CN108889945A - 一种中空结构的内壁激光增材制造方法 - Google Patents

一种中空结构的内壁激光增材制造方法 Download PDF

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Abstract

一种中空结构的内壁激光增材制造方法，涉及一种中空结构的内壁加工方法。本发明是要解决现有的中空结构类零件内壁加工方法人工操作受限、焊枪无法深入，机械减材加工设备复杂、零件加工成本高的技术问题。本发明：1、三维建模，生成激光扫描路径数据；2、构件装夹与预清洗处理；3、激光熔化沉积增材制造；4、后处理、机械打磨。本发明通过增材制造方法实现对内壁结构柔性快速制造，显著提高效率、降低材料的消耗。并且，工艺方法可以实现内壁修复、熔覆和增材制造等不同功能。采用本发明制造的复杂内壁结构，仅需要简单后续机械加工提高表面粗糙度即可，可显著提高构件的制造灵活性与便捷性，也可用于异种材料的内壁结构激光增材制造。

Description

一种中空结构的内壁激光增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光增材制造方法。
背景技术
在航空航天、船舶、汽车等军用及民用领域中，为了使一些大型的筒体、舱体及箱体等中空结构类零件的抗变形能力更强，或是为了这些零件的装配需要，亦或是因为一些流体动力学的原因，往往要在结构件的内壁中设计一些凸起、支架、筋板或筋条结构，这些设计为零件的制造带来了很大的挑战。
目前这些具有复杂内壁结构的零件，多是采焊接、机械加工的方法制造完成。采用焊接方法时，因为管道内部人工不好操作，也很难开发适用的通用的夹具，待焊接的结构的定位精确度很难保证；尤其当构件内部空间相对较窄，待加工结构位置又较深时，一般的焊枪无法深入，焊接方法无法实施。而采用机械加工的方法时，加工内壁结构的设备非常复杂，而且材料和时间浪费都极大，导致这种零件的加工成本很高。
发明内容
本发明是要解决现有的中空结构类零件内壁的焊接加工方法人工不好操作，焊枪无法深入，而机械加工的设备非常复杂，材料和时间浪费都极大，导致这种零件的加工成本很高的技术问题，而提供一种中空结构的内壁激光增材制造方法。
本发明的一种中空结构的内壁激光增材制造方法是按以下步骤进行的：
步骤一：通过计算机建模软件对待加工的中空结构件的内壁结构进行三维实体模型的设计，然后采用增材制造分层软件对所设计的三维实体模型进行分层并生成激光扫描路径数据，将数据输入到增材制造设备中；
步骤二：在机床上装夹待加工的中空结构件，对待加工的中空结构件内壁中待激光增材制造或待激光增材修复的位置进行打磨、清洗；
步骤三：将激光内壁熔覆头移动至待增材制造或待激光增材修复的位置，启动增材制造设备，根据步骤一中输入的数据，采用激光熔化沉积方法在中空结构件内壁进行局部结构的激光增材制造或局部位置的激光增材修复；
步骤四：对激光增材制造或激光增材修复的部位进行后处理，然后进行机械打磨。
本发明步骤一中所述的增材制造分层软件是德国Fraunhofer ILT研究所的LMDCAM2软件。
本发明步骤三中所述的激光内壁熔覆头购买自德国IXUN公司的ICO，购买网址：http://www.ixun-lasertechnik.de/produkte/processing，其中的Internal claddingoptic(ICO)就是。
本发明的待加工的中空结构件的截面可以是任意形状不局限于常规的圆形或长方形，且各处的横截面形状可以相同，也可以不同；激光增材制造的内壁结构可以是与基体相同的材料也可以是异种材料。
采用本发明的方法增材制造的待加工的中空结构件的内壁的径向长度最小可达50mm；
本发明的增材制造设备包含运动机构、激光器、送粉器、水冷器、激光内壁熔覆头等，同时可以包含如充氩舱、辅助监测系统等其他设备。
本发明的运动机构为数控或工业机器人，是移动激光内壁熔覆头的，和激光内壁熔覆头固定在一起。
本发明的有益效果是：
本发明通过激光熔化沉积增材制造方法实现对中空结构件内壁的柔性、快速制造，显著提高效率、降低材料的损耗，且可以实现内壁的修复、熔覆等不同功能。采用本发明制造的复杂内壁结构，仅需要简单后续机械加工提高表面粗糙度即可，可显著提高构件的制造灵活性与便捷性，甚至可用于异种材料的内壁结构激光增材再制造。
本发明可以实现内径很小、长度很大的筒形构件的内壁激光增材制造；
本发明可以实现横截面形状复杂的中空结构件的内壁激光增材制造；
本发明最后采用后处理的方法，可有效消除增材制造过程中产生的残余应力；
本发明也可以用于零件受限狭小空间的激光修复。
附图说明
图1为本发明的中空结构的内壁激光增材制造方法过程的示意图，1为待加工的中空结构件，2为激光内壁熔覆头，3为激光束，4为激光增材制造得到的结构；
图2为试验一中内壁激光增材制造中空结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种中空结构的内壁激光增材制造方法，具体是按以下步骤进行的：
步骤一：通过计算机建模软件对待加工的中空结构件的内壁结构进行三维实体模型的设计，然后采用增材制造分层软件对所设计的三维实体模型进行分层并生成激光扫描路径数据，将数据输入到增材制造设备中；
步骤二：在机床上装夹待加工的中空结构件，对待加工的中空结构件内壁中待激光增材制造或待激光增材修复的位置进行打磨、清洗；
步骤三：将激光内壁熔覆头移动至待增材制造或待激光增材修复的位置，启动增材制造设备，根据步骤一中输入的数据，采用激光熔化沉积方法在中空结构件内壁进行局部结构的激光增材制造或局部位置的激光增材修复；
步骤四：对激光增材制造或激光增材修复的部位进行后处理，然后进行机械打磨。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中激光熔化沉积方法时添加的材料为粉末。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中激光熔化沉积方法时添加的材料为焊丝。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述的后处理为热处理。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中用运动机构将激光内壁熔覆头移动至待增材制造的位置。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证，结构件形状尺寸见图2所示。
试验一：本试验为一种筒体结构的内壁激光增材制造方法，具体是按以下步骤进行的：
步骤一：通过计算机建模软件对待加工的中空结构件的内壁结构进行三维实体模型的设计，然后采用增材制造分层软件对所设计的三维实体模型进行分层并生成激光扫描路径数据，将数据输入到增材制造设备中；
步骤二：在机床上装夹待加工的中空结构件，对待加工的中空结构件内壁中待激光增材制造的位置进行打磨、清洗；
步骤三：将激光内壁熔覆头移动至待增材制造位置，启动增材制造设备，根据步骤一中输入的数据，采用激光熔化沉积方法在中空结构件内壁进行局部结构的激光增材制造；
步骤四：对激光增材制造的部位进行后处理，然后进行机械打磨。
如图2，所述的待加工的中空结构1为钛合金仪器舱，多个端面含法兰板1-1、内壁有支耳结构1-2，构件1的外径194mm，壁厚2.5mm，两端均匀分布十多个12mm高、10mm厚的内法兰板1-1，用机械加工的方式加工通孔1-1-1，内壁中部对称分布着多个10mm高、6mm厚的支耳1-2，用机械加工的方式加工通孔1-2-1；
所述的增材制造用粉末为TA15；
步骤三中用运动机构将激光内壁熔覆头移动至待增材制造的位置，运动机构为机器人；
步骤四中所述的后处理为去应力退火热处理。
本试验步骤一中所述的增材制造分层软件是德国Fraunhofer ILT研究所的LMDCAM2软件。
本试验步骤三中所述的激光内壁熔覆头购买自德国IXUN公司的ICO，购买网址：http://www.ixun-lasertechnik.de/produkte/processing，其中的Internal claddingoptic(ICO)就是。

Claims (5)

1.一种中空结构的内壁激光增材制造方法，其特征在于中空结构的内壁激光增材制造方法是按以下步骤进行的：
步骤一：通过计算机建模软件对待加工的中空结构件的内壁结构进行三维实体模型的设计，然后采用增材制造分层软件对所设计的三维实体模型进行分层并生成激光扫描路径数据，将数据输入到增材制造设备中；
步骤二：在机床上装夹待加工的中空结构件，对待加工的中空结构件内壁中待激光增材制造或待激光增材修复的位置进行打磨、清洗；
步骤三：将激光内壁熔覆头移动至待增材制造或待激光增材修复的位置，启动增材制造设备，根据步骤一中输入的数据，采用激光熔化沉积方法在中空结构件内壁进行局部结构的激光增材制造或局部位置的激光增材修复；
步骤四：对激光增材制造或激光增材修复的部位进行后处理，然后进行机械打磨。
2.根据权利要求1所述一种中空结构的内壁激光增材制造方法，其特征在于步骤三中激光熔化沉积方法时添加的材料为粉末。
3.根据权利要求1所述一种中空结构的内壁激光增材制造方法，其特征在于步骤三中激光熔化沉积方法时添加的材料为焊丝。
4.根据权利要求1所述的一种中空结构的内壁激光增材制造方法，其特征在于步骤四中所述的后处理为热处理。
5.根据权利要求1所述的一种中空结构的内壁激光增材制造方法，其特征在于步骤三中用运动机构将激光内壁熔覆头移动至待增材制造的位置。
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