CN112139498A - 选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，相比于传统的选区激光熔化工艺，增加了在线轧制工序，能够有效降低成形件内部孔隙率和微裂纹，细化组织，改变残余应力状态。本发明还提供了选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，包括机架、成形缸、成形工作台和复合铺粉装置；复合铺粉装置包括外壳、铺粉轧制组件和摇杆滑块机构；铺粉轧制组件位于所述外壳内部；摇杆滑块机构位于所述外壳外部；通过摇杆滑块机构控制铺粉轧制组件完成铺粉状态和轧制状态的切换，使得复合铺粉装置能够实现铺粉和在线轧制两种工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺及设备。
背景技术
选区激光熔化(SLM)是一种基于粉末床的增材制造工艺，利用高能激光束作为能量源，依据零部件三维模型的切片信息规划激光扫描路径，使金属粉末材料逐层熔化，凝固后形成具有特定截面形状的沉积层，经多层沉积后实现复杂三维零部件的直接制造。相比于其它增材制造工艺，SLM技术优点突出。一方面，适用于制造任意复杂形状金属零部件。另一方面，激光熔化粉末层产生的熔池尺寸小，高冷速有利于细化材料微观组织，获得良好的力学性能。
虽然近些年SLM技术发展迅速，商业用途越来越广泛，但通过其制造的零件依然存在孔隙率高、微观组织不均和微裂纹萌生等问题，影响了零件的综合性能。目前，影响孔隙率、微观组织均匀性的因素非常复杂，为降低孔隙率等缺陷、改善内部微观组织，只能通过大量的工艺试验进行试错优化，工艺优化和制造成本高，且制造的零件的性能稳定性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种轧制复合选区激光熔化的增材制造工艺及设备，有效解决了传统SLM工艺孔隙率高的问题。
本发明提供一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，包括如下步骤：
S1、将所需加工零件的三维模型导入工艺规划与切片软件，然后进行模型修复、添加支撑等模型前处理；然后设定工艺参数，包括铺粉参数、轧制参数、激光参数和环境参数；所述轧制参数包括轧制速度、轧制压下量和轧制次数；最后进行切片处理，得到加工文件；
S2、成形工作台移动至平台Z轴原点；铺粉装置位置初始化；将加工文件导入增材制造设备的工控机，由工控机中的控制软件读取加工文件，然后控制送粉装置、铺粉装置、激光系统、轧制装置及成形工作台协同运动。
优选的，所述协同运动的工作步骤如下：
①成形工作台下降一个粉层厚度；
②送粉装置输送一定量的粉末至铺粉装置的粉仓中；
③铺粉装置以铺粉工作模式水平运动，实现均匀铺粉；
④机器自动检查铺粉质量，若铺粉不均匀，则控制铺粉装置重新铺粉；
⑤激光系统工作，打开激光束，按照加工文件中的扫描路径熔化粉层，形成单层沉积层；单层路径扫描结束后，激光束自动关闭；
⑥循环执行步骤①-⑤若干次，形成若干层沉积层；
⑦成形工作台上升预设轧制压下量，控制铺粉装置切换成轧制工作模式，按照预设的轧制速度进行水平运动，对沉积层进行轧制；
⑧重复步骤⑦直至达到预设的若干轧制次数；
而后不断重复步骤①-⑧，直至完成整个零件的增材制造。
上述选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，相比于传统的选区激光熔化增材制造工艺，增加了在线轧制工序，单次轧制即能够实现沉积层整层的塑性变形，轧制效率高，可以有效降低沉积层的孔隙率，细化微观组织，改善残余应力状态。
本发明还提供一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，包括机架、成形缸、成形工作台和复合铺粉装置；所述成形工作台可在所述成形缸内上下滑动；所述机架两个相对的侧壁上均固定连接有两个凸块；所述复合铺粉装置包括外壳、铺粉轧制组件和摇杆滑块机构；所述铺粉轧制组件位于所述外壳内部；所述摇杆滑块机构位于所述外壳外部；
所述复合铺粉装置可在水平驱动装置的作用下进行往复直线运动；所述水平驱动装置为现有技术，可以为滚珠丝杠副、齿轮齿条副、带传动以及直线电机等，本领域技术人员可以自行选取；
所述外壳由上盖板、两个下盖板和两个侧板组成；所述上盖板和两个所述下盖板通过柔性铰链连接；两个所述侧板均与所述上盖板固定连接；
所述铺粉轧制组件从上到下依次包括分流锥板、两个“十字”支架和支撑辊；所述分流锥板的截面呈倒“V”状；所述分流锥板与两个所述侧板固定连接；所述支撑辊的两端分别与一个“十字”支架的下端铰接；所述“十字”支架的左右两端均连接有一组复合机构，左右两组所述复合机构以所述“十字”支架竖直中心线为轴线对称设置；左侧所述复合机构包括两个第一圆柱滑块、一个粉末导流板、两个第一限位块、两个第一连杆、一个轧辊和两个压簧；两个所述第一圆柱滑块分别与两个所述“十字”支架的左端固定连接；两个所述“十字”支架的左端通过所述第一圆柱滑块与粉末导流板前后端面上的腰形槽滑动配合；所述粉末导流板通过连接柱与下盖板固定连接；所述粉末导流板上固定连接有第一限位块；所述粉末导流板的前后端面分别与所述第一连杆的一端及所述侧板铰接；两个所述第一连杆的另一端均与所述轧辊铰接；所述第一连杆与所述粉末导流板之间还连接有压簧；
所述摇杆滑块机构有两组，分别位于两个所述侧板上；每组所述摇杆滑块机构包括第二圆柱滑块、第二连杆和摇杆；所述第二圆柱滑块与所述“十字”支架的上端固定连接；所述第二圆柱滑块与所述侧板上的腰孔滑动配合；所述第二圆柱滑块与所述第二连杆的一端活动铰接；所述第二连杆的另一端与所述摇杆的一端活动铰接；所述摇杆的另一端与所述侧板固定铰接；所述侧板上还固定连接有第二限位块；所述第二限位块用于限制所述第二连杆的转动。
上述选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，其中独特的复合铺粉装置集铺粉功能和轧制功能于一体，既可以实现常规激光扫描前的铺粉工序，也可以按需实现激光扫描后的在线轧制工序，形成选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，相比于传统的选区激光熔化增材制造工艺，可以有效降低沉积层的孔隙率，细化微观组织，改善残余应力状态。
本发明具备以下有益效果：
传统的SLM工艺加工的零件孔隙率高。本发明通过增加在线轧制工艺，沉积层形成后进行若干次在线轧制，能够实现如下有益效果；
1、降低孔隙率。一方面能够压合因材料和工艺参数本身导致的微小孔隙；另一方面，能够使不平坦的沉积层表面平整，避免出现因沉积层表面存在高低起伏而产生的铺粉层厚局部不均匀的现象，进而避免了由此产生的未熔合孔隙甚至是层间分离。
2、细化微观组织。通过轧制工艺为沉积层提供预变形量，存储畸变能，当进行下一层激光扫描时，有利于已沉积层产生静态再结晶，从而细化微观组织。
3、改善残余应力状态，抑制微裂纹形成。由于施加了轧制工艺，沉积层产生了压缩变形，其残余应力状态由原先的拉应力转变为压应力，有利于抑制微裂纹的萌生。
以上有益效果均能够显著提高零件的综合力学性能和理化性能。
附图说明
图1为实施例2铺粉状态的整体结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图2的局部放大图；
图4为图2的右视图；
图5为图2的A向向视图；
图6为图5的B-B局部剖视图；
图7为复合铺粉装置切换成轧制状态的结构示意图；
图8为轧制状态下复合铺粉装置内部的结构示意图；
图9为实施例2轧制状态的整体结构示意图；
图10为复合铺粉装置切换铺粉状态的结构示意图。
图中：1、机架；2、成形缸；3、成形工作台；4、外壳；41、上盖板；42、下盖板；43、侧板；44、柔性铰链；5、分流锥板；6、“十字”支架；7、支撑辊；8、第一圆柱滑块；9、粉末导流板；10、第一限位块；11、第一连杆；12、轧辊；13、压簧；14、第二圆柱滑块；15、第二连杆；16、摇杆；17、第二限位块；18、凸块；19、连接柱。
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做出创造性劳动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。
实施例1
一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，包括如下步骤：
S1、将所需加工零件的三维模型导入工艺规划与切片软件，然后进行模型修复、添加支撑等模型前处理；然后设定工艺参数，包括铺粉参数、轧制参数、激光参数和环境参数；轧制参数包括轧制速度、轧制压下量和轧制次数；最后进行切片处理，得到加工文件；
S2、成形工作台移动至平台Z轴原点；铺粉装置位置初始化；将加工文件导入增材制造设备的工控机，由工控机中的控制软件读取加工文件，然后控制送粉装置、铺粉装置、激光系统、轧制装置及成形工作台协同运动。
协同运动的工作步骤如下：
①成形工作台下降一个粉层厚度；
②送粉装置输送一定量的粉末至铺粉装置的粉仓中；
③铺粉装置以铺粉工作模式水平运动，实现均匀铺粉；
④机器自动检查铺粉质量，若铺粉不均匀，则控制铺粉装置重新铺粉；
⑤激光系统工作，打开激光束，按照加工文件中的扫描路径熔化粉层，形成单层沉积层；单层路径扫描结束后，激光束自动关闭；
⑥循环执行步骤①-⑤若干次，形成若干层沉积层；
⑦成形工作台上升预设轧制压下量，控制铺粉装置切换成轧制工作模式，按照预设的轧制速度进行水平运动，对沉积层进行轧制；
⑧重复步骤⑦直至达到预设的若干轧制次数；
而后不断重复步骤①-⑧，直至完成整个零件的增材制造。
上述选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，相比于传统的选区激光熔化增材制造工艺，增加了在线轧制工序，单次轧制即能够实现沉积层整层的塑性变形，轧制效率高，可以有效降低沉积层的孔隙率，细化微观组织，改善残余应力状态。
实施例2
如图1-9所示，一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，包括机架1、成形缸2、成形工作台3和复合铺粉装置；成形工作台3可在成形缸2内上下滑动；机架1两个相对的侧壁上均固定连接有两个凸块18；复合铺粉装置包括外壳4、铺粉轧制组件和摇杆滑块机构；铺粉轧制组件位于外壳内部；摇杆滑块机构位于外壳外部；
复合铺粉装置可在水平驱动装置的作用下进行往复直线运动；水平驱动装置为现有技术，可以为滚珠丝杠副、齿轮齿条副、带传动以及直线电机等，本领域技术人员可以自行选取；
外壳4由上盖板41、两个下盖板42和两个侧板43组成；上盖板41和两个下盖板42通过柔性铰链44连接；两个侧板43均与上盖板41固定连接；
铺粉轧制组件从上到下依次包括分流锥板5、两个“十字”支架6和支撑辊7；分流锥板5的截面呈倒“V”状；分流锥板5与两个侧板43固定连接；支撑辊7的两端分别与一个“十字”支架6的下端铰接；“十字”支架6的左右两端均连接有一组复合机构，左右两组复合机构以“十字”支架6竖直中心线为轴线对称设置；左侧复合机构包括两个第一圆柱滑块8、一个粉末导流板9、两个第一限位块10、两个第一连杆11、一个轧辊12和两个压簧13；两个第一圆柱滑块8分别与两个“十字”支架6的左端固定连接；两个“十字”支架6的左端通过第一圆柱滑块8与粉末导流板9前后端面上的腰形槽滑动配合；粉末导流板9通过连接柱19与下盖板42固定连接；粉末导流板9上固定连接有第一限位块10；粉末导流板9的前后端面分别与第一连杆11的一端及侧板43铰接；两个第一连杆11的另一端均与轧辊12铰接；第一连杆11与粉末导流板9之间还连接有压簧13；
摇杆滑块机构有两组，分别位于两个侧板43上；每组摇杆滑块机构包括第二圆柱滑块14、第二连杆15和摇杆16；第二圆柱滑块14与“十字”支架6的上端固定连接；第二圆柱滑块14与侧板43上的腰孔滑动配合；第二圆柱滑块14与第二连杆15的一端活动铰接；第二连杆15的另一端与摇杆16的一端活动铰接；摇杆16的另一端与侧板43固定铰接；侧板43上还固定连接有第二限位块17；第二限位块17用于限制第二连杆15的转动。
上述选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，其中独特的复合铺粉装置集铺粉功能和轧制功能于一体，既可以实现常规激光扫描前的铺粉工序，也可以按需实现激光扫描后的在线轧制工序，形成选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，相比于传统的选区激光熔化增材制造工艺，可以有效降低沉积层的孔隙率，细化微观组织，改善残余应力状态。
本申请实施例2的工作原理如下：
铺粉工序：如图1所示，复合铺粉装置复位至铺粉状态(“十字”支架6、支撑辊7和轧辊12均处于上极限位置)，并移动至粉仓正下方，粉仓中的粉末材料落入复合铺粉装置中；具体的，如图5所示，一定量的粉末材料由上盖板41上的落粉孔进入复合铺粉装置中，经分流锥板5的分流作用分为左右两股，分别存储于由外壳4与粉末导流板9形成的空腔中；成形工作台下降一个粉层厚度；水平驱动装置带动复合铺粉装置水平运动，当运动至成形工作台上方时，粉末材料落入复合铺粉装置与成形工作台之间的缝隙中，完成铺粉工序。
选区熔化工序：激光系统控制激光束沿预设路径扫描，进行选区熔化，凝固后形成沉积层。
在线轧制工序：如图9所示，形成若干层沉积层后，控制复合铺粉装置切换至轧制状态(“十字”支架6、支撑辊7和轧辊12均处于下极限位置)，成形工作台上升一个预设压下量，水平驱动装置带动复合铺粉装置水平运动，当运动至成形工作台上方时，开始对沉积层进行在线轧制，直至完成若干次轧制工序。
循环上述铺粉工序、选区熔化工序和在线轧制工序，直至整个零件加工完成。
其中，复合铺粉装置切换铺粉状态和轧制状态的动作过程如下：
如图4所示，铺粉开始时，控制复合铺粉装置复位至铺粉状态，第二圆柱滑块14置于上极限位置，带动复合铺粉装置处于铺粉状态，如图5所示。
如图7所示，在线轧制开始时，控制复合铺粉装置运动，使得摇杆16与右侧的凸块18相撞，导致第二连杆15和摇杆16逆时针旋转，直至第二连杆15与第二限位块17接触，第二圆柱滑块14向下运动至下极限位置。此时，第二连杆15和摇杆16的中心轴线均左偏于第二圆柱滑块14的滑动轴线，能够保证轧制过程中第二连杆15和摇杆16的位置锁死。
第二圆柱滑块14向下运动的过程中，带动“十字”支架6向下运动，从而使得固定在“十字”支架6左右两端的第一圆柱滑块8向下运动。与第一圆柱滑块8滑动配合的粉末导流板9、第一连杆11及轧辊12同时绕着固定铰链转动，直至轧辊12与成形缸2的上表面接触。此时，第一连杆11和轧辊12停止传动，粉末导流板9继续转动，直至支撑辊7与轧辊12接触，粉末导流板9停止转动。至此，粉末导流板9张开，轧辊12与成形缸2的上表面接触，同时通过连接柱19带动下盖板42同步张开，完成轧制状态的切换，如图8所示。然后，水平驱动装置带动复合铺粉装置水平运动，实施在线轧制工序，如图9所示。
在线轧制工序完成后，复合铺粉装置在水平驱动装置的作用下继续运动，使左侧的凸块18与摇杆16相撞，如图10所示；复合铺粉装置继续向左运动，直至摇杆16和第二连杆15的中心轴线右偏于第二圆柱滑块14的滑动轴线，使第二圆柱滑块14上滑至上极限位置，完成铺粉状态的切换。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将所需加工零件的三维模型导入工艺规划与切片软件，然后进行模型修复、添加支撑等模型前处理；然后设定工艺参数，包括铺粉参数、轧制参数、激光参数和环境参数；所述轧制参数包括轧制速度、轧制压下量和轧制次数；最后进行切片处理，得到加工文件；
S2、成形工作台移动至平台Z轴原点；铺粉装置位置初始化；将加工文件导入增材制造设备的工控机，由工控机中的控制软件读取加工文件，然后控制送粉装置、铺粉装置、激光系统、轧制装置及成形工作台协同运动。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺，其特征在于：所述协同运动的工作步骤如下：
①成形工作台下降一个粉层厚度；
②送粉装置输送一定量的粉末至铺粉装置的粉仓中；
③铺粉装置以铺粉工作模式水平运动，实现均匀铺粉；
④机器自动检查铺粉质量，若铺粉不均匀，则控制铺粉装置重新铺粉；
⑤激光系统工作，打开激光束，按照加工文件中的扫描路径熔化粉层，形成单层沉积层；单层路径扫描结束后，激光束自动关闭；
⑥循环执行步骤①-⑤若干次，形成若干层沉积层；
⑦成形工作台上升预设轧制压下量，控制铺粉装置切换成轧制工作模式，按照预设的轧制速度进行水平运动，对沉积层进行轧制；
⑧重复步骤⑦直至达到预设的轧制次数；
而后不断重复步骤①-⑧，直至完成整个零件的增材制造。
3.一种实现权利要求1或2所述的选区激光熔化复合在线轧制的增材制造工艺的选区激光熔化复合在线轧制的增材制造设备，其特征在于：包括机架(1)、成形缸(2)、成形工作台(3)和复合铺粉装置；所述成形工作台(3)可在所述成形缸(2)内上下滑动；所述机架(1)两个相对的侧壁上均固定连接有两个凸块(18)；所述复合铺粉装置包括外壳(4)、铺粉轧制组件和摇杆滑块机构；所述铺粉轧制组件位于所述外壳内部；所述摇杆滑块机构位于所述外壳外部；
所述外壳(4)由上盖板(41)、两个下盖板(42)和两个侧板(43)组成；所述上盖板(41)和两个所述下盖板(42)通过柔性铰链(44)连接；两个所述侧板(43)均与所述上盖板(41)固定连接；
所述铺粉轧制组件从上到下依次包括分流锥板(5)、两个“十字”支架(6)和支撑辊(7)；所述分流锥板(5)的截面呈倒“V”状；所述分流锥板(5)与两个所述侧板(43)固定连接；所述支撑辊(7)的两端分别与一个“十字”支架(6)的下端铰接；所述“十字”支架(6)的左右两端均连接有一组复合机构，左右两组所述复合机构以所述“十字”支架(6)竖直中心线为轴线对称设置；左侧所述复合机构包括两个第一圆柱滑块(8)、一个粉末导流板(9)、两个第一限位块(10)、两个第一连杆(11)、一个轧辊(12)和两个压簧(13)；两个所述第一圆柱滑块(8)分别与两个所述“十字”支架(6)的左端固定连接；两个所述“十字”支架(6)的左端通过所述第一圆柱滑块(8)与粉末导流板(9)前后端面上的腰形槽滑动配合；所述粉末导流板(9)通过连接柱(19)与下盖板(42)固定连接；所述粉末导流板(9)上固定连接有第一限位块(10)；所述粉末导流板(9)的前后端面分别与所述第一连杆(11)的一端及所述侧板(43)铰接；两个所述第一连杆(11)的另一端均与所述轧辊(12)铰接；所述第一连杆(11)与所述粉末导流板(9)之间还连接有压簧(13)；
所述摇杆滑块机构有两组，分别位于两个所述侧板(43)上；每组所述摇杆滑块机构包括第二圆柱滑块(14)、第二连杆(15)和摇杆(16)；所述第二圆柱滑块(14)与所述“十字”支架(6)的上端固定连接；所述第二圆柱滑块(14)与所述侧板(43)上的腰孔滑动配合；所述第二圆柱滑块(14)与所述第二连杆(15)的一端活动铰接；所述第二连杆(15)的另一端与所述摇杆(16)的一端活动铰接；所述摇杆(16)的另一端与所述侧板(43)固定铰接；所述侧板(43)上还固定连接有第二限位块(17)；所述第二限位块(17)用于限制所述第二连杆(15)的转动。
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