CN110076339A - 一种复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法 - Google Patents
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Abstract
一种复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，应用于激光增材制造零件，步骤S1，设计零件的三维模型；步骤S2，对三维模型进行切片处理，针对每层切片层设定建造参数；步骤S3，建造出当前切片层；步骤S4，判断是否需要对当前切片层第一轮廓面扫描抛光，步骤S5，判断是否需要对当前切片层第二轮廓面扫描抛光；步骤S6，抛光当前切片层的第一轮廓面；步骤S7，抛光当前切片层的第二轮廓面；步骤S8，判断当前切片层第一轮廓面的表面光洁度是否达到要求；步骤S9，判断当前切片层第二轮廓面的表面光洁度是否达到要求；步骤S10，判断增材制造零件是否建造完成所有切片层并且表面光洁度达到要求；上述步骤S3，步骤S6和步骤S7均在无氧加工环境中进行。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造和表面抛光加工工艺领域，尤其涉及一种具有复杂空腔激光增材制造零件的增材制造和表面抛光同步加工方法。
背景技术
增材制造是指工程零件通过逐层添加材料的方式来生产的过程。首先，设计出零件的三维模型并将零件模型分解为许多向上层叠的薄片层，再对于每一片层的模型生成指定的路径并发送指令到增材制造设备，然后控制激光束选区熔化各层的粉末熔化成型为熔覆层，并逐层叠加成三维零件。在逐层叠加的加工过程中，各层的轮廓搭接处会产生一部分超出轮廓面设计面的直角台阶，被称为台阶效应，它是影响增材制造零件表面粗糙度的主要原因。同时，在各层的轮廓面处熔融增材粉末的球化和粘附也是很难完全避免的，同样是使得增材制造件表面粗糙度居高不下的关键因素。目前激光增材制件的表面粗糙度Ra 大概在5～20μm，而传统的熔模精密铸造制备的工件表面粗糙度Ra可低至3.2 μm左右，因此，较差增材制件表面质量是很难满足高端零件的工业标准要求，表面粗糙度已成为妨碍增材制造材料应用的重要原因之一。
激光抛光是21世纪最有发展前景和最有效的抛光技术，其中飞秒激光抛光技术是目前材料表面微加工方面的研究热点，其主要优势是激光脉冲达到飞秒量级，对材料的作用时间很短，但峰值功率高，可直接击断材料的化学键，对材料的热影响极小，刻蚀精度高，可实现复杂型面的精密抛光、微区与选区抛光，不受材料强度、硬度等性能的影响。
对某些具有复杂外表面的直接激光增材制件和精密铸造件来说，机械加工很难实现表面抛光，利用飞秒激光抛光技术，只要其激光光束可以直接照射覆盖到的零件复杂外表面区域都能进行激光抛光，因此能够通过后续的激光抛光处理零件复杂外表面区域；但对于复杂的空腔结构件，例如空心叶片，由于加工成型后内腔表面被封闭在叶片内，因此后续抛光无论是机械抛光还是激光抛光都无法用于内表面抛光。如何提高复杂空腔金属增材制件的表面光洁度，尤其是内表面光洁度始终是一个亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，零件在激光增材制造的过程中，同步利用飞秒激光对每层切片层的内外轮廓面进行抛光扫描，消除内外轮廓面的台阶效应和粉末粘附，提高最终零件整体表面的质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，应用于激光增材制造零件，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，利用计算机辅助设计软件设计零件的三维模型；
步骤S2，将上述零件的三维模型导入计算机辅助制造软件中，利用切片程序对该三维模型进行切片处理，并针对每层切片层设定建造参数；
步骤S3，根据当前切片层的建造参数铺设增材粉末层，AM激光对当前切片层区域进行扫描，熔化选定空间内的增材粉末成型为熔覆层，从而建造出当前切片层；
步骤S4，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层第一轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S6；
若否，则转向步骤S5；
步骤S5，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层第二轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S7；
若否，则转向步骤S10；
步骤S6，飞秒激光沿当前切片层的第一轮廓台阶面扫描，将第一轮廓面设计面与第一轮廓台阶面之间的多余材料切除，消除当前切片层第一轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的第一轮廓面，随后转向步骤S8；
步骤S7，飞秒激光沿当前切片层的第二轮廓台阶面扫描，将第二轮廓面设计面与第二轮廓台阶面之间的多余材料切除，消除当前切片层第二轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的第二轮廓面，随后转向步骤S9；
步骤S8，判断当前切片层第一轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则返回步骤S5；
若否，则转向步骤S6；
步骤S9，判断当前切片层第二轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则转向步骤S10；
若否，则返回步骤S7；
步骤S10，判断增材制造零件是否建造完成所有切片层并且表面光洁度达到要求：
若是，则结束加工；
若否，返回步骤S3，重复步骤S3～步骤S9，直至增材制造零件所有切片层的建造完成且表面光洁度达到要求；
上述步骤S3，步骤S6和步骤S7均在无氧加工环境中进行。
具体加工过程中，利用计算机中的CAD软件和CAM软件(也可以是其它具有类似功能的计算机辅助设计软件和计算机辅助制造软件)设计所需要的激光增材制造零件模型和相应的加工程序，对零件模型进行切片分层处理，得到各片层的轮廓参数，并生成相应的建造参数；然后，根据当前切片层的建造参数铺设增材粉末层并利用AM激光将选择定空间内的增材粉末熔化成型为熔覆层，从而建造出当前切片层，当前切片层建造完毕后，先根据表面光洁度的要求，选择是否利用飞秒激光对当前切片层内轮廓面和/或外轮廓面上的选定区域进行扫描抛光，消除轮廓面上选定区域的多余材料，如片层台阶和粘附粉末；然后再进行下一切片层的增材制造，直至整个增材制造零件的所有切片层建造完成并且表面光洁度达到要求。为了避免增材粉末(尤其是金属粉末)高温熔化成型及扫描抛光时被氧化，整个过程是在惰性保护气体中进行的。
进一步的，所述增材制造零件的第一轮廓面为内轮廓面，第二轮廓面为外轮廓面，或者第一轮廓面为外轮廓面，第二轮廓面为内轮廓面。可以根据加工需要，先对每层切片层的外轮廓面抛光，再对内轮廓面抛光，或者，先对每层切片层的内轮廓面抛光，再对外轮廓面抛光，或者，仅对每层切片层的外轮廓面和内轮廓面中的一个抛光。
进一步的，所述建造参数包括每层切片层的支撑、层厚和建造方向等。以能实现每层切片层的建造为准。
进一步的，针对每层切片层，执行步骤S6的次数为1～2次，执行步骤S7 的次数为1～2次，某些情况下，可能一次激光抛光的表面光洁度不够，需要进行二次激光抛光才能达到要求，因此次数可以根据现场需要灵活选择。
进一步的，所述多余材料包括不同角度的片层台阶和/或粘附粉末。片层台阶是增材制造过程中因为台阶效应产生的，而粘附粉末则是各切片层的轮廓面处熔融增材粉末的球化和粘附产生的，都是属于影响表面光洁度的重要因素，片层台阶、粘附粉末和切片层成分相同。
进一步的，所述增材粉末为金属粉末、半导体材料粉末、陶瓷材料粉末、梯度材料粉末或者其它适合增材制造的增材粉末。
再进一步，所述金属粉末为钛合金金属粉末、高温合金金属粉末、铁基合金金属粉末、铝镁合金金属粉末、难熔合金金属粉末、非晶合金金属粉末或者其它适合增材制造的金属粉末。
进一步的，所述AM激光为连续激光，波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s。前期实验发现，当AM激光功率为280W，光斑直径约为80μm，扫描速度为1200mm/s时，获得了性能良好的增材制件，其孔隙率可达99.2％，因此作为实际操作中的优选方案使用。
进一步的，所述飞秒激光为脉冲激光，频率为1kHz～1000kHz，功率为0～ 180W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm，扫描次数为3～6次。根据前期关于飞秒激光对增材制件的外表面进行抛光处理的研究发现，当飞秒激光的频率为50kHz，扫描速度为5mm/s，波长为1030nm，扫描间隔为5μm时，经过抛光的制件表面粗糙度明显降低，面粗糙度Sa值由15.6μm降低到4.4μm，降幅达71％，因此作为实际操作中的优选方案使用。
本发明的有益效果在于：
1、飞秒激光对材料的作用时间很短，而峰值功率高，可直接去除金属表面材料，且对材料不产生热作用影响，同时可以一定程度上释放增材制造所产生的残余应力；
2、增材制造工艺与表面抛光工艺同步进行的工艺路线，可以对任何复杂空腔金属增材制件内表面与外表面进行抛光处理，克服了后续的激光抛光或机械加工无法对构件空腔内表面进行抛光的技术难题，最终实现一站式高效率、高精度、高性能增材制件的制备。
附图说明
图1为增材制造零件轮廓面的片层台阶和粉末粘附示意图
图2为空腔金属增材制造复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法原理图
图3为零件表面抛光方法的流程图
图1～2中：8为增材制造零件，801为内轮廓面设计面，802为外轮廓面设计面，803为内轮廓台阶面，804为外轮廓台阶面，16为片层台阶，17为粘附粉末，18为飞秒激光，19为增材粉末。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，理论上可认为增材制造零件8的表面粗糙度Ra应该等于片层台阶16三角形的高h，根据几何尺寸关系可知h＝H*cosα(H是片层厚度，α是零件表面倾斜角度)，可见当片层台阶16厚度一定时，表面粗糙度Ra与零件表面倾斜角度成余弦曲线关系，即表面倾斜角度越小，表面粗糙度越大；而表面倾斜角度一定时，表面粗糙度Ra与片层厚度成线性增大关系。
如图2所示，在增材制造零件的逐层成型加工过程中，当某一片层中选定空间的增材粉末19被激光熔化成型为当前切片层后，先根据表面光洁度的要求，选择是否对当前切片层的内轮廓面和/或外轮廓面进行激光飞秒扫描抛光加工，消除内轮廓面和/或外轮廓面上选定区域(即内轮廓面设计面801与内轮廓台阶面803、外轮廓面设计面802与外轮廓台阶面804之间的区域)内的多余材料以提高最终零件表面质量，再进行下一切片层的建造加工，直至整个增材制造零件8的所有切片层建造完成并且表面光洁度达到要求。
如图3所示的一种具体加工流程实施例，按以下步骤进行：
步骤S1，利用计算机辅助设计软件设计零件的三维模型；
步骤S2，将上述零件的三维模型导入计算机辅助制造软件中，利用切片程序对该三维模型进行切片处理，并针对每层切片层设定建造参数，建造参数包括每层切片层的支撑、层厚和建造方向等；
步骤S3，根据当前切片层的建造参数铺设增材粉末层，AM激光对当前切片层区域进行扫描，熔化选定空间内的增材粉末19成型为熔覆层，从而建造出当前切片层；
步骤S4，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层内轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S6；
若否，则转向步骤S5；
步骤S5，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层外轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S7；
若否，则转向步骤S10；
步骤S6，飞秒激光沿当前切片层的内轮廓台阶面扫描，将内轮廓面设计面801与内轮廓台阶面803之间的多余材料切除，消除当前切片层内轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的内轮廓面，随后转向步骤S8；
步骤S7，飞秒激光沿当前切片层的外轮廓台阶面扫描，将外轮廓面设计面 802与外轮廓台阶面804之间的多余材料切除，消除当前切片层外轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的外轮廓面，随后转向步骤S9；
步骤S8，判断当前切片层内轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则返回步骤S5；
若否，则转向步骤S6；
步骤S9，判断当前切片层外轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则转向步骤S10；
若否，则返回步骤S7；
步骤S10，判断增材制造零件是否建造完成所有切片层并且表面光洁度达到要求：
若是，则结束加工；
若否，返回步骤S3，重复步骤S3～步骤S9，直至增材制造零件所有切片层的建造完成且表面光洁度达到要求。
上述步骤S3，步骤S6和步骤S7均在无氧加工环境中进行；本实施例中，针对每层切片层，执行步骤S6的次数为1～6次，执行步骤S7的次数为1～6 次；多余材料包括不同角度的片层台阶16和/或粘附粉末17；增材粉末19为钛合金金属粉末。
AM激光为连续激光，波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～ 200μm，扫描速度为50～2000mm/s。
飞秒激光为脉冲激光，频率为1kHz～1000kHz，功率为0～180W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。
Claims (9)
1.一种复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，应用于激光增材制造零件，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，利用计算机辅助设计软件设计零件的三维模型；
步骤S2，将上述零件的三维模型导入计算机辅助制造软件中，利用切片程序对该三维模型进行切片处理，并针对每层切片层设定建造参数；
步骤S3，根据当前切片层的建造参数铺设增材粉末层，AM激光对当前切片层区域进行扫描，熔化选定空间内的增材粉末成型为熔覆层，从而建造出当前切片层；
步骤S4，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层第一轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S6；
若否，则转向步骤S5；
步骤S5，根据零件表面抛光的预设要求，判断是否需要对当前切片层第二轮廓面扫描抛光：
若是，则转向步骤S7；
若否，则转向步骤S10；
步骤S6，飞秒激光沿当前切片层的第一轮廓台阶面扫描，将第一轮廓面设计面与第一轮廓台阶面之间的多余材料切除，消除当前切片层第一轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的第一轮廓面，随后转向步骤S8；
步骤S7，飞秒激光沿当前切片层的第二轮廓台阶面扫描，将第二轮廓面设计面与第二轮廓台阶面之间的多余材料切除，消除当前切片层第二轮廓面上的台阶效应，抛光当前切片层的第二轮廓面，随后转向步骤S9；
步骤S8，判断当前切片层第一轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则返回步骤S5；
若否，则转向步骤S6；
步骤S9，判断当前切片层第二轮廓面的表面光洁度是否达到要求：
若是，则转向步骤S10；
若否，则返回步骤S7；
步骤S10，判断增材制造零件是否建造完成所有切片层并且表面光洁度达到要求：
若是，则结束加工；
若否，返回步骤S3，重复步骤S3～步骤S9，直至增材制造零件所有切片层的建造完成且表面光洁度达到要求；
上述步骤S3，步骤S6和步骤S7均在无氧加工环境中进行。
2.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述增材制造零件的第一轮廓面为内轮廓面，第二轮廓面为外轮廓面，或者第一轮廓面为外轮廓面，第二轮廓面为内轮廓面。
3.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述建造参数包括每层切片层的支撑、层厚和建造方向。
4.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：针对每层切片层，执行步骤S6的次数为1～6次，执行步骤S7的次数为1～6次。
5.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述多余材料包括不同角度的片层台阶和/或粘附粉末。
6.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述增材粉末为金属粉末、半导体材料粉末、陶瓷材料粉末或梯度材料粉末。
7.根据权利要求6所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述金属粉末为钛合金金属粉末、高温合金金属粉末、铁基合金金属粉末、铝镁合金金属粉末、难熔合金金属粉末或非晶合金金属粉末。
8.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述AM激光为连续激光，波长为1064nm，功率为100～1000W，光斑直径为50～200μm，扫描速度为50～2000mm/s。
9.根据权利要求1所述的复杂空腔增材制件内外表面的抛光方法，其特征在于：所述飞秒激光为脉冲激光，频率为1kHz～1000kHz，功率为0～180W，扫描速度1～10mm/s，波长为1030nm。
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