CN108672849A - 微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法 - Google Patents

微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法 Download PDF

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Abstract

为了解决现有增材制造方法易导致金属零件出现局部凸起起球、翘曲等缺陷，本发明提供一种微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，属于金属零部件成形制造技术领域。本发明包括：根据要加工的模型，确定分层及各层所要加工的截面形状；均匀平铺一层粉末材料，对平铺的粉末层预热；在粉末层上方设置工具电极，直流电源为工具电极供电，工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，完成该层的熔凝成型；将直流电源切换为脉冲电源，同时令主轴旋转，带动工具电极旋转，对所述截面形状进行一次电火花铣削，完成该层电火花铣削后，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，直至完成所有层的熔凝成型和电火花铣削，结束。

Description

微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法
技术领域
本发明属于金属零部件成型制造技术领域，更具体地，涉及一种高精度、高性能金属零部件的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法。
背景技术
微束电弧选择性熔凝增材制造是一种新型的金属零部件增材制造方法：它利用工具电极与金属粉末之间的极间介质被高压击穿时产生的微束电弧作为热源，逐层对金属粉末材料进行选择性扫描，被扫描区的粉末熔化后凝固在一起，层层累积形成实体零件。
该方法可成型铝合金铜合金等低激光吸收率材料、不需要真空环境、不需要支撑和模具、成型形状可控性好、成本低、精度较高、可实现设备小型化；通过减小工具电极直径、粉末直径和微束电弧电流还可实现微细增材制造。
但是在成型过程中，由于金属粉末的快速熔化和快速凝固会形成较大的温度梯度和热应力，所以易导致金属零件出现局部凸起起球、翘曲等缺陷，如果此类缺陷在增材制造过程中不断发生和累加，则会严重影响制件的尺寸精度及致密度。
发明内容
为了解决现有增材制造方法易导致金属零件出现局部凸起起球、翘曲等缺陷，本发明提供一种微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法。
本发明的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数学模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置主轴8，主轴夹持工具电极9，工具电极9与直流电源的一极相连，粉末层与所述直流电源的另一极相连，工具电极9与粉末层上表面之间具有一定的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；
步骤四：工具电极9根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，粉末层被微束电弧加热，粉末层受热熔化后凝固粘接，且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型；
步骤五：在上述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，进行下一层的熔凝成型；
步骤六：上述步骤二至步骤五每循环进行数次、熔凝成形数层后，将直流电源切换为脉冲电源，同时令主轴8旋转，进而带动工具电极9旋转，旋转的工具电极9根据当前粉末层对应的截面形状在间隙伺服控制下进行电火花铣削去除加工，完成该层电火花铣削后，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型和电火花铣削加工，结束。
优选的是，所述微束电弧的电流在数安培以内，所述微束电弧的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节。
优选的是，所述步骤四中，当前粉末层熔凝粘接的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连结在一起。
优选的是，所述步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
优选的是，所述步骤六中，伺服进给系统自动调整工具电极与粉末层表面之间的间隙，保证工具电极与粉末层之间连续发生脉冲放电。
优选的是，所述步骤六中，通过设置脉冲电源的单脉冲放电能量、放电频率、放电极性、工具电极对粉末层表面的铣削进给速度，获得最佳的电火花铣削加工质量和速度。
优选的是上述各步加工过程均在通有保护气的气密室中进行，从而避免金属材料在成型过程中被氧化。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明在同一装置上通过简单的电源切换和控制策略的变化就可实现微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造，通过微束电弧增材和电火花铣削减材加工的有效结合实现高精度高质量的金属件增材制造。当工具电极连接直流电源时，产生微束电弧对粉床进行扫描使截面区域金属熔凝成型，当切换至脉冲电源时，在工具电极与已熔凝成型表面之间产生火花放电，对已熔凝成型金属表面进行电火花铣削去除加工。电火花分层铣削加工可以消除已熔凝成型区域局部的凸起与翘曲,使其表面保持平整，有效减少表面残留凸峰及塑性变形，有助于增加制件致密度，提高制件成型精度、减小制件表面粗糙度。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的装置结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是微束电弧选择性熔凝成型过程示意图；
图4是电火花分层铣削过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的微束电弧选择性熔凝成型与电火花分层铣削复合增材制造方法，包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数学模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置主轴8，主轴夹持工具电极9，工具电极9与直流电源的一极相连，粉末层与所述直流电源的另一极相连，工具电极9与粉末层上表面之间具有一定的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；
步骤四：工具电极9根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，粉末层被微束电弧加热，粉末层受热熔化后凝固粘接，且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型；
步骤五：在上述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，进行下一层的熔凝成型；
步骤六：上述步骤二至步骤五每循环进行数次、熔凝成形数层后，将直流电源切换为脉冲电源，同时令主轴8旋转，进而带动工具电极9旋转，旋转的工具电极9根据当前粉末层对应的截面形状在间隙伺服控制下进行电火花铣削去除加工，完成该层电火花铣削后，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型和电火花铣削加工，结束。
本实施方式的工具电极的截面尺寸足够小，以保证较高的熔凝定域性。
本实施方式所述微束电弧的电流在数安培以内，所述微束电弧的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节，且具有弧柱稳定性好和集束性高的特点。
在步骤四中，当前粉末层熔凝粘接的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连结在一起。
在步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
本实施方式将微束电弧与预置粉末法相结合，有利于高精度的粉末选择性熔凝成型。
在步骤六中，伺服进给系统自动调整工具电极与粉末层表面之间的间隙，保证工具电极与粉末层之间连续发生脉冲放电。
在步骤六中，通过设置脉冲电源的单脉冲放电能量、放电频率、放电极性、工具电极对粉末层表面的进给速度，获得最佳的电火花铣削质量和速度。
本实施方式的各步加工过程均在通有保护气的气密室中进行，从而避免金属材料在成型过程中被氧化。
具体实施例：本实施方式的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法借助一种增材制造装置实现，如图1和图2所示，该装置包括气密室1、铺粉预热辊筒2、原料腔3、原料腔托板4、成型腔5、成型腔托板6、Z轴伺服进给机构7、高速主轴8、工具电极9、工作台基体10、X方向进给部件11、Y方向进给部件12；工作台基体10内设有两个腔，分别为：原料腔3和成型腔5，工作台基体10的顶面为平面；原料腔底板4设置在原料腔3内，可上下运动；成型腔底板6设置在成型腔5内，可上下运动；铺粉预热辊筒2设置在工作台基体10的顶面上；工具电极9设置在成型腔5的上部，脉冲电源的一极与工具电极9连接，脉冲电源的另一极与成型腔5内的粉末相连；铺粉预热辊筒2能将原料腔3中的表层粉末均匀铺放到成型腔5内，并对粉末具有预加热作用。
工具电极9安装在高速主轴8上，高速主轴8安装在电极Z轴伺服进给机构7上，电极Z轴伺服进给机构7控制工具电极9与成型腔5顶面之间的距离；所述电极Z轴伺服进给机构7为Z向进给；
X方向进给部件11，用于控制工具电极9的X向进给；
Y方向进给部件12，用于控制工具电极9的Y向进给；
铺粉预热辊筒2、原料腔底板4、成型腔底板6、电极Z轴伺服进给机构7、高速主轴8、工具电极9、工作台基体10、X方向进给部件11、Y方向进给部件12均设置在气密室1中。
气密室1的底部侧面设有保护气进气口，顶部侧面设有保护气出气口，气密室1内通保护气，避免金属材料在成型过程中被氧化。
本实施方式的铺粉预热辊筒2能将原料腔3中的表层粉末均匀铺放到成型腔5内，并对粉末具有预加热作用，将成型腔5表层粉末加热到即将熔化的温度；
本实施例的增材制造方法：
本实施方式的装置在实现烧结增材制造时的工作过程为：
步骤1：加工开始前，原料腔底板4位于原料腔3最低的位置，原料腔3内盛满粉末材料，粉末上表面与加工平面平齐。成型腔底板6位于最高的位置，其上表面也与加工平面9平齐。本实施方式的加工平面为工作台基体10的顶面；
步骤2：加工开始后，原料腔底板4上升一层的厚度，使一层厚的粉末材料冒出，成型腔底板6下降一层的厚度；
步骤3：铺粉预热辊筒2将原料腔3上方冒出的粉末材料转移平铺至成型腔5，并预热到即将熔化的温度。
步骤4：如图3所示，连接直流电源，工具电极9根据截面形状对当前层的松散粉末进行选择性熔凝，熔凝成型后的表面会形成局部的小球及凸起；
步骤5：上述步骤2至4循环进行数次、熔凝成形数层；
步骤6：如图4所示，将直流电源切换成脉冲电源，并控制高速主轴8旋转，带动工具电极9旋转，旋转的工具电极9根据截面形状对当前已成型的粉末层进行选择性电火花铣削，将小球及凸起铣削成平整的表面；
步骤7：重复步骤2至步骤6，至整个模型被复合加工完成。
步骤8：将成型腔5内的粉末及模型完全推出；
步骤9：用刷子去除多余粉末，得到最终模型；
本实施例在同一装置上通过简单的电源切换和控制策略的变化就可实现微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造，通过微束电弧增材和电火花铣削减材加工的有效结合实现高精度高质量的金属件增材制造。当工具电极连接直流电源时，产生微束电弧对粉床进行扫描使截面区域金属熔凝成型，当切换至脉冲电源时，在工具电极与已熔凝成型表面之间产生火花放电，对已熔凝成型金属表面进行电火花铣削去除加工。电火花分层铣削加工可以消除已熔凝成型区域局部的凸起与翘曲，使其表面保持平整，有效减少表面残留凸峰及塑性变形，有助于增加制件致密度，提高制件成型精度、减小制件表面粗糙度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据要加工零件的数学模型，确定分层及各层所要加工的截面形状，在成型台面上均匀平铺一层金属粉末；
步骤二：对平铺的粉末层预热；
步骤三：在粉末层上方垂直设置主轴，主轴夹持工具电极，工具电极与直流电源的一极相连，粉末层与所述直流电源的另一极相连，工具电极与粉末层上表面之间具有一定的间隙，所述间隙在设定电压作用下能够被击穿产生稳定的微束电弧；
步骤四：工具电极根据当前粉末层对应的截面形状对其进行扫描，在被工具电极扫描的区域，粉末层被微束电弧加热，粉末层受热熔化后凝固粘接，且与所述截面形状相同，完成该层的熔凝成型；
步骤五：在上述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，进行下一层的熔凝成型；
步骤六：上述步骤二至步骤五每循环进行数次、熔凝成形数层后，将直流电源切换为脉冲电源，同时令主轴旋转，进而带动工具电极旋转，旋转的工具电极根据当前粉末层对应的截面形状在间隙伺服控制下进行电火花铣削去除加工，完成该层电火花铣削后，在所述粉末层上表面平铺下一层粉末，转入步骤二，直至完成所有层的熔凝成型和电火花铣削加工，结束。
2.根据权利要求1所述的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述微束电弧的电流在数安培以内，所述微束电弧的直径通过放电电流和放电间隙实现数十微米-数百微米级范围内的控制调节。
3.根据权利要求1所述的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，当前粉末层熔凝粘接的同时，与已熔凝成型的前一层凝固连结在一起。
4.根据权利要求1所述的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤四中，通过设置直流电源电压、放电极性、电弧电流、放电间隙、工具电极相对粉末层表面的扫描速度，获得最佳的成型质量和速度。
5.根据权利要求1所述的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤六中，伺服进给系统自动调整工具电极与粉末层表面之间的间隙，保证工具电极与粉末层之间连续发生脉冲放电。
6.根据权利要求1所述的微束电弧选择性熔凝与电火花分层铣削复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤六中，通过设置脉冲电源的单脉冲放电能量、放电频率、放电极性、工具电极对粉末层表面的铣削进给速度，获得最佳的电火花铣削质量和速度。
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