CN109128162A - 一种嵌入预制件的金属工件加工方法 - Google Patents

一种嵌入预制件的金属工件加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于3D打印相关技术领域，涉及一种嵌入预制件的金属工件加工方法。该方法包括以下步骤：首先设计工件的模型，并设计合适的内部管道；然后将模型划分为预制件区和打印区，并采用传统工艺制备预制件；采用3D打印加工目标前打印区，嵌入预制件后继续加工后打印区；最后通过机械加工和表面处理得到具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。本发明采用传统加工技术提前预置内部管道，避免了内部管道的堵塞、开裂等问题；并且通过预制件的方式采用传统加工技术制备模具的局部复杂区域，在保证模具制造精度的同时还优化了局部区域的性能；此外本发明的3D打印方法范围广泛，具有良好的适应性；并通过分区制造可有效降低制造成本，提高生产效率。

Description

一种嵌入预制件的金属工件加工方法
技术领域
本发明属于3D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种嵌入预制件的金属工件加工方法。
背景技术
传统的模具冷却水道主要采用机加工的方式，通过交叉钻孔产生直线管的内部网络制造而成，但是这种水路网络的形状相当有限，当零件形状复杂时会因冷却效果差造成零件变形较大。而冷却水道的形状随着零件的外形发生变化，可以很好地解决冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，使得零件得到均匀的冷却，冷却效率更高。目前主要采用3D打印技术制备这类具有复杂内部管道的工件，如具有随形冷却水道的模具或具有冷凝管的反应釜。
3D打印制备具有复杂内部管道的工件时主要采用激光选区熔化3D打印技术，但是激光选区熔化3D打印技术的成型周期长、成本高、材料种类有限并且成型件体积小；另外当内部管道尺寸小，形状复杂时，激光选区熔化3D打印技术制造的内部管道容易发生堵塞、开裂等现象。
目前制备大型工件时主要采用电弧熔丝增材制造技术，但是这种方法制造的工件尺寸精度低，难以制造模具的局部复杂区域，并且制造的内部管道同样存在堵塞、开裂等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种嵌入预制件的金属工件加工方法，其中通过将传统加工技术与3D打印技术相结合，采用传统加工技术制造出尺寸精度高，形状复杂的内部管道和局部区域，再结合3D打印技术制造出成型工件，相应地可有效解决工件内部管道堵塞、开裂，复杂局部区域尺寸精度低等问题；特别是，与现有技术相比，采用本发明可将现有的激光选区熔化3D打印技术扩展到电弧熔丝增材制造技术，在保证制造精度的同时可提高打印效率，降低打印成本，扩宽打印材料的选择范围，因而尤其适用于制造具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种嵌入预制件的金属工件加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，并将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将其余的区域定义为打印区；该打印区进一步地被划分为小于所述预制件所在平面高度的前打印区和大于所述预制件所在平面高度的后打印区，并在所述前打印区模型上设计出用于定位所述预制件的凹槽，从而得到目标前打印区；
(b)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统方式加工所述内部管道和所述复杂局部区域；然后采用3D打印技术加工所述目标前打印区，并将所述预制件嵌入所述定位凹槽内并通过焊接进一步固定；接着继续采用3D打印技术加工所述后打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
作为进一步优选地，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这两块区域的材料为相同材料或者不同材料。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述内部管道的横截面优选被设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统。
按照本发明的另一方面，提出了一种嵌入预制件的金属工件加工方法，其特征在于，该工件为具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的结构体，该方法包括以下步骤：
(i)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将基座区域定义为基体区，并在所述基体区设计出用于固定预制件的定位孔或定位槽，最后其余的区域定义为打印区；
(ⅱ)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统方式加工所述内部管道和所述复杂局部区域；然后采用铸造与机加工联合或锻造与机加工联合的方式制备所述基体区，并将所述预制件固定在所述基体上；接着采用3D打印技术加工所述打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
作为进一步优选地，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区、所述基体区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这三块区域的材料为相同材料或者不同材料。
作为进一步优选地，在步骤(ⅱ)中，所述内部管道的横截面被优选设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
作为进一步优选地，在步骤(ⅱ)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
作为进一步优选地，在步骤(ⅱ)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明采用传统加工技术提前预置内部管道，避免了3D打印技术制造的内部管道的堵塞、开裂等问题；
2.本发明通过预制件的方式采用传统加工技术制备工件的局部复杂区域，并可根据局部复杂区域的形状结构与力学性能要求灵活选取制造工艺和制造材料，在保证工件制造精度的同时还优化了局部区域的性能；
3.本发明的3D打印方法不限于激光选区熔化3D打印技术，还可采用电弧熔丝增材制造技术等3D打印方法，不仅可以提高打印效率，降低打印成本，扩宽材料选择范围，而且可以用于制备体积较大的成型件，具有良好的适应性；
4.本发明将模型进行分区制造，可通过提高基体区的比例，减少打印区比例和降低基体区材料价格的方式达到降低制造成本，提高生产效率的目的。
附图说明
图1是本发明提供的一种嵌入预制件的金属工件加工方法流程图；
图2是本发明通过不同方式嵌入预制件的模型分区图；
图3是根据本发明设计的一种3D打印成型系统的结构示意图；
图4是本发明中实施例1制造具有随形冷却水道的注塑模具的过程示意图，其中图4a随形冷却水道预制件的示意图，图4b具有随形冷却水道的注塑模具的截面图；
图5是本发明中实施例2制造具有随形冷却水道的冲压凸模的过程示意图，其中图5a是固定于基体上的随形冷却水道预制件的示意图，图5b成型后具有随形冷却水道的冲压凸模的截面图；
图6是本发明提供的一种嵌入预制件的金属工件加工方法的具体工作流程图。
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。
如图1和图2所示，对于三维模型划分为预制件区和打印区的工件，该方法包括以下步骤：
(a)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，并将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将其余的区域定义为打印区；该打印区进一步地被划分为小于所述预制件所在平面高度的前打印区和大于所述预制件所在平面高度的后打印区，并在所述前打印区模型上设计出用于定位所述预制件的凹槽，从而得到目标前打印区；
(b)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统加工方式(如弯管或机加工)加工所述内部管道，同时采用传统加工方式(如铸造与机加工联合或锻造与机加工联合)制造所述复杂局部区域；然后采用3D打印技术加工所述目标前打印区，并将所述预制件嵌入所述定位凹槽内并通过焊接进一步固定；接着继续采用3D打印技术加工所述后打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
进一步地，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这两块区域的材料为相同材料或者不同材料。
进一步地，在步骤(b)中，所述内部管道的横截面优选被设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
进一步地，在步骤(b)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
进一步地，在步骤(b)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统；所述3D打印方法采用电弧熔丝增材制造时，所述3D打印成型系统包括控制单元1、焊接机器人2、打印平台3、弧焊电源4、送丝机5、离子气体和保护气体6，其中所述焊接机器人2具有5个以上的自由度。
如图2和图6所示，对于三维模型划分为预制件区、基体区和打印区的工件，该方法包括以下步骤：
(i)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将基座区域定义为基体区，并在所述基体区设计出用于固定预制件的定位孔或定位槽，最后其余的区域定义为打印区；
(ⅱ)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统加工方式(如弯管或机加工)加工所述内部管道，同时采用传统加工方式(如铸造与机加工联合或锻造与机加工联合)制造所述的复杂局部区域；然后采用铸造与机加工联合或锻造与机加工联合的方式制备所述基体区，并将所述预制件固定在所述基体上；接着采用3D打印技术来加工所述打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
进一步地，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区、所述基体区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这三块区域的材料为相同材料或者不同材料。
进一步地，在步骤(ⅱ)中，所述内部管道的横截面优选被设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
进一步地，在步骤(ⅱ)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
进一步地，在步骤(ⅱ)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统；所述3D打印方法采用电弧熔丝增材制造时，所述3D打印成型系统包括控制单元1、焊接机器人2、打印平台3、弧焊电源4、送丝机5、离子气体和保护气体6，其中所述焊接机器人2具有5个以上的自由度。
更具体地，如图3所示，所述控制单元1优选为计算机，用于解析待成型对象的三维数据、规划喷嘴的运动轨迹以及运动方式，同时用于控制等离子弧焊机的焊接电流、焊接时所述离子气体和保护气体的流量以及所述送丝机的送丝速度；打印平台所在平面中彼此正交的两条轴线为X、Y轴，与打印平台所在平面正交的轴线为Z轴；所述焊接机器人2具有5个以上的自由度，其中包括沿所述X、Y、Z轴的位移方向，以及所述焊接机器人2自由端端部的摆动方向和转动方向；3D打印的等离子弧喷嘴安装在所述焊接机器人2端部并且能够绕着该自由端转动，通过所述焊接机器人2带动该等离子弧喷壶嘴到达控制单元1所制定的坐标，从而完成预定的移位动作以保证3D打印的效果。
下面将参照图1和图6的工作流程图对实际过程中的工作过程进行具体说明。
实施例1
图4是未划分基体区的具有随形冷却水道的注塑模具的制造过程示意图，其中图4a为随形冷却水道作为预制件的3D模型，图4b为具有随形冷却水道的注塑模具，具体步骤如下：
(1)首先设计模具的模型，将模型划分为预制件区和打印区。再将所述打印区划分为小于所述预制件所在平面高度的前打印区和大于所述预制件所在平面高度的后打印区，并在所述前打印区模型上设计出定位凹槽得到目标前打印区；
(2)根据所述预制件的几何尺寸和结构特征选择合适的成型工艺将所述预制件制备出来；在本实施例中，对于随形冷却水道，可以采用制备精度较高的弯管的方式将其制备出来；在实际的成型过程中，可根据所述预制件的特征选取一种经济划算而且能满足性能要求的工艺进行制备；
(3)用分层处理的方式对所述目标前打印区进行分层，得到用于成型的代码，将该代码以及其他控制信息和参数输入所述控制单元1；更具体地，对于电弧熔丝增材制造来说，该控制信息和参数包括所述等离子弧焊机的焊接电流，所述保护气体和离子气体的流量以及所述送丝机的送丝速度；通过3D打印逐层堆积的方式成型出所述目标前打印区，也就是通过逐层堆积的方式加工到所述预制件所在平面高度；
(4)将预制件置于预先设计的定位凹槽内，调整预制件的方向、角度，并利用焊接的方法对该预制件进一步固定，使得预制件准确牢固地定位于预成型的3D打印平面上；重新调整所述等离子弧喷嘴的位置和3D打印的工艺参数，在所述控制单元1中重新规划所述等离子弧喷嘴的路径，继续进行所述后打印区的3D打印；
(5)最后，对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，获得最终的具有随形冷却水道的注塑模具。
更具体地，在上述的3D打印成型方法中，由所述控制单元1根据输入的信息和设定的加工参数控制所述焊接机器人2的运动参数；首先打开所述弧焊电源4并启动所述送丝机5，使得焊丝能够在该等离子弧的作用下迅速熔化并且随着所述等离子弧喷嘴的逐渐远离而凝固，在基板上逐渐堆积成型；随着每一层堆积完成，该等离子弧喷嘴沿Z轴上升到一个特定的高度，继续进行3D打印；当该等离子弧喷嘴上升到所述预制件所在平面高度时完成前打印区的打印，关闭所述弧焊电源4和所述送丝机5；将该等离子弧喷嘴沿Z轴方向上升一定的高度，避免影响所述预制件的放入，在成型平面的定位凹槽内放入所述预制件，对该预制件的方向及角度精确定位后通过焊接进行定位；调整该等离子弧喷嘴的位置和工艺参数，继续进行3D打印直到所述后打印区打印完成；当形成如图4(b)所示的含预制件的模具后，关闭所述弧焊电源4、所述送丝机5以及所述焊接机器人2，对该含预制件的模具进行微量的机械加工和表面处理得到最终的具有随形冷却水道的注塑模具。
实施例2
图5是划分有基体区的随形冷却水道的冲压凸模的制造过程示意图，其中图5a为固定于基板上的随形冷却水道预制件，图5b为成型后的带有随形冷却水道的冲压凸模，具体步骤如下：
(1)首先设计该冲压凸模的模型，对模型区域进行划分，划分为基体区，预制件区和打印区三部分。
(2)首先根据随形冷却水道预制件的几何尺寸和结构特征选择合适的成型工艺将所述随形冷却水道预制件制备出来；然后采用铸造联合机加工或者锻造联合机加工的方式制备出该模具的基体区，并利用机加工的方式在基板上加工出两个定位孔用来定位所述随形冷却水道预制件；该定位孔的直径略大于所述冷却水道进水口和出水口的直径，使得该定位孔能够恰好容纳该冷却水道的进水管和出水管；
(3)分别将所述随形冷却水道预制件的进水口和出水口插入到所述基板上的定位孔内，调整该预制件的方向和角度并进行准确定位；用分层处理的方式对该凸模的打印区进行分层，得到用于3D打印加工成型的代码，将该代码以及其他控制信息和参数输入控制单元1；在该带有预制件的基板上利用3D打印系统进行3D打印，逐步堆积出该3D打印成型件；
(4)最后对得到的3D打印成型件进行微量的的机械加工，获得最终的带有随形冷却水道的凸模模具。
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 (10)

1.一种嵌入预制件的金属工件加工方法，其特征在于，该工件为具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的结构体，该方法包括以下步骤：
(a)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，并将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将其余的区域定义为打印区；该打印区进一步地被划分为小于所述预制件所在平面高度的前打印区和大于所述预制件所在平面高度的后打印区，并在所述前打印区模型上设计出用于定位所述预制件的凹槽，从而得到目标前打印区；
(b)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统方式加工所述内部管道和所述复杂局部区域；然后采用3D打印技术加工所述目标前打印区，并将所述预制件嵌入所述定位凹槽内并通过焊接进一步固定；接着继续采用3D打印技术加工所述后打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
2.如权利要求1所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这两块区域的材料为相同材料或者不同材料。
3.如权利要求1～2所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(b)中，所述内部管道的横截面被优选设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
4.如权利要求1～3所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(b)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
5.如权利要求1～4所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(b)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统。
6.一种嵌入预制件的金属工件加工方法，其特征在于，该工件为具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的结构体，该方法包括以下步骤：
(i)三维模型的建立及分区
针对待加工的工件建立对应的三维模型，根据模型设计合适的内部管道，将所述内部管道及所述复杂局部区域定义为预制件区，同时将基座区域定义为基体区，并在所述基体区设计出用于固定预制件的定位孔或定位槽，最后其余的区域定义为打印区；
(ⅱ)不同区域的加工及嵌入处理
首先，采用传统方式加工所述内部管道和所述复杂局部区域；然后采用铸造与机加工联合或锻造与机加工联合的方式制备所述基体区，并将所述预制件固定在所述基体上；接着采用3D打印技术加工所述打印区；最后对得到的3D打印成型件进行微量的机械加工和表面处理，由此获得最终的具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件。
7.如权利要求6所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，所述具有复杂内部管道和/或复杂局部区域的工件优选为具有随形冷却水道的模具；此外，所述预制件区、所述基体区和所述打印区所使用的材料根据工件性能要求选择，并且这三块区域的材料为相同材料或者不同材料。
8.如权利要求6～7所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(ⅱ)中，所述内部管道的横截面被优选设计为圆形、椭圆形、三角形或矩形；所述内部管道被设计为圆形时，优选采用弯管的方式进行制造。
9.如权利要求6～8所述的一种嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(ⅱ)中，所述复杂局部区域优选采用锻造联合机加工或铸造联合机加工的方式进行制造，并且进一步优选采用热处理方式进行制造。
10.如权利要求6～9所述的嵌入预制件的金属工件加工方法，在步骤(ⅱ)中，所述3D打印方法包括电弧熔丝增材制造，选区激光熔化3D打印，电子束选区熔化3D打印或激光熔覆快速成型技术，并根据不同的3D打印方法选择不同的3D打印成型系统。
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