置及成形方法，属于电子束快速成形领域。
背景技术
快速成形是一种基于零件的三维CAD模型，利用热源熔化加工材料，通过分层制造、材料累加的方法制造出具有近净尺寸零件的加工方法。加工过程中，热源按照程序设定的路径熔化预先铺好的金属粉末或同步送进的金属丝材，熔滴凝固后形成加工路径，成形路径在横向的累加构成了单层的加工面，当达到单层的形状要求后再进行下一层的堆积，依次由下至上按单层轮廓进行加工，直至整个零件加工完成。
应力变形是金属快速成形工艺面临的普遍问题。其根本原因是成形过程中零件内部温差较大，具有较大的温度梯度，冷却过程中收缩不均匀形成内应力，经过反复热循环，应力累积至一定程度即可引起变形或开裂。随着结构增大，问题也更趋严重。在大型结构的应力变形控制方面，目前通用的技术手段如下：
1）夹具刚性固定。在零件周围采用夹具将零件刚性固定到加工平台上，该方法操作简单，但有可能导致零件或因应力集中区而开裂。
2）多次去应力退火。当零件内应力累计较大时，中断成形过程，对零件毛坯进行去应力退火。使用该方法可以达到很好的控制变形效果，但中断成形过程，增加工艺复杂性，增加成本和周期。
3）分块成形再连接成整体。即将零件分为若干段分别成形，再通过加工接口、快速成形连接成整体。该方法已得到了工业化应用，具有良好的控制变形效果，缺点是增加工艺的复杂性，弱化零件的整体性，增加成本和周期。
4）模拟仿真，优化成形工艺，包括参数、加工顺序等。该方法方便，成本低，不会中断成形过程，但模拟仿真有太多影响因素，技术难度大，可以改善，但目前尚不能从根本上解决应力累积问题。
5）辅助滚压、冲击等。试验效果明显，但需要增加额外的设备，机床结构也需要做特殊调整，无法解决现有条件下的问题。
6）热处理校形。该方法仅对部分低刚性结构有效，并且增加成本和周期。
以上各种方法均可在一定程度上减小应力，但也各自有很大的局限性，都不能单独从根本上解决应力和变形问题。在实践中，往往是将多种方法结合起来使用。应力变形控制仍然是快速成形领域的重大技术难题，但从工业应用上，已经有了一些成功的实践。北京航空航天大学采用分块成形，再快速成形连接的办法，制造了投影面积达5m2的大型钛合金框；美国Sciaky公司采用工艺仿真对应力和变形进行预测，进而对成形工艺进行主动调整，进行了多次去应力退火，起到了很好的效果。英国克莱菲尔德大学利用滚压方法处理电弧堆积成形的铝合金壁板，效果良好。
电子束快速成形既有与其它成形工艺相同的地方，又有鲜明的特点。通过高压加速装置将具有很高速度和能量的电子束汇聚到被加工材料的表面，电子的动能大部分转化成热能，使被轰击的材料温度升高至熔融点，并在成形路径上逐点逐行堆积成形。另外，电子束是一束高速的电子流，在磁场作用下可以实现偏转，利用这一原理，通过偏转扫描线圈和扫描程序精确控制电子束流，使其按一定的频率、能量和移动速度轰击材料表面，可以实现对一定区域、按一定图形的高速扫描，电子束毛化技术正是利用了这一原理。
利用电子束在高频交变电磁场的作用下可以实现按设定轨迹的快速扫描并能大角度偏转这一特性，每成形一次，对成形区域进行多次快速扫描，降低成形体内部温度梯度以减小应力累积，并使成形区域温度达到或接近去应力退火温度以消弱凝固和相变过程产生的应力，将这一工艺过程定义为随形退火，在制造过程中随形退火工艺与成形工艺交替进行，能够有效控制大型结构在成形过程中的变形问题。
发明内容
针对金属零件快速成形面临的应力变形问题，本发明提出利用电子束在磁场作用下可以实现偏转、进而对一定区域快速扫描的特征，在成形过程中对加工区域实现整体预热、均热以降低成形零件内部温度梯度、减小内应力，从而控制零件变形。本发明的实现原理为：
①电子枪下端安装同心扫描线圈，扫描线圈的控制系统可以实现对扫描图形的形状、频率、范围等参数的控制，零件基板底部安装有若干个热电偶，在成形过程中实现对基板底部各区域温度的实时监测。具体参数包括束流大小Iw、聚焦电流If、扫描图形Φ、扫描幅值（范围）X/Y、工作距离d、扫描频率f、相对运动速度v、扫描路径L、基板预热最小温度T1、基板预热最大温差为ΔT1、沉积层均热最小温度T2以及最大温差ΔT2。其中，扫描图形Φ可以是圆形或矩形，根据零件截面形状还可以为椭圆、多边形等，扫描束流选用散焦形式。在扫描开始时，电子枪与零件平面之间调整至工作距离d，在设定的扫描图形范围内以扫描频率f、束流Iw按一定规律高频扫描，同时电子枪与平台之间以速度v相对运动，实现对整个零件区域的预热或均热过程；
②成形开始时，设定电子束扫描预热参数，扫描范围的大小与束流大小相对应，在保证能量密度的情况下尽量加大单次扫面面积S，对大型零件单次扫描无法覆盖整个零件范围的情况，在电子束高频扫描的同时加工平台和电子枪之间做相对运动，实现对整个零件区域的扫描预热，对基板实施多次快速高频扫描，直至测得的基板温度T>T1、基板温差ΔT<ΔT1即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
③成形系统按照程序设定的路径进行金属零件的堆积成形，单层程序完成后，求取沉积层的温度分布并关闭成形系统，同时开启快速扫描均热系统；
④扫描系统根据测得的基板温度分布生成扫描路径L并设定扫描参数，在保证零件表面未明显熔化（熔深<1/5层厚）的情况下，采用大束流、大扫描面积、大运动速度以实现快速整体扫描，基本方式与基板预热相同。对已成形的零件层实施多次快速扫描，直至测得的基板温度T>T2、基板温差ΔT<ΔT2时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
⑤重复以上步骤直至整个零件成形完成，其中T2的具体数值与材料相关，在兼顾成形效率的情况下，T2值应接近材料的去应力退火温度，而ΔT的值越小越好。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种低应力电子束快速成形装置，其特征在于：该装置包括成形系统和控制系统,所述成形系统包括电子枪3、扫描线圈4、电子束5、成形基板6、成形毛坯7、成形测温元件8、成形平台9和送丝设备10，所述成形基板6安装于成形平台9上，所述成形毛坯7安装于成形平台9上，所述扫描线圈4安装于电子枪下端，在成形基板6底部安装若干个所述成形测温元件8；所述控制系统包括真空控制系统、束流控制系统和扫描控制系统；所述成形测温元件8将测得的温度传送至扫描控制系统，控制系统根据成形基板6底部温度分布生成扫描路径并调用设定的扫描控制参数，启动扫描工艺并对成形层进行电子束5扫描加热。
基于上述一种低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
（１）成形基板的预热
成形基板6通过工艺压块固定装卡在成形平台9上，成形基板6底部安装有成形测温元件8，成形开始时，设定电子束5扫描预热参数；预热至测得的成形基板温度T>成形基板预热最小温度T 1 、成形基板温差ΔT<成形基板预热最大温差ΔT 1 即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统。
（２）随形退火和均热扫描
当一层程序成形完成后，成形测温元件8将测得的温度传送至控制系统，控制系统计算出成形毛7温度沿横向和纵向的温度分布，并以此为依据选择电子束5均热扫描路径及参数；均热扫描路径有三种形式，分别为横向连续扫描、纵向连续扫描及分区域扫描；
在成形程序为横向连续成形的情况下，首先对成形层进行一次横向连续扫描的随形退火工艺，根据控制系统设定的参数快速扫描整体平面；接着进行一次纵向扫描，根据测得的温度分布由控制系统判断是否进行分区域扫描；如果两次整体连续扫描结束后，部分区域任然存在较大温度梯度，采用分区域扫描进行随形退火，直至测得的成形基板温度T>成形层均热最小温度T2、成形基板温差ΔT<成形层最大温差ΔT2时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统。
在一个优选的技术方案中，所述扫描控制系统用以对扫描图形的形状、频率、范围实现控制。
在一个优选的技术方案中，所述扫描图形是圆形、矩形、椭圆行或多边形；所述扫描的束流选用散焦形式。
在一个优选的技术方案中，所述步骤（1）中的电子束5扫描预热参数包括束流大小I w 、聚焦电流I f 、扫描图形Φ、扫描幅值的横向X和纵向Y的范围的、工作距离d、扫描频率f、相对运动速度v、扫描路径L、成形基板6预热最小温度T 1 、成形基板6预热最大温差为ΔT 1 、沉积层均热最小温度T2以及最大温差ΔT2。
在一个优选的技术方案中，所述步骤（1）中的电子束5扫描，在扫描开始时，电子枪与零件平面之间调整至工作距离d，在设定的扫描图形范围内以扫描频率f、束流Iw按一定规律高频扫描，同时电子枪与平台之间以速度v相对运动，实现对整个成形毛坯7区域的预热或均热过程。
在一个优选的技术方案中，所述方法通过以下具体步骤来实现：
第一步、设定电子束5扫描预热参数，扫描范围的大小与束流大小相对应，在保证能量密度的情况下尽量加大单次扫面面积S，对大型零件单次扫描无法覆盖整个零件范围的情况，在电子束5高频扫描的同时加工平台和电子枪之间做相对运动，实现对整个零件区域的扫描预热，对成形基板6实施多次快速高频扫描，直至测得的成形基板6温度T>成形基板6预热最小温度T1、成形基板6温差ΔT<成形基板6预热最大温差ΔT1即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
第二步、成形系统按照程序设定的路径进行金属零件的堆积成形，单层程序完成后，求取成形层的温度分布并关闭成形系统，同时开启快速扫描均热系统；
第三步、扫描系统根据测得的成形基板6温度分布生成扫描路径并设定扫描参数，在保证零件表面未明显熔化的情况下，采用大束流、大扫描面积、大运动速度以实现快速整体扫描，基本方式与成形基板6预热相同。对已成形的成形层实施多次快速扫描，直至测得的成形基板温度T>成形层均热最小温度T 2 、成形基板温差ΔT<成形层最大温差ΔT 2 时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
第四步、重复以上步骤直至整个零件成形完成，其中T 2 的具体数值与材料相关，在兼顾成形效率的情况下，T 2 值应接近材料的去应力退火温度，而ΔT的值越小越好。
本发明的技术效果如下：
（1）本发明利用电子束在交变电磁场作用下可以实现高频偏转、进而对一定区域快速扫描的特征，在现有电子枪上加装一扫描线圈及控制系统，对成型零件实现整体预热、均热过程，减小零件内应力从而控制大型整体零件电子束增材制造过程的变形问题；
（2）在电子枪上加装一交变电磁场扫描线圈，可以实现对扫描图形、扫描幅值（范围）、扫描频率的控制，并通过加工平台与电子枪之间的相对运动，实现大型零件整体电子束扫描；
（3）零件成形基板底部安装测温原件，在成形过程中实现对成形基板底部各区域温度的实时监测，扫描系统可以根据测得的成形基板温度分布生成扫描路径，实现工艺工程中的分区域均热扫描。
说明书附图
图1低应力电子束快速成形系统示意图；
图2成形基板预热工艺的横向扫描示意图；
图3成形基板预热工艺的纵向扫描示意图
图4成形层随形退火工艺示意图；
图5 横向连续形式的扫描路径示意图；
图6纵向连续形式的扫描路径示意图；
图7分区域扫描形式示意图。
图中：1-成形系统，2-控制系统，3-电子枪，4-扫描线圈，5-电子束，6-成形基板，7-成形毛坯，8-测温元件，9-成形平台，10-送丝设备；11-压块；12-路径；13-扫描区域；成形层-14。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种低应力电子束快速成形装置及方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。
实施例1
以电子束熔丝成形工艺为例。成形装置结构如图1所示，该系统由两大部分组成，分别为成形系统和控制系统。成形系统包括电子枪、扫描线圈4、电子束5、成形基板6、成形毛坯7、成形测温元件8、成形平台9和送丝设备10。成形基板6安装于成形平台9上并通过卡具固定装卡，为了测定成形过程中构件各区域温度分布，在成形基板6底部安装若干个测温元件，测温元件分布根据待加工零件的结构特征设计。测温元件将测得的温度传送至扫描控制系统，控制系统根据成形基板6底部温度分布生成扫描路径并调用设定的扫描控制参数，启动扫描工艺并对成形层进行电子束5扫描加热。包括如下操作：
(1)成形基板预热
图2所示为预热工艺过程示意图，如图所示，成形基板6通过工艺压块固定装卡在工作平台上，成形基板6底部按图1所示安装测温元件。成形开始时，设定电子束5扫描预热参数，包括束流大小Iw、聚焦电流If、扫描图形Φ、扫描幅值横向X和纵向Y涵盖的范围)、工作距离d、扫描频率f、相对运动速度v、扫描路径Φ、成形基板6预热最小温度T1及成形基板6预热最大温差ΔT1。图示扫描图形Φ选择为矩形，扫描路径L为连续往复运动。扫描范围的大小与束流大小相对应，在保证能量密度的情况下尽量加大单次扫面面积S(矩形S＝X·Y)，对大型零件单次扫描无法覆盖整个零件范围的情况，在电子束5高 频扫描的同时加工平台和电子枪之间做相对运动，实现对整个零件区域的扫描预热。对成形基板6实施多次快速高频扫描，预热扫描过程中，扫描路径按图2(横向)和图3(纵向)所示的路径及箭头所指的方向交替进行，直至测得的成形基板温度T>T1、成形基板温差ΔT<ΔT1即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统。
（2）随形退火（均热扫描）
当一层程序成形完成后，测温元件将测得的温度传送至控制系统，控制系统计算出零件温度沿X、Y向的温度分布，并以此为依据选择电子束5扫描均热路径及参数，扫描路径有三种形式，如图3所示，分别为横向连续扫描、纵向连续扫描及分区域扫描。在成形程序为横向连续成形的情况下，首先对成形层进行一次横向连续扫描的随形退火工艺，电子枪与工作平台之间调整至工作距离d，根据控制系统设定的参数快速扫描整体平面。均热束流大于成形术流，同时电子束5采用散焦形式并在扫描线圈4的作用下按规定图形区域高频整体扫描，同时电子枪与工作平台之间按路径L相对运动，实现整体成形层电子束5扫描。单次扫描面积应尽量大，在增大扫描面积的同时增加束流，保证成形层表面不熔化的情况下选择能最大覆盖成形区域的扫描幅值并相应选择束流值。接着进行一次纵向扫描，根据测得的温度分布由控制系统判断是否进行分区域扫描，如果两次整体连续扫描结束后，部分区域任然存在较大温度梯度，采用分区域扫描进行随形退火。直至测得的成形基板6温度T>T2、成形基板6温差ΔT<ΔT2时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统。
（3）成形系统按照程序设定的路径进行金属零件的堆积成形，单层程序完成后，求取沉积层的温度分布并关闭成形系统，同时开启快速扫描均热系统；
（4）扫描系统根据测得的基板温度分布生成扫描路径L并设定扫描参数，在保证零件表面未明显熔化（熔深<1/5层厚）的情况下，采用大束流、大扫描面积、大运动速度以实现快速整体扫描，基本方式与基板预热相同。对已成形的成形层实施多次快速扫描，直至测得的基板温度T>T 2 、基板温差ΔT<ΔT 2 时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
（5）重复以上步骤直至整个零件成形完成，其中T 2 的具体数值与材料相关，在兼顾成形效率的情况下，T 2 值应接近材料的去应力退火温度，而ΔT的值越小越好。

Claims (6)

1.一种降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于，
降低应力电子束快速成形装置包括成形系统（1）和控制系统（2）,所述成形系统包括电子枪（3）、扫描线圈（4）、电子束（5）、成形基板（6）、成形毛坯（7）、成形测温元件(8)、成形平台(9)和送丝设备(10)，所述成形基板(6)安装于成形平台(9)上，所述成形毛坯(7)安装于成形平台（9）上，所述扫描线圈（4）安装于电子枪（3）下端，所述扫描线圈（4）用于产生使所述电子束高频偏转的交变电磁场，在成形基板（6）底部安装若干个所述成形测温元件（8）；所述控制系统包括真空控制系统、束流控制系统和扫描控制系统；所述成形测温元件（8）将测得的温度传送至扫描控制系统，控制系统根据成形基板（6）底部温度分布生成扫描路径并调用设定的扫描控制参数，启动扫描工艺并对成形层进行电子束（5）扫描加热；
成形方法包括以下步骤：
（1）成形基板的预热
成形基板（6）通过工艺压块固定装卡在成形平台（9）上，成形基板（6）底部安装有成形测温元件（8），成形开始时，设定电子束（5）扫描预热参数，电子束在交变电磁场作用下高频偏转，在保证能量密度的情况下加大单次扫描面积S，预热至测得的成形基板（6）温度T>成形基板（6）预热最小温度T 1 且成形基板（6）温差ΔT<成形基板（6）预热最大温差ΔT 1 即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
（２）随形退火和均热扫描
当一层按程序成形完成后，成形测温元件（8）将测得的温度传送至控制系统，控制系统计算出成形毛坯（7）温度沿横向X和纵向Y的温度分布，并以此为依据选择电子束（5）均热扫描路径及参数；均热扫描路径有三种形式，分别为横向连续扫描、纵向连续扫描及分区域扫描；
在成形程序为横向连续成形的情况下，首先对成形层进行一次横向连续扫描的随形退火工艺，根据控制系统设定的参数扫描整体平面；接着进行一次纵向连续扫描，根据测得的温度分布由控制系统判断是否进行分区域扫描；如果横向连续扫描和纵向连续扫描结束后，部分区域仍然存在较大温度梯度，采用分区域扫描进行随形退火，直至测得的成形基板温度T>成形层均热最小温度T2且成形基板温差ΔT<成形层最大温差ΔT2时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统。
2.根据权利要求1所述的降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于，所述扫描控制系统用以对扫描图形的形状、扫描频率和扫描范围实现控制。
3.根据权利要求2所述的降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于，所述扫描图形是圆形、椭圆形或多边形；所述扫描的束流选用散焦形式。
4.根据权利要求1所述的降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于：所述步骤（1）中的电子束（5）扫描预热参数包括束流I w 、聚焦电流I f 、扫描图形Φ、扫描幅值的横向X和纵向Y的范围、工作距离d、扫描频率f、电子枪(3)与平台之间的相对运动速度v、扫描路径L、成形基板预热最小温度T 1 、成形基板预热最大温差为ΔT 1 、成形层均热最小温度T 2 以及成形层最大温差ΔT 2 。
5.根据权利要求1所述的降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于：所述步骤（1）中的电子束(5)扫描，还包括在扫描开始时，电子枪(3)与成形毛坯上平面之间调整至工作距离d，在设定的扫描图形范围内以扫描频率f、束流Iw按一定规律高频扫描，同时电子枪(3)与平台之间以速度v相对运动，实现对整个零件区域的预热或均热过程。
6.根据权利要求1所述的降低应力电子束快速成形装置的成形方法，其特征在于：所述成形方法通过以下具体步骤来实现：
第一步、设定电子束(5)扫描预热参数，扫描范围的大小与束流大小相对应，在保证能量密度的情况下加大单次扫描面积S，对大型零件单次扫描无法覆盖整个零件范围的情况，在电子束(5)高频扫描的同时加工平台和电子枪(3)之间做相对运动，实现对整个零件区域成型基板的扫描预热，对成形基板(6)实施多次高频扫描，直至测得的成形基板温度T>成形基板预热最小温度T 1 且成形基板温差ΔT<成形基板预热最大温差ΔT 1 即停止预热，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
第二步、成形系统按照程序设定的路径进行金属零件的堆积成形，单层程序完成后，求取成形层的温度分布并关闭成形系统，同时开启扫描系统；
第三步、扫描系统根据测得的成形基板（6）温度分布生成扫描路径并设定扫描参数，在保证零件表面的熔深<1/5层厚的情况下，采用一定的束流、扫描面积、运动速度以实现整体高频扫描，扫描方式与成形基板（6）预热扫描方式相同，对已成形的成形层实施多次高频扫描，直至测得的成形基板温度T>成形层均热最小温度T 2 且成形基板温差ΔT<成形层最大温差ΔT 2 时停止均热扫描，并关闭扫描系统，同时启动成形系统；
第四步、重复以上的第二步和第三步，直至整个零件的成形完成，其中T 2 的具体数值与材料相关，在兼顾成形效率的情况下，T2值应接近材料的去应力退火温度，ΔT的值越小越好。
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