CN111085683B - 一种环状异型构件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锻件制造技术领域，并具体公开了一种环状异型构件的制造方法。本发明先将第一构件与与第二构件连接，并在第一构建上将第三3D构件采用3D打印技术的方式形成，在将第四3D构件采用3D打印技术的方式打印在第一构建、第二构件和环形薄壁件上，形成完整的一种环状异型构件。本发明解决了当前锻造过程中对于凸出于基体表面的高肋、枝芽、异形凸起等形状的复杂构造，以及锻造过程中易发生折叠、充不满等缺陷的难成形结构等缺点，采用3D打印技术与锻造技术相结合，可以快速、低成本、高性能的生产环状异形件。

Description

一种环状异型构件的制造方法
技术领域
本发明涉及锻件制造技术领域，尤其是一种环状异型构件的制造方法
背景技术
随着航空、航天、兵器、国防科工等领域的发展，高性能难加工金属关键构件的用量越来越大，发动机盘、轴类零件、涡轮机匣、起落架等航空航天零部件的加工难度不断增大。这些复杂结构通常采用铸锭、制坯、模具制造、锻造、机加工等流程，加工量大，材料利用率低，成本极高。传统以机加工结合焊接组装为主的制造方法，不仅重量难以降低，焊缝中存在的孔隙、微裂纹等缺陷和残余应力的存在使得零件的整体性能相对较低，而且焊缝与母材的电化学差异带来太空原子氧腐蚀，已难以满足航天装备的需求。
在上述流程中，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，是锻压 (锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。在航空、航天、兵器、国防科工等领域中，负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的板、杆、壳状构造可用轧制的板材、型材或焊接件外，其余均采用锻件。对于凸出于基体表面的高肋、枝芽、异形凸起等形状的复杂构造，以及锻造过程中易发生折叠、充不满等缺陷的难成形结构，传统方法是采用飞边槽进行加工，但飞边槽加工方式降低了材料利用率，并且组织、性能难以控制。
近年来，出现了一些传统制造方法、3D打印技术相互结合的复合制造技术，充分结合传统制造方法和3D打印技术各自的特点，成为解决高效低成本制造难题的有效途径。如申请号为201811341345.8的发明专利提出了一种非晶合金零件的锻造/增材复合制造方法，用于制备复杂锻造件的方法，但是目标零件最终形成后还是无法满足锻造件所需的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率等，完全采用3D金属打印的局部件与实际采用锻造生产的局部件在理化性质上存在较大差距。如申请号为201810060296.4的发明专利提出了一种非晶合金零件的冷增材/热锻造复合成形方法，用于制备大尺寸，复杂形状的块体非晶合金零件, 但是零件最终的形状复杂程度依然受制于最后的锻造工艺，无法成形具有精细结构特征的零件。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种环状异型构件的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗第一构件的下端面和第二构件的上端面，将第一构件的下端面和第二构件的上端面固定连接；
步骤二：将第三3D构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第一3D 打印数据；
步骤三：以第一构件下端面露出的部分水平面作为主支撑面，将其固定在 3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的上端面的水平面逐层向上依据步骤二的第一3D打印数据打印形成第三3D构件；
步骤四：将第四3D构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第二3D 打印数据；
步骤五：将步骤三形成的构件中的第一构件的外侧部曲面和环形薄壁件内侧部曲面完全贴合并固定连接，将以环形薄壁件的上端面为主支撑面，将其固定在3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的下端水平面逐层向上依据步骤四的第二3D打印数据打印形成第四3D构件。
步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成环状异型构件。
进一步地，所述固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。
进一步地，所述第一3D打印数据和第二3D打印数据均包含分层厚度数据，将分层厚度数据设置为小于0.02mm。
进一步地，所述3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。
进一步地，所述环状异型构件，包括环形薄壁件、环形钩状件，其特征在于，所述环形薄壁件自底面端部到顶面端部的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面，第一侧部曲面和环形薄壁件内壁完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面，第二侧部曲面任意一点到环形薄壁件中心件距离相等，所述环形钩状件具有上端面，上端面自第一侧部曲面顶端向第二侧部曲面顶端平滑延伸，第一侧部曲面顶端高度大于第二侧部曲面顶端高度，所述环形钩状件具有下端面，下端面自第一侧部曲面底端向第二侧部曲面地段平滑延伸并在第一侧部曲面和第二侧部曲面之间位于形成凹槽结构。
进一步地，所述环形钩状件由第一构件(A2)、第二构件(A3)、第三3D打印构件件B3、第四3D打印构件组成，第一构件的上端面和第三构3D打印构件的下端面完全贴合并固定连接，第三3D打印构件的上端面形成环状异型构件的上端面，第二构件的上端面和第一构件的下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的上端面和第二构件的下端面以及第一构件的部分下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的下端面形成环状异型构件的下端面。
进一步地，所述第一构件的上端面由倒锥形曲面和第一水平面构成，倒锥形曲面自环形钩状件的上端面顶部向下延伸至第一水平面，第一水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止，第一构件的下端面由第二水平面构成，第二水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止。
进一步地，所述第二构件的上端面第三水平面构成，第三水平面部分的和第一构件的第二水平面贴合，第二构件的外侧部曲面形成环形钩状件第一侧部曲面的一部分，第二构件的下端面由锥形曲面构成并延伸至第二构件的内侧部曲面的底端。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、金属3D打印凭借技术的优势，可以有效地缩短加工周期、提高材料利用率、降低成本。能够实现高性能致密金属零件的无模快速近终成形，所制造的金属零件不仅形状复杂，而且其力学性能比采用锻造技术制造的零件有全面、显著的提高，复杂细节构件自身的强度可以得到有力保证。
2.本发明将环状异型构件的基体部分采用锻造成形，而复杂或难成形结构采用构件基体与3D打印方法相结合的方法进行制造。相对于金属构件传统制备流程，这种方法结合了锻造和3D打印两者的优势，既保证了构件整体的成形性，又保证了精细、复杂结构部位的质量，还可以最大程度减少制坯工作量，减少加热火次，减少了飞边金属损耗，提高了材料利用率，降低加工成本，缩短了加工周期。
附图说明
图1 为本发明环状异形件与环形薄壁件连接图
图2 为本发明环状异型构件特征图
图3 为本发明第一构件与第二构件连接图
图4 为本发明第三3D构件图
图5 为本发明第四3D构件图
图中1-环形薄壁件内侧部曲面，2-环形薄壁件，3-环形薄壁件上端面，4-凹型槽，5-第一构件，6-第一构件上端面，7-第一外侧部曲面，8-第二构件上端面(第三水平面)，9-第二构件，10-第一构件下端面(第二水平面)，11-第三3D 构件，12-第四3D构件，13-第二侧部曲面，14-第一水平面，15-下端面
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。
本发明实施例提供一种环状异型构件的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，清洗第一构件的下端面(10)和第二构件的上端面(8)，将第一构件的下端面(10)和第二构件的上端面(8)固定连接.；
步骤二，将第三3D构件(11)的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第一3D打印数据；
步骤三，以第一构件下端面(10)露出的部分水平面作为主支撑面，将其固定在3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的上端面(6)的水平面逐层向上依据步骤二的第一3D打印数据打印形成第三3D构件(11)；
步骤四：将第四3D构件(12)的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第二3D打印数据；
步骤五：将步骤三形成的构件中的第一构件的外侧部曲面(7)和环形薄壁件内侧部曲面(1)完全贴合并固定连接，将以环形薄壁件的上端面(3)为主支撑面，将其固定在3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的下端水平面逐层向上依据步骤四的第二3D打印数据打印形成第四3D构件(12)。
步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成环状异型构件。
在一个优选的实施例中，固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。许多难以焊接的材料，往往可以连接成与母材同等强度的优质接头。
在一个优选的实施例中，3D打印的分层厚度数据设置为小于0.02mm，可以快速精准的将目标打印金属材料连接起来，增强金属材料的理化性质。
在一个优选的实施例中，3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。可以促进3D金属打印的成效，将环状异型构件的复杂结构清晰明朗的表现出来。
在一个优选的实施例中，环形薄壁件(2)自底面端部到顶面端部的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面(7)，第一侧部曲面(7)和环形薄壁件内壁(1)完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面(13)，第二侧部曲面(13)任意一点到环形薄壁件中心件距离相等，所述环形钩状件具有上端面(6)，上端面(6)自第一侧部曲面(7) 顶端向第二侧部曲面顶端(13)平滑延伸，第一侧部曲面(6)顶端高度大于第二侧部曲面(13)顶端高度，所述环形钩状件具有下端面，下端面(15)自第一侧部曲面底端向第二侧部曲面(13)地段平滑延伸并在第一侧部曲面(6)和第二侧部曲面(13)之间位于形成凹槽(4)结构。
在一个优选的实施例中，环形钩状件由第一构件A2(5)、第二构件A3(9)、第三3D打印构件件(11)、第四3D打印构件(12)组成，第一构件(5)的上端面和第三构3D打印构件(11)的下端面完全贴合并固定连接，第三3D打印构件的上端面形成环状异型构件的上端面(3)，第二构件的上端面(8)和第一构件的下端面(10)完全贴合并固定连接，第四3D打印构件(12)的上端面和第二构件的下端面以及第一构件的部分下端面(10)完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的下端面形成环状异型构件的下端面(15)。
在一个优选的实施例中，第一构件的上端面由倒锥形曲面(6)和第一水平面构成(14)，倒锥形曲面自环形钩状件的上端面(6)顶部向下延伸至第一水平面(14)，第一水平面(14)延伸至环形钩状件的第二侧部曲面(13)的端部为止，第一构件的下端面(10)由第二水平面构成，第二水平面(10)延伸至环形钩状件的第二侧部曲面(13)的端部为止。
在一个优选的实施例中，第二构件的上端面第三水平面(8)构成，第三水平面(8)部分的和第一构件的第二水平面(10)贴合，第二构件的外侧部曲面形成环形钩状件第一侧部曲面(7)的一部分，第二构件的下端面(15)由锥形曲面构成并延伸至第二构件的内侧部曲面的底端。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种环状异型构件的制造方法，其特征在于，所述环状异型构件包括环形薄壁件、环形钩状件；所述环形钩状件由第一构件、第二构件、第三3D打印构件和第四3D打印构件组成，第一构件的上端面和第三3D打印构件的下端面完全贴合并固定连接，第三3D打印构件的上端面形成环状异型构件的上端面，第四3D打印构件的上端面和第二构件的下端面以及第一构件的部分下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的下端面形成环状异型构件的下端面；包括以下步骤：
步骤一：清洗第一构件的下端面和第二构件的上端面，将第一构件的下端面和第二构件的上端面固定连接；
步骤二：将第三3D打印构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第一3D打印数据；
步骤三：以第一构件下端面露出的部分水平面作为主支撑面，将其固定在3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的上端面的水平面逐层向上依据步骤二的第一3D打印数据打印形成第三3D打印构件；
步骤四：将第四3D打印构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第二3D打印数据；
步骤五：将步骤三形成的构件中的第一构件的外侧部曲面和环形薄壁件内侧部曲面完全贴合并固定连接，将以环形薄壁件的上端面为主支撑面，将其固定在3D打印机的工件固定区域，然后自第一构件的下端水平面逐层向上依据步骤四的第二3D打印数据打印形成第四3D打印构件；
步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成环状异型构件。
2.根据权利要求1所述的一种环状异型构件的制造方法，其特征在于：所述固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。
3.根据权利要求1所述的一种环状异型构件的制造方法，其特征在于：所述第一3D打印数据和第二3D打印数据均包含分层厚度数据，将分层厚度数据设置为小于0.02mm。
4.根据权利要求1所述的一种环状异型构件的制造方法，其特征在于，3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。
5.一种应用如权利要求1-4任一项所述的方法制造的环状异型构件，包括环形薄壁件、环形钩状件，其特征在于，所述环形薄壁件自底面端部到顶面端部的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面，第一侧部曲面和环形薄壁件内壁完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面，所述环形钩状件具有上端面，上端面自第一侧部曲面顶端向第二侧部曲面顶端平滑延伸，第一侧部曲面顶端高度大于第二侧部曲面顶端高度，所述环形钩状件具有下端面，下端面自第一侧部曲面底端向第二侧部曲面底端平滑延伸并在第一侧部曲面和第二侧部曲面之间形成凹槽结构。
6.根据权利要求5所述的环状异型构件，其特征在于，所述环形钩状件由第一构件、第二构件、第三3D打印构件、第四3D打印构件组成，第一构件的上端面和第三3D打印构件的下端面完全贴合并固定连接，第三3D打印构件的上端面形成环状异型构件的上端面，第二构件的上端面和第一构件的下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的上端面和第二构件的下端面以及第一构件的部分下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的下端面形成环状异型构件的下端面。
7.根据权利要求6所述的环状异型构件，其特征在于，所述第一构件的上端面由倒锥形曲面和第一水平面构成，倒锥形曲面自环形钩状件的上端面顶部向下延伸至第一水平面，第一水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止，第一构件的下端面由第二水平面构成，第二水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止。
8.根据权利要求6所述的环状异型构件，其特征在于，所述第二构件的上端面由第三水平面构成，第三水平面和第一构件第二水平面的一部分贴合，第二构件的外侧部曲面形成环形钩状件第一侧部曲面的一部分，第二构件的下端面由锥形曲面构成并延伸至第二构件的内侧部曲面的底端。
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