CN108655402A - 逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法 - Google Patents

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张文书
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Abstract

本发明公开了一种逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法，该装置包括数控系统、工作机台、基板、位于基板上方的激光粉末同轴喷嘴、和轧制装置，采用数控系统控制轧制装置对金属沉积层进行轧制的方案，能够自由调节轧制区域的轧制次数和轧制形变量，解决了零件在激光立体成型过程中由于高温度梯度而产生的高残余应力和严重翘曲变形的问题，同时，利用辊轮轧制力细化晶粒，增加位错，减少裂纹以及提高零件的密实度。本发明能够提高激光立体成型制件的尺寸精度和力学性能，成型质量较高的金属零件，以及减少零件的后续加工处理。

Description

逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，涉及一种增材制造装置和方法，具体涉及一种逐层轧制激光立体成型零件的装置和方法。
背景技术
区别于传统的“减材”和“等材”制造，增材制造可以直接基于数据模型，通过添加材料的方法制造零件。与传统制造方法相比，增材制造技术可高效率、低成本的制造难加工的复杂零件，在航空航天、汽车、生物医疗方面具有广阔的应用前景。根据成型方式的不同，激光增材制造可分为铺粉式的激光选区熔化和送粉式的激光立体成型。激光立体成型适用于大尺寸且形状复杂构件的低成本、高速快速成型。
激光立体成型过程是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材料按照一定的填充路径在基材上逐点堆积形成沉积层，逐层打印最终形成三维实体零件。因为激光立体成型技术采用功率高的激光对基材进行局部加热，产生较大的热应力、制造缺陷和明显的翘曲变形，从而对零件的力学性能和尺寸精度造成不利影响，甚至造成零件成型失败；且随着打印层数的增加，熔池散热条件变差，冷却速率变低，沉积层的晶粒尺寸会变大，导致构件的力学性能进一步降低。专利CN201620873214.4通过对自动调平基板，采用滚筒架压实铺粉以提高致密度来减小零件的翘曲变形，通过压实熔融前的粉末，仍无法避免激光加热和打印层数增加所带来的零件变形问题。CN201010248416.7通过激光熔融金属丝，形成熔滴，熔滴在工作台上堆积冷却，并随工作台运动而形成薄片，各个薄片依次一层层沉积而形成三维金属零件，该发明采用金属熔滴替换铺粉方式来改善零件组织，但仍无法避免最终零件的粗大柱状晶组织，零件内部依旧存在较大的残余热应力，导致成型零件的综合力学性能较差。
因此，在激光立体成型过程中降低零件内部热应力，缓解翘曲变形，减少裂纹以及细化晶粒是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：基于现有技术中所存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种逐层轧制激光立体成型零件的装置，该装置能够实现对激光立体成型的沉积层的轧制，从而建造尺寸精度高、制造缺陷少以及力学性能高的金属零件。
本发明的另一目的在于提供一种逐层轧制激光立体成型零件的方法，该方法能降低零件内部的残余应力，缓解零件翘曲变形，减少裂纹，同时细化晶粒，最终达到提高零件尺寸精度和力学性能的效果。
技术方案：为实现本发明的第一目的——提供了逐层轧制激光立体成型零件的装置，该装置包括数控系统1、工作机台8、工作机台8上的基板3以及位于基板3上方的激光粉末同轴喷嘴2、和轧制装置5，其中：
所述激光粉末同轴喷嘴2被设置成在轧制零件过程中移动地同步熔覆金属粉末以形成金属沉积层4；在每一层金属沉积层4形成之后，所述轧制装置5对金属沉积层4进行逐层轧制；
所述数控系统1控制所述激光粉末同轴喷嘴2以及轧制装置3的移动。
优选地，所述装置还具有送粉器7和激光器6，所述送粉器7和激光器6分别连接在激光粉末同轴喷嘴2上的送粉通道和熔融通道上。
优选地，所述轧制装置包括辊轮5-3、辊轮固定装置5-2、液压装置5-1及第一伺服电机5-4，所述辊轮固定装置5-2的上端连接液压装置5-1的活塞杆，下端连接辊轮5-3，所述辊轮5-3可相对辊轮固定装置5-2自由转动，所述液压装置5-1的活塞杆上下往复运动带动辊轮固定装置5-2同步运动，进而控制辊轮5-3高度及辊轮5-3对金属沉积层4的轧制作用力，
所述数控系统控制第一伺服电机5-4带动辊轮5-3对金属沉积层4滚动轧制，所述第一伺服电机5-4通过门型支架与液压装置5-1连接，所述第一伺服电机5-4控制辊轮5-3高度、运行方向和轧制次数，所述第一伺服电机(5-4)通过门型支架与液压装置(5-1)连接。
优选地，装置还包括带动基板3进行二维平面运动的第二伺服电机5-5，所述第二伺服电机5-5安装在基板3边缘外侧的工作机台8上。
进一步地，装置还包括CCD摄像装置5-6，通过支撑杆安装在基板3上用于将采集的图像反馈到显示装置上以监控金属粉末的熔覆过程和金属沉积层4的轧制过程。
本发明的第二目的还逐层轧制激光立体成型零件的方法，技术方案包括如下：
提供上述逐层轧制激光立体成型零件的装置；
1)数控系统(1)控制送粉器(7)通过激光粉末同轴喷嘴(2)的送粉通道将金属粉末输送到激光器(6)激光光斑形成的熔池区内同步熔覆在基板(3)或已有金属沉积层(4)上形成新的金属沉积层(4)；
2)数控系统(1)控制轧制装置(5)对步骤1)处理得到的金属沉积层(4)进行轧制；
3)重复步骤1)-2)，逐层沉积和轧制，直至最终成型为一个完整的实体零件。
优选地，所述步骤1)和步骤2)之间还包括：回收未熔化成形的金属粉末，进行循环重复使用。
优选地，所述激光器6按照设定路径对金属粉末进行熔化。
优选地，所述步骤1)中熔覆的金属粉末4厚度为50-100μm，所述步骤3)中轧制形变量为10-90％，最终零件轧制形变量偏差不高于2.5％。
优选地，所述金属合金粉末为钛合金、铁基合金、铝合金、镁合金、镍基合金或钴基合金中的一种或几种。
有益效果：
(1)本发明所提供的轧制装置在工作时，利用激光粉末同轴喷嘴在基板上方熔融金属粉末形成沉积层，数控系统控制轧制装置对沉积层进行逐层轧制，沉积层经过轧制后，释放了激光加热熔融粉末时由于高温度梯度产生的高残余应力，改善了沉积层的组织结构性能，达到降低零件内部残余应力、缓解翘曲变形、增加位错、减少裂纹、细化晶粒、提高零件的密实度以及提高力学性能(如抗拉强度、断后伸长率)的目的，减少后续热处理步骤，逐层轧制沉积层并最终成型高质量实体零件。
(2)本发明的轧制装置可应用于多种金属合金，传统激光立体成型直接进行简单改装即可实现轧制功能，通过两种轧制模式结合，提高轧制精度，最终零件的轧制形变量偏差不高于2.5％。
附图说明
图1为本发明逐层轧制激光立体成型零件方法的流程框图；
图2是本发明逐层轧制激光立体成型零件装置的主视图；
图3是本发明层轧制激光立体成型零件装置的轧制装置主视图；
图4是本发明逐层轧制激光立体成型零件装置部分轧制装置的左视图。
1数控系统、2激光粉末同轴喷嘴、3基板、4金属沉积层、5轧制装置、5-1液压装置、5-2辊轮固定装置、5-3辊轮、5-4第一伺服电机、5-5第二伺服电机、5-6CCD摄像装置、6同轴激光器、7送粉器、8工作机台。
具体实施方式
下面将结合本发明附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术构思，本领域普通技术人员对技术方案进行修改和替换，均应落在本发明保护的范围内。
如图1-3所示，一种逐层轧制激光立体成型零件的装置，包括数控系统1、激光粉末同轴喷嘴2、基板3、金属沉积层4和轧制装置5。
如图2和图3所示，逐层轧制激光立体成型零件的装置还具有送粉器7和激光器6，送粉器7设置在激光粉末同轴喷嘴2的送粉通道上端，激光器6连接激光粉末同轴喷嘴2的熔融通道，送粉通道与熔融通道在激光粉末同轴喷嘴2上同轴并且二者相互独立。本发明采用的金属粉末熔覆方式为同步送粉熔覆，应注意的是现有技术中的铺粉熔覆方式也可以实现本发明效果。
数控系统1整体上控制送粉(送粉器7将金属粉末通过激光粉末同轴喷嘴2的送粉通道输送到激光熔池区)、熔覆(控制激光器6发出激光熔化金属粉末)沉积以及轧制(对基板上形成的金属沉积层4逐层轧制)的过程。
在一些实施例中，数控系统1通过控制连接在送粉通道上的送粉器7工作，将金属粉末通过激光粉末同轴喷嘴2的送粉通道输送到激光熔池区内，数控系统1在送粉时同时控制激光器6发出激光并聚焦在熔池区内，将金属粉末熔覆在基板3或已有金属沉积层4上。在具体地实施例中，金属粉末的熔覆路径及熔覆厚度根据模型切片数据确定，其中，数控系统1主要控制激光器6的激光功率、扫描速率、扫描间隔等参数实现金属粉末的熔融沉积，熔覆厚度在50-100μm范围内，厚度过小，容易产生较大的翘曲变形，经过轧制后不足以完全消除翘曲变形，且影响加工效率；厚度过大，所需要的激光扫描功率大、扫描时间长，金属沉积层4中可能存在熔覆不完全的金属粉末，不利于零件性能。
数控系统1还控制轧制装置5对金属沉积层4进行轧制。在一些实施例中，对于具有一定塑性、且经过热轧后获得较好性能的金属沉积层4，如钛合金、模具钢、镍基合金、钴基合金等，由于金属熔池冷却形成金属沉积层过程中伴随着温度的下降，可充分利用沉积层中的余热来进行沉积层的轧制，不仅能省去传统轧制工艺中的升温过程，提高轧制效率，还能通过轧制细化沉积层的晶粒，提升零件的组织结构性能。在另一些实施例中，对于无需热轧的金属沉积层4，如不锈钢、铝合金、镁合金等，可等金属沉积层冷却之后再进行轧制。
可以理解的是，在熔覆沉积及轧制步骤之间，可清扫回收未熔化成形的金属粉末，进行重复使用。
重复上述送粉、熔融沉积以及轧制步骤，直至形成最终的成型零件。
参阅图3，在一些可选的实施例中，轧制装置5包括液压装置5-1、第一伺服电机5-4、辊轮5-3以及辊轮固定装置5-2。辊轮5-3安装到辊轮固定装置5-2内，并可以相对辊轮固定装置5-2自由运动。
如图2-3所示，标号8表示工作机台。前述基板3、轧制装置5均设置在工作机台8上。
液压装置5-1，具有至少一个液压缸体、活塞以及活塞杆。活塞杆与前述辊轮固定装置5-2固定，在所述液压装置5-1被驱动时，通过活塞杆带动辊轮固定装置5-2上下往复同步运动，从而控制辊轮固定装置5-2以及固定在其上的辊轮5-3的高度，并控制辊轮5-3对金属沉积层4的作用力。
在可选的例子中，第一伺服电机5-4可设在前述基板3两侧边缘工作机台8的直线导轨上，沿基板边缘导轨直线运动并驱动辊轮5-3旋转往返运动，实现对金属沉积层4进行轧制。第一伺服电机5-4通过门型支架与液压装置5-1连接，优选地，门型支架可以为可伸缩式，用于支撑液压装置5-1并调节液压装置5-1的高度。
参阅图4，在可选的实施例中，设置了第二伺服电机5-5，第二伺服电机5-5安设在基板3边缘外侧的工作机台8上，用于带动基板3做二维平面运动。在一些零件加工精度及零件表面形貌要求较高的实施例中，先启动第一伺服电机5-4驱动辊轮对金属沉积层进行预轧制，第一伺服电机5-4停止工作，第二伺服电机5-5开始工作并将待轧制金属沉积层4调节至辊轮5-3下方，液压装置5-1重新精确控制辊轮5-3的高度和作用力后，保持辊轮5-3垂直位置不变，第二伺服电机5-5驱动基板3运动带动其上待轧制的金属沉积层4开始相对辊轮5-3进行二维平面运动，实现辊轮5-3相对基板3滚动轧制金属沉积层4，所采用的轧制作用力相对预轧制时要小一些。经过初步预轧制，金属沉积层可以基本上达到设定的形变量(不低于预设形变量的95％)，再经过精轧制，辊轮5-3垂直高度和位置保持不变，施以相同的预轧制作用力多次挤压金属沉积层4，可以更精确的达到预设形变量及消除零件表面形貌缺陷。
本发明实施例中，第一伺服电机5-4、第二伺服电机和/或前述液压装置5-1由前述数控系统1整体控制，在整个轧制过程中，第一伺服电机5-4和第二伺服电机5-5可交替性工作，也可以单独工作。在实施例中，不同模式的轧制过程可保证金属沉积层4的轧制形变量为10-90％，最终零件的轧制形变量偏差不高于2.5％。
在可选的实施例中，更加设置了CCD摄像装置5-6，通过支撑杆安装在基板3上，用于将采集的图像通过数据线传输到显示装置上以监控金属粉末的熔覆过程和轧制过程中金属沉积层4的轧制形变量及表面形态。
本发明装置可适用的金属粉末为钛合金、铁基合金、铝合金、镁合金、镍基合金或钴基合金中的一种或几种，上述金属合金粉末可在市面上买到，适用于本发明装置和方法的金属合金粉末常用粒径范围在0～45μm，15～53μm，53～105μm之间，熔覆沉积后能够进行塑性延伸加工皆可适用于本发明。
在实施例中，金属沉积层4的轧制策略及工艺参数根据具体材料及铺粉层厚度决定，可采用单次或多次轧制，对于伸长率不大的金属沉积层4，如钛合金、模具钢、镍基合金、钴基合金等，通常采用多次轧制降低出现开裂、原始晶粒粗大等缺陷，可以设定每次的轧制形变量相同并进行多次轧制；也可以每次施以相同的轧制作用力进行轧制，这样的轧制策略通常第一次轧制形变量较大，后续次数的轧制形变量较小。
在TC4钛合金的实施例中，数控系统1控制送粉器7和激光器6工作，将TC4合金粉末在激光熔池区内熔覆并沉积在基板3或已有金属沉积层4上形成新的金属沉积层4，利用熔池余热进行多次轧制，启动第一伺服电机5-4进行预轧制，然后启动第二伺服电机5-5进行精确轧制，并采用CCD监测形变量，重复上述步骤，经过逐层沉积和轧制，直至最终成型为一个完整的实体零件，最终获得的TC4成型件为典型均匀分布的网篮组织，零件残余应力低、晶粒细小、抗拉强度及断后伸长率综合力学性能好的TC4成型零件。表1为与本实施例中其他条件相同，未采取轧制与采取轧制(单道次轧制形变量为10％，轧制次数为3，最终形变量为30％，最终零件的轧制形变量偏差不高于2.0％)方法分别获得的TC4成型件性能参数对比表：
表1 TC4钛合金成型件性能参数对比
在铁基合金的一个实施例中，数控系统1控制送粉器7和激光器6工作，将304不锈钢的合金粉末在激光熔池区内熔覆并沉积在基板3或已有金属沉积层4上形成新的金属沉积层4，仅启动第一伺服电机进行轧制，冷轧或热轧皆可，重复上述步骤，经过逐层沉积和轧制，直至最终成型为一个完整的实体零件，最终获得的304不锈钢成型件为等轴状的奥氏体晶粒。表2为相同条件下未采取轧制以及采取轧制(单道次轧制变形量为30％，轧制次数为2，最终变形量为60％，最终零件的轧制形变量偏差不高于1.8％)方法获得304不锈钢成型件性能参数对比表：
表2 304不锈钢成型件性能参数对比
在6061铝合金一个实施例中，数控系统1控制送粉器7和激光器6工作，将6061铝合金的合金粉末在激光熔池区内熔覆并沉积在基板3或已有金属沉积层4上形成新的金属沉积层4，交替启动第一和第二伺服电机对铝合金金属沉积层进行多次轧制，重复上述步骤，经过逐层沉积和轧制，直至最终成型为一个完整的实体零件，得到微观形貌为基体组织上弥散分布细小次生相的铝合金零件，零件残余应力低、晶粒细小。下表3为相同条件下未采取轧制以及采取轧制(单道次轧制变形量为45％，轧制次数为2，最终变形量为90％，最终零件的轧制形变量偏差不高于1.7％)方法获得6061铝合金成型件性能参数对比表：
表3 6061铝合金成型件性能参数对比

Claims (9)

1.逐层轧制激光立体成型零件的装置，其特征在于，所述装置包括数控系统(1)、工作机台(8)、工作机台(8)上的基板(3)、位于基板(3)上方的激光粉末同轴喷嘴(2)、和轧制装置(5)，其中：
所述激光粉末同轴喷嘴(2)被设置成在轧制零件过程中移动地同步熔覆金属粉末以形成金属沉积层(4)；在每一层金属沉积层(4)形成之后，所述轧制装置(5)对金属沉积层(4)进行逐层轧制；
所述数控系统(1)控制所述激光粉末同轴喷嘴(2)以及轧制装置(3)的移动。
2.根据权利要求1所述的逐层轧制激光立体成型零件的装置，其特征在于，所述装置还具有送粉器(7)和激光器(6)，所述送粉器(7)和激光器(6)分别连接在激光粉末同轴喷嘴(2)上的送粉通道和熔融通道上。
3.根据权利要求1所述的逐层轧制激光立体成型零件的装置，其特征在于，所述轧制装置(5)包括辊轮(5-3)、辊轮固定装置(5-2)、液压装置(5-1)及第一伺服电机(5-4)，
所述辊轮固定装置(5-2)的上端连接液压装置(5-1)，下端连接辊轮(5-3)，所述辊轮(5-3)可相对辊轮固定装置(5-2)自由转动，所述液压装置(5-1)带动辊轮固定装置(5-2)同步运动，进而控制辊轮(5-3)高度及辊轮(5-3)对金属沉积层(4)的轧制作用力，
所述数控系统控制第一伺服电机(5-4)带动辊轮(5-3)对金属沉积层(4)滚动轧制，所述第一伺服电机(5-4)控制辊轮(5-3)高度、运行方向和轧制次数，所述第一伺服电机(5-4)通过门型支架与液压装置(5-1)连接。
4.根据权利要求3所述的逐层轧制激光立体成型零件的装置，其特征在于，所述装置还包括带动基板(3)进行二维平面运动的第二伺服电机(5-5)，所述第二伺服电机(5-5)安装在基板(3)边缘外侧的工作机台(8)上。
5.根据权利要求1或4所述的逐层轧制激光立体成型零件的装置，其特征在于，所述装置还包括CCD摄像装置(5-6)，通过支撑杆安装在基板(3)上用于将采集的图像反馈到显示装置上以监控金属粉末的熔覆过程和金属沉积层(4)的轧制过程。
6.逐层轧制激光立体成型零件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供权利要求1至5任一项所述的逐层轧制激光立体成型零件的装置；
1)数控系统(1)控制送粉器(7)通过激光粉末同轴喷嘴(2)的送粉通道将金属粉末输送到激光器(6)激光光斑形成的熔池区内同步熔覆在基板(3)或已有金属沉积层(4)上形成新的金属沉积层(4)；
2)数控系统(1)控制轧制装置(5)对步骤1)处理得到的金属沉积层(4)进行轧制；
3)重复步骤1)-2)，逐层沉积和轧制，直至最终成型为一个完整的实体零件。
7.根据权利要求6所述的逐层轧制激光立体成型零件的方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)之间还包括：回收未熔化成形的金属粉末，进行循环重复使用。
8.根据权利要求6或7所述的逐层轧制激光立体成型零件的方法，其特征在于，所述金属粉末为钛合金、铁基合金、铝合金、镁合金、镍基合金或钴基合金中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的逐层轧制激光立体成型零件的方法，其特征在于，所述步骤1)中的熔覆厚度为50-100μm。
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