CN112334253B - 增材制造体的制造方法及增材制造体的制造装置 - Google Patents

增材制造体的制造方法及增材制造体的制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于提供一种能够抑制增材制造体产生缺陷的增材制造体的制造方法。本发明的增材制造体的制造方法具有在加热状态下对增材制造体(7)进行造型的增材制造工序、及在维持加热状态的情况下对增材制造体(7)进行加工的机械加工工序。本发明中,通过反复进行多次增材制造工序和机械加工工序,能够对增材制造体(7)进行造型。在反复进行多次的增材制造工序和机械加工工序中,也维持加热状态。

Description

增材制造体的制造方法及增材制造体的制造装置
技术领域
本发明涉及适合于超硬合金或金属陶瓷等难切削材料的增材制造体的制造方法及制造装置。
背景技术
关于增材制造方法,例如如专利文献1所公开的那样,反复对向基板供给的原料粉末施加脉冲激光能量而使原料粉末熔融、凝固,从而得到三维形状的增材制造体。通过增材制造方法,能够通过净成形或近净成形得到三维形状的产品。另外,如专利文献1所公开的那样,“增材制造(Additive Manufacturing)”这一用语如ASTM(American Society forTesting and Materials,美国检测与材料协会)F2792中所规定的那样成为业界标准用语。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2016-502596号公报
发明内容
发明所要解决的课题
通过增材制造方法得到的增材制造体能够形成可得到接近设计尺寸的形状的近净成形,但在增材制造体直接使用的情况下,无法达到通过切削、塑性加工得到的尺寸精度、表面粗糙度。因此,增材制造方法根据用途需要作为后续工序的机械加工,为了享受通过增材制造方法进行的近净成形的好处,需要在增材制造体上不产生龟裂、裂纹等缺陷的情况下执行机械加工。另外,在增材制造中,大多应用具有高强度、高耐腐蚀等优异特性的材料,但由这些材料构成的增材制造体的加工性差,难以高效地得到所希望的形状。作为机械加工,例如可举出切削,但当增材制造体由难切削材料构成时,除了进行刀具的寿命短、效能低的加工之外,还存在如下顾虑:由于持续过度的切削状态而在切削中发生工具的异常磨损,引起切削阻力、切削温度的上升等,在增材制造体上产生缺陷(表面损伤、龟裂、裂纹)。
因此,本发明的目的在于提供一种能够对增材制造体实施机械加工且能够抑制缺陷产生的增材制造体的制造方法。另外,本发明的目的还在于提供一种能够实现这样的制造方法的制造装置。
用于解决课题的手段
本发明的增材制造体的制造方法(以下有时简称为增材制造方法)的特征在于,具有:在加热状态下对增材制造体进行造型的增材制造工序;及在维持加热状态的情况下对增材制造体进行加工的机械加工工序。
在本发明的制造方法中,在反复进行多次增材制造工序和机械加工工序的情况下,优选在反复进行多次的增材制造工序和机械加工工序中,维持加热状态。
在本发明的制造方法中,优选在增材制造工序之前,具有将待造型为增材制造体的基材加热至加热状态的预热工序。
在本发明的制造方法中,增材制造体优选由被切削性指数为50以下的难切削材料构成。
作为该难切削材料,优选应用超硬合金或金属陶瓷,进而应用高硬度材料、超合金等。
在本发明的制造方法中,只要能够稳定地维持加热状态,则加热方式没有限定。另一方面,需要保持在与构成增材制造体的材料的种类对应的适当的温度区域,从温度控制的方面出发,优选应用高频感应加热。另外,半导体激光(例如VCSEL:Vertical CavitySurface Emitting LASER(垂直腔面发射激光))作为从表面进行的局部加热是有用的。另外,通过并用多个热源,还能够将增材制造体的复杂形状维持在更稳定的温度。通过将利用高频感应加热进行的增材制造体的整体加热与利用半导体激光进行的造型体的表面部的加热组合,有助于在更短时间内的稳定造型。
另外,在本发明的制造方法中,增材制造工序通过将连续或断续地供给的原料粉末熔融、凝固来造型为增材制造体。
另外,在本发明的制造方法中,加热状态优选为:当将构成增材制造体的材料的熔点设为Mp(℃)时,加热状态具有1/6Mp以上且5/6Mp以下的温度。由于在该温度区域中发生材料内部的原子扩散,即增材制造时的熔融部凝固时,残余应力的产生缓和,因此能够抑制在增材制造体上产生表面损伤、龟裂、裂纹等缺陷。另外,在该温度区域中,材料自身有软化的倾向,因此在进行机械加工时加工负荷变小,因此能够不损伤刀具地进行加工。
另外,在本发明的制造方法中,机械加工工序优选包含利用陶瓷制的工具进行的加工。
本发明的增材制造体的制造装置(以下有时简称为增材制造装置)的特征在于,具备:造型部,对增材制造体进行造型;加工部,对增材制造体进行机械加工;及加热部,在利用造型部进行的至少增材制造体的造型的过程以及利用加工部进行的机械加工的过程中,对增材制造体进行加热。
作为本发明中的加热源,优选使用高频感应加热和半导体激光中的一者或二者。
发明效果
根据本发明,在维持增材制造工序中的加热状态的情况下对增材制造体进行机械加工。因此,根据本发明,能够在抑制例如超硬合金或金属陶瓷这样的难切削材料产生缺陷的同时,得到被加工成最终形状的增材制造体。
附图说明
图1是表示本实施方式的增材制造方法中的主要工序的流程图。
图2(a)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的一个例子,图2(b)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的另一例子,图2(c)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的又一例子。
图3中,同样地,图3(a)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的一个例子,图3(b)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的另一例子,图3(c)表示本实施方式的增材制造方法的主要工序中的经过时间与温度的关系的又一例子。
图4是表示本实施方式的增材制造装置的概略构成的俯视图。
图5表示本实施方式的增材制造装置的主要部分,图5(a)表示基材安装前,图5(b)表示安装基材后对基材进行预热的工序。
图6表示实施方式的增材制造装置的主要部分,图6(a)表示增材制造工序,图6(b)表示机械加工工序。
图7是比较地表示第1实施例中的铣刀的损伤方式的照片。
图8是比较地表示第1实施例中的立铣刀的损伤方式的照片。
图9表示第2实施例的评价结果,图9(a)是表示测定温度与硬度的关系的曲线图,图9(b)是表示加热保持时间与硬度的关系的曲线图。
图10是表示第1实验例中的磨损试验的结果的曲线图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的一个实施方式进行详细说明。
如图1所示,本实施方式的增材制造方法具备基材的预热工序(S101)、增材制造工序(S103)、机械加工工序(S105)和冷却工序(S107)。
本实施方式的增材制造方法中,增材制造工序(S103)中的加热状态维持到机械加工工序(S105)结束。通过维持该加热状态,本实施方式的增材制造方法能够抑制例如在超硬合金或金属陶瓷这样的难切削材料中产生的表面损伤、龟裂、裂纹等缺陷的产生。以下,对各工序依次进行说明。
[基材的预热工序(S101)]
首先,对基材进行说明,按照作为本发明的优选方式对基材进行预热的理由、对基材进行加热的手段、预热的温度的顺序进行说明。
本实施方式中的基材是在接下来的增材制造工序中被造型为增材制造体的对象。所供给的原料粉末通过施加热能而熔融,并且在基材的表面冷却、凝固。通过反复进行原料粉末的供给、熔融、冷却、凝固而层叠增材制造体的前体,最终得到所期望形状的增材制造体。
基材是所供给的原料粉末熔融、凝固的对象,当基材与待造型的最初的前体之间的温度梯度大时,有时会因产生的热应力及残余应力而无法忽视前体的变形。另外,例如在增材制造体由超硬合金构成的情况下,超硬合金具有高强度,但韧性低,因此在造型时有在基材与前体的界面处发生剥离的担心。因此,优选在增材制造工序之前进行对基材进行加热的预热。通过进行预热,能够实现由热应力引起的变形和残余应力的缓和。
对基材进行预热的手段只要能够实现其目的就没有限定。例如,通过利用高频感应加热、半导体激光、气体燃烧器、红外线电加热器、加热炉、电子束或激光的照射、卤化物灯照射进行的加热、加热板这样的以电热线为热源的加热方式等,能够对基材进行加热。这些手段可以单独使用进行加热,也可以并用进行加热。该加热手段也可应用于接下来的增材制造工序S103及机械加工工序S105中的加热状态的维持。
本实施方式中,作为优选的例子,在增材制造工序S103以及机械加工工序S105中,也维持基于预热工序S101的加热状态,具体而言维持加热温度。为了稳定地维持加热温度,在以上的加热手段中,利用高频感应加热进行的能量投入是有效的。这是因为在对象物内产生由涡电流和金属的电阻引起的焦耳热,引起金属的自发热,因此即使是热容量大的部件,也能够进行充分的加热。特别是,通过用绝热材料覆盖除用于维持加热温度的部分以外的部分,能够使加热温度的维持稳定。作为从外部对对象物进行加热的方法的其他加热方法在热容量小的部件的加热中能够投入充分的能量。
预热工序S101中的加热温度只要能够实现其目的就没有限定。
但是,为了稳定地对难切削材料进行造型,增材制造中的增材制造体的温度控制是重要的。为了缓和增材制造中骤冷时的热应力梯度,缓和应变的蓄积,当将构成增材制造体的材料的熔点记为Mp(℃)时,优选加热维持在1/6Mp以上的温度。在该温度区域中,由于容易引起转变的移动,应变不易蓄积,因此不易产生缺陷。预热工序中的加热温度不需要提高至必要以上,加热温度可以设为5/6Mp以下。优选的加热温度为1/3Mp~3/4Mp。进一步优选的加热温度为2/5Mp~3/4Mp。
在增材制造体由超硬合金构成的情况下,预热工序中的加热温度优选为500℃以上,更优选的加热温度为600℃以上,进一步优选的加热温度为650~900℃。另外,加热温度的维持和容许范围后述。
构成基材的材料只要能够实现其目的就没有限定,可以使用金属材料、陶瓷材料。但是,在利用高频感应加热进行加热的情况下,使用能够通过高频感应加热而被加热的材料。因此,基材优选基本上由金属材料构成,其中,优选除了在加热温度的范围内具有耐性以外、由加热引起的膨胀收缩也小的材料。具体而言,优选Ni基合金,特别优选Ni基超合金、Co基合金,特别优选Co基超合金、Cr基合金、Mo基合金、Fe基超合金。
[增材制造工序(S103)]
接着,对增材制造工序进行说明。
增材制造工序在基材上对三维的增材制造体进行造型。增材制造的方式没有特别限定,例如可以使用激光熔融沉积等定向能量沉积(Directed energy deposition)方式、粉末床熔融结合方式、等离子粉体堆焊等。
基于定向能量沉积方式的增材制造是一边使位置移动一边反复进行下述步骤:使用激光、电子束、等离子体、电弧中的任一种热源使原料粉末熔融,使熔融的原料粉末附着于基材的表面并使其凝固。此外,通过一边使位置移动一边反复进行使原料粉末熔融、凝固的步骤,在对基材进行了造型的前体表面上对所希望的三维的增材制造体进行造型。
在增材制造工序中,一边使位置移动一边反复进行使原料粉末熔融、凝固的步骤。在熔融部分(熔融池)与凝固了的其周围之间产生的温度梯度所引起的热应力的作用下,有产生缺陷的顾虑。例如,在增材制造体由超硬合金构成的情况下,超硬合金具有高强度,但韧性低,因此容易产生由热应力引起的缺陷。
因此,在期望的实施方式中,在增材制造工序中,也维持预热工序S101中的加热状态。在不进行预热工序S101的情况下,伴随着增材制造的开始而对增材制造体进行加热,维持该加热状态至增材制造工序结束。
[机械加工工序(S105)]
当得到所期望的增材制造体时,转移到机械加工工序。如上所述,增材制造体能够对最终想要得到的制造物体形成近净成形,但在增材制造体直接使用的情况下,无法达到通过切削、塑性加工得到的尺寸精度、表面粗糙度。因此,为了达到想要得到的形状、尺寸,实施机械加工。
本实施方式中的机械加工工序广泛地包含机械加工,最典型地可举出切削加工(铣削加工、开孔加工、旋削加工等)。在此,在增材制造体由难切削材料、例如超硬合金或金属陶瓷构成的情况下,切削加工并不容易。因此,在本实施方式中,在机械加工工序中也维持增材制造工序中的加热状态。
在加热状态下,即使增材制造体由难切削材料构成,增材制造体的硬度也降低。因此,例如在切削工具与增材制造体碰撞时容易发生剪切变形,切屑产生时的阻力小。另外,分散有硬质粒子的材料在室温下难以切削,但通过加热而开始产生切屑,根据材料组成,硬质粒子成为起点而引起切屑的分割等,从而关系到容易切削、由切屑附着到工具而导致的加工面的性状提高。在本实施方式中,由于在维持增材制造工序中的加热状态的情况下进行切削加工,因此与在解除加热状态后再次加热的情况相比,能量上的损耗也小,可以说是高效能的加工。另外,能够将增材制造时和机械加工时的温度分别控制为最佳的状态。有时由于机械加工而产生残余应力,但通过在缓和了该残余应力的状态下进行加工或相反地赋予残余应力,能够进行表面硬化、或提高耐缺损性等的控制。
以上对切削加工进行了说明,但本实施方式例如容许进行塑性加工、磨削加工等其他机械加工、以及并用这些加工来进行。
在机械加工工序为切削加工的情况下,优选使用陶瓷制的切削工具。
在室温下,超硬合金或金属陶瓷与陶瓷制的切削工具具有相同程度的硬度,例如以HV计为1300~1800。因此,通常难以用陶瓷制的切削工具切削超硬合金或金属陶瓷。但是,在上述的加热状态下,超硬合金或金属陶瓷的软化程度大于陶瓷的软化程度,因此两者的硬度产生差异。利用该差异,能够引起切削加工现象。另外,由于陶瓷制的切削工具不易发生因与金属材料接触而导致的凝着,因此能够对超硬合金或金属陶瓷排出稳定的切屑。这样,陶瓷制的切削工具对于本实施方式中的处于加热状态的切削加工是有效的。
作为陶瓷制的切削工具的材质,可应用氧化铝系陶瓷、氮化硅系陶瓷、氧化锆系陶瓷等。作为氮化硅系陶瓷,优选SiAlON。
[冷却工序(S107)]
对增材制造体实施了必要的加工后,解除加热状态,对增材制造体进行冷却。
冷却工序例如按照缓冷、放冷的顺序进行。即,优选应用冷却速度慢的缓冷至达到构成增材制造体的材料的裂纹敏感性低的温度区域,从裂纹敏感性低的温度区域应用冷却速度快的放冷。在此所说的冷却速度快、慢是相对的关系,具体的缓冷中的冷却速度可以根据构成增材制造体的材料来确定。
[加热状态的维持]
接着,参照图2和图3对本实施方式所包含的维持加热状态的几个模式进行说明。
图2(a)表示经过增材制造工序及机械加工工序并维持在增材制造工序中升温后的加热温度的模式。图2(a)不具备预热工序。
如上所述,由于从1/6Mp以上且5/6Mp以下的范围选择加热,因此在该温度范围内进行加热温度的维持。
优选使增材制造工序中的加热温度(T)在机械加工工序中不发生变动地进行维持。但是,当考虑到工业上的生产规模时,这并不现实。因此,在本实施方式中,将在机械加工工序中设定的加热温度(T)作为基准,即使温度在T±100℃以下的范围内变动,也视为温度得以维持。优选的温度变动范围为T±50℃以下,更优选的温度变动范围为T±30℃以下,进一步优选的温度变动范围为T±10℃以下。该加热温度的维持在以下的模式中也沿袭。
需要说明的是,在此所说的T±100℃以下的范围内的维持是指1次机械加工工序中的温度的维持范围。例如,在反复进行2次增材制造工序和机械加工工序的情况下,并不是第1次机械加工工序的加热温度与第2次机械加工工序的加热温度的温度差收敛于T±100℃以下的范围内。即,是指第1次机械加工工序中的加热温度收敛于T±100℃以下。
接着,图2(b)表示经过预热工序、增材制造工序及机械加工工序、并维持在预热工序中升温后的加热温度的模式。在此所述的加热温度是预热工序中的最高温度。另外,难以使增材制造体整体的温度均匀。因此,预先弄清楚高频感应加热时的增材制造体的侧面的表面温度、即最高温度和增材制造体中央部的表面温度,基于增材制造体的侧面温度与中央部温度的相关(温度差等)数据进行控制,以使成为实际的造型部分的增材制造体的中央部的温度达到所期望的温度以上。
增材制造工序和机械加工工序有时也如图2(a)、(b)所示那样分别仅进行一次,但由于以下的理由,有时也如图2(c)所示那样分别反复进行多次。
在增材制造时,例如向通过激光照射而形成的熔融池中投入粉体,但难以控制熔融池的形状、大小。因此,有时反复进行通过机械加工调整增材制造体的形状之后进行增材制造的步骤。即,通过交替地反复进行增材制造工序和机械加工工序,能够使加工工具容易地到达加工部位,能够稳定地进行加工,得到所希望的形状。这样,增材制造工序和机械加工工序的反复工序是在制造复杂形状的部件方面有用的方法。
另外,图2(c)中作为多次例示了2次,但当然也可以将增材制造工序和机械加工工序各进行3次以上。在如图2(c)所示反复进行多次增材制造工序和机械加工工序的情况下,在反复的过程中也维持加热状态。
接着,图3(a)表示在增材制造之前进行机械加工,进而在增材制造后进行机械加工的模式。作为在增材制造之前进行的机械加工,为了形成适于后续的增材制造的形状,可例示出对基材进行机械加工。该机械加工工序与对在增材制造工序之后进行的增材制造体进行机械加工的加工对象不同。因此,在图3(a)中,为了与对增材制造体进行机械加工相区别而表述为预备加工。
图3(a)的模式包含在预先对基材进行加热后进行增材制造及机械加工的方式h1、和不进行预热而在增材制造时对基材进行加热的方式h2。另外,在图3(a)中,示出了在预热之前进行预备加工的例子,但也可以在预热和增材制造之间进行预备加工。
接着,图3(b)表示增材制造工序和机械加工工序的温度不同的模式。该模式应用于适于增材制造工序的加热温度和适于机械加工工序的加热温度不同的情况。但是,温度的差异优选收敛于前述的T±200℃以下的范围内。
接着,图3(c)表示除了增材制造工序和机械加工工序的温度不同以外,多次进行的机械加工工序的加热温度也不同的模式。该模式是指可以在前述的1/6Mp以上且5/6Mp以下的温度范围中,任意地选择各个机械加工工序中的加热温度。在对被加热而达到高温的增材制造体进行切削加工的情况下,在冷却过程中发生尺寸收缩。因此,通过加热中的切削难以进行高精度的加工。因此,通过在上述温度范围中选择较低的温度,能够进行精密的机械加工。特别是,可以在最终阶段、例如冷却(缓冷、放冷)阶段施加机械加工工序,在该机械加工工序中,通过选择如室温那样低的温度,能够得到高的加工精度。
另外,如图3(c)所示,在进行多次、在此为2次的增材制造工序的情况下,可以选择不同的加热温度。若增材制造体的温度为比适于切削的温度的下限高的状态,则即使在缓冷中也能够进行切削加工。另外,为了更高精度地进行加工,在机械加工前设置增材制造体的充分的冷却过程。在此,为了稳定地进行切削加工,优选等待机械加工开始直至温度达到恒定。
[应用材料]
本实施方式的增材制造方法所应用的材料没有限制,但优选应用于被称为所谓的难切削材料的金属材料。
在机械加工工序S105中进行的加工为切削的情况下,称为难切削材料,但本实施方式中是否为难切削材料,以被切削性指数为指标。被切削性指数为对硫易切削钢(AISI-B1112)进行切削、以相对于一定的工具寿命的切削速度为100、以百分率表示进行比较的材料的相对于同一工具寿命的切削速度的指数。
在本实施方式中,适合于该被切削性指数为50以下的难切削材料,切削温度、切削阻力高,因此是工具的磨损快、不易切削的材料。其中,高硬度的超硬合金和金属陶瓷通过应用本实施方式,能够以实用的切削速度进行切削。难切削材料具有热传导率低、高温下的硬度高的倾向。因此,由于增材制造中的局部的加热和骤冷,容易形成温度梯度,产生热应力,由此容易产生缺陷。为了抑制缺陷,可以在增材制造工序和机械加工工序中维持加热状态。
在此,超硬合金(Cemented Carbide)、金属陶瓷(Cermet)是由以硬质相和结合相为主体的烧结体构成的复合材料,所述硬质相包含周期表的第4族过渡金属、第5族过渡金属和第6族过渡金属的碳化物、氮化物、氧化物、氮氧化物、碳氮化物、硼化物和硅化物中的至少一种,所述结合相由Fe、Co、Ni、Cr、Mo中的至少一种构成。
超硬合金典型地为WC-Co系合金,但也使用WC-TiC-Co系合金、WC-TaC-Co系合金、WC-TiC-TaC-Co系合金等。另外,结合相中有时也包含Cr、Cu等其他金属元素。
另外,金属陶瓷典型地是TiN-Ni系合金、TiN-TiC-Ni系合金、TiC-Ni-Mo2C系合金等。
超硬合金通常作为切削工具使用,但在如后述的模具那样要求韧性的用途的情况下,优选采用与作为切削工具使用的材料不同的组成。对于金属陶瓷也是同样的。
即,在将由超硬合金构成的增材制造体用于例如模具时,在WC-Co系合金中,Co量优选为20质量%以上且50质量%以下。该Co量比作为切削工具使用的WC-Co系合金多。由此,赋予适于作为模具用途的韧性、强度和硬度。
作为本实施方式的增材制造方法所应用的材料,除了超硬合金或金属陶瓷以外,还可举出高硬度材料、超合金。
高硬度材料是指超过50HRC的Fe基的材料,是JIS SKD11、SKH51、SUS630等。
超合金是将以Ni、Cr、Co、Mo等除Fe以外作为主体的合金。其中,Ni基超合金是指例如含有50质量%以上的Ni,此外还含有选自铬(Cr)、钴(Co)、钼(Mo)、钨(W)、铌(Nb)、铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、锆(Zr)、钽(Ta)、钒(V)、铪(Hf)、锰(Mn)、硅(Si)、镧(La)、镁(Mg)、碳(C)、硼(B)等中的元素的合金。通常,Ni基超合金是以γ相为主相的合金。由于γ相在冷却过程中不发生相变,保持原有的晶体结构,因此不易产生裂纹。另外,在钢或超硬合金对造型Ni基超合金进行造型的情况下,在界面附近形成中间层,但在该情况下,中间层的γ相分率变高,能够抑制韧性的显著降低。
此外,作为被切削性指数为50以下的难切削材料,有Ti合金(例如Ti-6质量%Al-4质量%V)。
[用途]
通过本发明得到的增材制造体的用途没有限定,作为优选的用途,可举出热锻造、铸造、压铸、热冲压中使用的模具、轴承等耐磨损部件。
这些模具在高温下与被成形材料接触,反复摩擦,为了反复进行稳定的成形,要求有耐磨损性。因此,这些模具由在高温下稳定地得到高强度的材料制作,由此实现了长寿命。具体而言,可举出超硬合金或金属陶瓷等复合材料、模具钢、高速工具钢等。
这些材料均属于难切削材料,成形为所期望的模具形状时的机械加工的负荷大。因此,在使用这样的材料成形模具时,若使用增材制造方法,则能够将模具造型为接近设计尺寸的近净成形,因此能够降低机械加工负荷。
但是,通过增材制造方法,为了调整最终的表面粗糙度、调整尺寸精度,也需要机械加工。因此,对于通过在维持了加热温度的状态下进行机械加工而能够降低机械加工的负荷的本实施方式而言,由难切削材料构成的模具是优选的用途。
[增材制造装置]
接着,参照图4~图6对实施本发明的优选的增材制造装置1进行说明。
增材制造装置1具备对增材制造体进行造型的功能和对造型后的增材制造体7进行切削加工的功能。另外,增材制造装置1具备在维持加热状态的情况下进行增材制造体7的增材制造工序以及增材制造体7的切削工序(机械加工工序)的功能。另外,切削加工的功能可以替换为磨削加工、旋削加工等。
<整体构成>
增材制造装置1具备:壳体10,对增材制造体7进行造型并且对造型后的增材制造体7实施切削加工的工作部20,维持从基材3的预热到结束增材制造体7的切削为止的加热状态的加热部30,以及对工作部20和加热部30的工作进行控制的控制部40。
<壳体10>
壳体10收纳工作部20、加热部30,并且将内部与周围隔离。在壳体10上设有门11,在使工作部20及加热部30工作时,门11关闭。在增材制造装置1的操作员进行基材3的安装时、取出实施了切削加工的增材制造体7时等,打开门11而进入到壳体10的内部。
需要说明的是,图4中,通过从壳体10的顶部透视,能够看到内部。
<工作部20>
如图4及图6(a)、(b)所示,工作部20具备主轴21、安装于主轴21上的造型头23及加工头25。另外,工作部20具有包含本发明的造形部和加工部的概念。
主轴21通过自身旋转而使造型头23以及加工头25移动到需要的位置。另外,主轴21对安装于加工头25的工具施加例如旋转驱动力。另外,在图6(b)中仅示出一个加工头25,但也可以具备多个加工头25。
如图6(a)所示,造型头23上安装有激光喷嘴24。
激光喷嘴24在增材制造工序中使用。激光喷嘴24向基材3的表面照射激光。激光喷嘴24通过将从省略图示的粉末供给源连续供给的原料粉末5向激光的照射区域喷出,从而利用激光将原料粉末熔融并凝固而进行增材制造。原料粉末5可以为基于上述的应用材料的平均粒径为10μm~250μm左右的雾化粉。
如图6(b)所示,作为一个例子,加工头25上安装有切削工具26。
切削工具26在增材制造工序之后的机械加工工序中使用。该切削工具26选择适于构成增材制造体7的材料。在增材制造体7由超硬合金、金属陶瓷构成时,优选选择陶瓷制的切削工具26。
如图4、图5(b)所示,工作部20具备固定有基材3的工作台28。安装有激光喷嘴24的造型头23及安装有切削工具26的加工头25从上方与安装于工作台28的基材3相对地进行各自的工作。将该造型头23以及加工头25工作的区域简称为工作区域。
<加热部30>
在加热部30中,在此,高频感应加热负责在将预热工序中的加热状态维持至机械加工工序结束的状态下进行的功能。
加热部30具备:高频电源31,其输出高频电流;高频振荡器33,其将从高频电源31输出的高频电流以所期望频率的高频电流输出;及高频线圈35,从高频振荡器33输出的高频电流从其中流过。高频电源31、高频振荡器33及高频线圈35是与基材3以及增材制造体7的加热直接相关的部分。
当高频电流在高频线圈35中流动时,形成磁场,在置于该磁场范围内的被加热物的表面附近产生高密度的涡电流,利用其焦耳热使被加热物发热。本实施方式中的被加热物为基材3和增材制造体7。
加热部30具备冷却器36和调温器37。冷却器36使冷却介质在高频振荡器33中循环,调温器37调节高频电源31的温度。通过设置冷却器36和调温器37,加热部30能够在不会过热的情况下进行稳定的工作。
虽省略图示,但加热部30可以具备其他部分、例如对工作部20的工作台28进行冷却的单元。
<控制部40>
控制部40掌控工作部20及加热部30的工作。
关于工作部20的工作,控制部40在对增材制造体7进行造型时使造型头23移动到工作位置,并且向激光喷嘴24供给原料粉末。此外,指示激光对基材3的照射。当增材制造体7的造型结束时,控制部40使造型头23从工作位置退避,并且使加工头25移动到工作位置。之后,控制部40为了进行规定的切削加工而控制加工头25以及切削工具26的工作。当规定的切削加工结束时,控制部40使加工头25退避。
为了实现通过加热部30获得的适当的加热温度,控制部40具备第1温度传感器41和第2温度传感器43。第1温度传感器41测定增材制造体7正上方的温度T1,第2温度传感器43测定基材3的温度T3。
当由第1温度传感器41测定出的温度T1与由第2温度传感器43测定出的温度T3之差收敛于规定范围ΔT(式1)时,控制部40指示加热部30在以前的条件下继续加热。当温度T1与温度T3之差超过规定范围ΔT(式2)时,控制部40指示加热部30在与以前不同的条件下进行加热。
|T1-T3|≤ΔT 式(1)
|T1-T3|>ΔT 式(2)
接着,参照图5和图6,对使用增材制造装置1得到增材制造体7的步骤进行说明。
<基材3的固定~预热工序>
首先,如图5(a)、(b)所示,操作者在工作台28的规定位置载置并固定基材3。
当基材3的固定结束时,操作者操作控制部40的操作盘,经由高频电源31和高频振荡器33使高频电流流过加热部30的高频线圈35。通过在基材3的表层部产生涡电流,基材3自发热。
在基材3的预热工序中,控制部40获得由第2温度传感器43测定的温度T3,将温度T3与设定温度Ts进行比较。控制部40在温度T3达到设定温度Ts之前维持最初的加热条件,但当温度T3达到设定温度Ts时,切换为将温度T3维持在设定温度Ts的加热条件。
在达到设定温度Ts后,在接下来的增材制造工序以及机械加工工序之间,根据上述的式(1)、(2)执行维持加热状态的控制。
<增材制造工序>
当基材3升温至设定温度时,如图6(a)所示,通过在从激光喷嘴24喷出原料粉末的同时进行加热熔融、凝固,在基材3上对增材制造体7进行造型。通过一边使激光喷嘴24移动一边进行增材制造,能够对所希望形状的增材制造体7进行造型。
<机械加工工序>
当得到所希望的增材制造体7时,使造型头23从工作区域后退,并且如图6(b)所示,使加工头25进入工作区域。接着,通过一边使加工头25移动一边使切削工具26旋转,将增材制造体7加工成所期望的形状。
<冷却工序>
当机械加工结束时,按照前述的步骤进行冷却工序。
当冷却工序开始时,停止向高频线圈35供给电流。或者,在欲设定冷却速度的情况下,也能够向高频线圈35供给必要的电流。
接着,基于具体的实施例和实验例对本发明进行说明。其中,对在实施例及实验例中共同的基材进行说明,然后依次说明各实施例及实验例。
[基材]
准备由具有下述组成(相当于JIS NCF718的材料,质量%)的Ni基合金构成的基材。该基材经固溶化热处理及时效处理(JIS G4901)而制作。
C:0.05%、Cr:19%、Ni:52.5%、Mo:3%、Nb:5%、Al:0.5%、Ti:0.8%、剩余部分:Fe和不可避免的杂质
[复合粉末]
接着,作为构成增材制造体7的原料粉末,准备以下的复合粉末A和复合粉末B。
复合粉末A:Co量为40质量%的WC-Co超硬合金
复合粉末A的制造方法:使用碳化钨粉末(平均粒径为0.8μm)和钴粉末(平均粒径为0.6μm),按照碳化钨粉末与钴粉末以重量比计达到6∶4的方式进行称量。然后,向称量的粉末中添加少量的碳粉末和石蜡,与乙醇一起投入磨碎机进行湿式混合,得到混合粉末的浆料。然后,利用喷雾干燥器对得到的混合粉末的浆料进行干燥造粒,得到平均粒径为80μm的造粒粉末。将该造粒粉末脱脂后在1260℃下进行热处理,得到复合粉末A。复合粉末A的熔点为约1320℃、被切削性指数为2~5左右。粉末的熔点根据材料组成的不同而不同,因此参考所报告的平衡状态图或基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram,相图热力学计算)法的热力学平衡计算及状态图计算而求出的计算状态图来确定。
复合粉末B:Ni量为65质量%的TiCN-Ni金属陶瓷合金粉末
复合粉末B的制造方法:使用碳氮化钛粉末(平均粒径为1.2μm)和镍粉(平均粒径为2.5μm),按照碳氮化钛粉末和镍粉以重量比计达到5∶5的方式进行称量。然后,向称量的粉末中添加少量的碳粉末和石蜡,与乙醇一起投入磨碎机进行湿式混合,得到混合粉末的浆料。然后,利用喷雾干燥器对得到的混合粉末的浆料进行干燥造粒,得到平均粒径为80μm的造粒粉末。将该造粒粉末脱脂后在1300℃下进行热处理,得到复合粉末B。复合粉末B的熔点为约1350℃、被切削性指数为2~5左右。
[第一实施例]
[预热工序、增材制造工序、机械加工工序]
使用以上的基材及复合粉末A,在以下所示的条件下实施预热工序、增材制造工序及机械加工工序。使用由使用了复合粉末A的增材制造体7A形成的试验片,使用陶瓷(SiAlON)、超硬合金及多晶金刚石(PCD:Polycrystalline diamond)这3种材质的切削工具进行了切削性的评价。切削工具为铣刀和立铣刀这2种。另外,超硬合金是在表面实施有由TiAlN构成的涂层(厚度:约3μm)的Co量为10质量%的WC-Co系超硬合金(烧结体)。另外,对于陶瓷(SiAlON),在后述的第2实施例中使用同样的材质。
铣刀工具使用正形状和负形状这2种。刀具安装后的轴向前角分别为+5°(正形状)和后者为-5°(负形状)。后角均为5°。若前角为正值,则存在切削加工时的刀刃的咬合性良好、切削阻力变小的倾向。但是,由于刀尖的厚度变小,因此缺损的风险提高。另一方面,若前角为负值,则虽然切削加工时的刀刃的咬合变差、切削阻力变大,但由于刀刃的厚度变大,因此即使受到切削负荷过大的影响,缺损的风险也降低。
将使用了铣刀的切削试验的结果示于表1,将使用了立铣刀的切削试验的结果示于表2。另外,图7表示经过了使用刀的切削试验的工具的损伤方式,图8表示经过了使用立铣刀的切削试验的工具的损伤方式。
*预热工序:
将100×100×10mm的Ni基合金制的基材通过高频感应加热分别加热至以下的预热温度
预热温度:800℃
关于预热温度,将通过辐射温度计测定基材侧面而得到的值维持为目标温度。
*增材制造工序:
层叠造型方式;定向能量堆积方式的激光熔融沉积
造型条件:以激光输出:1000~2000W、进给:100~1000mm/min、粉末进给气体量:4~12L/min、层叠间距为0.4~0.8mm进行造型,以每1层20道次、高度达到30mm的方式使材料附着,大致遍及40层左右地进行层叠。然后,得到30mm×30mm×30mm的增材制造体。
增材制造时的温度:维持预热工序的加热温度即以下温度
基材侧面的温度:800℃
*机械加工工序:以图2(b)的模式实施使用了铣刀(正面铣刀)和立铣刀的切削加工
(1)铣刀的切削条件
刀径:φ50mm
轴切入:0.3mm、径切入:30mm、切削距离:30mm
工具形状:负(轴方向前角为-5°)、正(轴方向前角为5°)
工具材料种类:SiAlON、超硬合金、PCD
切削速度:20m/min、30m/min、300m/min、800m/min
一刀刃进给:0.05mm/tooth
加工温度:维持预热工序的加热温度即以下温度区域或室温(R.T.)25℃
维持温度:100~200℃、500~600℃、700~800℃
(2)使用立铣刀的切削条件
工具径:φ12mm
轴切入:6mm、径切入:0.5mm、切削距离:30mm
工具材料种类:SiAlON、超硬合金
切削速度:30m/min、300m/min
加工温度:从预热工序的加热温度维持以下的温度区域或室温(R.T.)25℃
维持温度:100~200℃、500~600℃
[表1]
Figure BDA0002860214500000181
[表2]
Figure BDA0002860214500000191
如表1及图7所示,当对被切削材料进行加热时,工具的损伤幅度与未被加热时相比减少。工具的材质为陶瓷、加工为室温时的工具的损伤方式为缺损。与此相对,当对被切削材料进行加热时,损伤方式成为磨损,损伤幅度得到抑制。
如图7所示,当将被切削材料加热温度增大至500~600℃时,工具的损伤幅度变小,损伤方式也从缺损变为磨损方式,能够进行稳定的切削。认为这是由于,通过对被切削材料进行加热,被切削材料发生软化,施加在工具上的负荷减少。即,可以说通过伴随加热的切削而转移为稳定的工具磨损状态。另外,确认了在加热温度为500~600℃时,无论工具形状如何都能够得到良好的磨损方式。如比较例所示,室温下的切削由于工具早期缺损、破损,因此难以进行切削加工。超硬合金的被切削性指数极小,加热切削可有效地发挥功能。还确认了加热切削对除超硬合金以外的Ni基超合金(Alloy718)等的效果,确认到加热切削对在室温下难以切削的超硬合金之类的被切削材料特别有效。
在工具为立铣刀的情况下,如表2及图8所示,也确认到加热切削的效果。在与铣刀相比刀尖锐利的立铣刀中,也确认到通过对被切削材料进行加热,使损伤方式从崩裂转移为磨损方式。
[第2实施例]
使用以上的基材以及复合粉末A及复合粉末B,并在以下所示的条件下采用预热工序、增材制造工序以及机械加工工序,除此以外,与第1实施例同样地,使用了复合粉末A的增材制造体7A以及使用了复合粉末B的增材制造体7B也实现了基于以下条件的切削加工。
*预热工序:
通过高频感应加热将100×100×10mm的Ni基合金制的基材加热至700℃
*增材制造工序:
层叠造型方式;定向能量堆积方式的激光熔融沉积
造型条件:以激光输出:1000~2000W、进给:100~1000mm/min、粉末进给气体量:4~12L/min、层叠间距为0.4~0.8mm进行造型,以每1层20道次、高度达到10mm的方式使材料附着,大致遍及15层左右地进行层叠。然后,得到30mm×30mm×10mm的增材制造体。
增材制造时的温度:维持预热工序的加热温度即700℃
*机械加工工序:以图2(b)的模式实施使用了铣刀(正面铣刀)的切削加工
刀具直径:φ50mm、刀尖:SiAlON制
切削速度:1000m/min、进给为0.08mm/t
轴切入:0.5mm、径切入:30mm、切削距离:30mm
加工温度:维持预热工序的加热温度即700℃
[加热温度和硬度的评价]
接着,使用由如上得到的增材制造体7A得到的试验片(实施例)、改变了Co量的WC-Co系超硬合金(烧结体)和高速工具钢(JIS SKH51),测定加热温度与硬度的关系。使用株式会社三丰制的高温显微维氏硬度试验机(AVK-HF),将金刚石压头压入加热至各温度的试验片(载荷为30kgf),测定压痕的对角的长度,由此算出硬度。
将其结果示于图9(a)。其中,增材制造体7A在真空中、1200℃下进行保持2小时的热处理后进行测定。另外,在图9(a)中,5%Co~40%Co等是指Co量为5质量%~40质量%、剩余部分为WC的超硬合金。
如图9(a)所示,确认到高速工具钢的硬度从600℃左右急剧降低,与此相对,实施例在800℃下维持HRA40以上的硬度,具备与超硬合金(烧结体)同等的硬度。
另外,使用由增材制造体7A得到的试验片(实施例),测定在700℃(大气中)保持规定时间后的硬度的变动,评价软化阻力。将结果示于图9(b)。需要说明的是,为了进行比较,对热模具用钢(JIS SKD61、DAC10、DAC45)也进行同样的评价。其中,“DAC”是日立金属株式会社的注册商标。
如图9(b)所示,实施例为超硬合金时,与热模具用钢相比,显示极高的软化阻力。
[高温磨损试验的评价]
接着,对于由增材制造体7A得到的试验片(实施例7A),测定机械特性,并且进行高温磨损试验。对由增材制造体7B得到的试验片(实施例7B)也进行了高温磨损试验。增材制造体7B是在硬质相中含有TiCN、在结合相中含有65质量%Ni的金属陶瓷材料。
将机械特性的结果示于表3,将高温磨损试验的结果示于图10。需要说明的是,为了进行比较,对热模具用钢(JIS SKD61、SKD61+氮化、YXR33)、超硬合金(WC-40%Co烧结)也进行了同样的试验。其中,“YXR”是日立金属株式会社的注册商标。
试验条件如下所述,试验是将试验片按压在一边偏心一边旋转的圆筒状工件的外周。图10的横轴的滑动次数相当于工件的转速。
工件温度:900℃、试验片温度:25~100℃左右
工件外周的速度:30m/min、垂直载荷:250N
本实施例显示了与热模具用钢相比格外高的耐磨损性,具备与超硬合金(烧结体)同等的耐磨损性。
表3示出了通过层叠造型制作的超硬合金(实施例)和通过通常的烧结制作的超硬合金(烧结体)的强度测定结果。与烧结的超硬合金相比,通过层叠造型制作的超硬合金的抗弯强度降低,这是因为造型材料的碳化物的组织大。另一方面,在具有粗大的碳化物的情况下,发挥图10中记载的耐摩擦特性,适合于要求高耐磨损性的部位、用途。
[表3]
Figure BDA0002860214500000221
/>
造型后直接:层叠造型后的超硬合金直接热处理:将造型后的超硬合金在真空中、1200℃下保持2小时
[实验例1]
[利用切削工具进行的高温切削性评价]
接着,使用由增材制造体7A得到的试验片,使用陶瓷(SiAlON)和超硬合金这2种切削工具进行了切削性的评价。超硬合金使用在与第1实施例中使用的相同的表面实施有由TiAlN构成的涂层的超硬合金。对常温的试验片和加热至700℃的试验片分别进行该评价。将结果示于表4。
首先,无论切削工具是陶瓷以及实施了TiAlN涂层的超硬合金中的哪一种,只要试验片被加热就能够进行切削。特别是在切削工具由陶瓷构成的情况下,实现了1000m/min这样快速的切削速度下的切削。
[表4]
Figure BDA0002860214500000222
切削工具:陶瓷…SiAlON
超硬合金…WC-Co超硬合金(Co:10质量%)
被切削材料:第1实施例(WC-Co超硬合金(Co:40质量%))
切削状况:◎能够进行高效能切削,正常的工具磨损
Δ能进行切削,磨损进展速度快
×工具缺损,无法维持切削状态
[实验例2]
在增材制造体较大的情况下,难以通过高频感应加热而达到均匀温度,虽然接近线圈的部分被加热变红,但将增材制造体整体加热需要时间。因此,为了进行增材制造和切削加工时的加工点附近的温度控制,除了第1实施例和第2实施例中使用的高频感应加热器以外,还附设有利用半导体激光的加热机构。除此以外,与第1实施例相同。
当仅利用高频感应加热器使由增材制造体7A得到的试验片升温时,在高频感应加热器的设定温度为800℃时,增材制造体7A的侧面在大约5分钟以内达到800℃,但增材制造体7A的上表面中心部附近为650℃左右。与此相对,在相同尺寸的增材制造体7A的上表面中心部附近应用利用半导体激光进行的加热,结果确认到在约10分钟升温至800℃,确认到更均匀的状态下的预热造型及加热切削的环境得以实现。
符号说明
1 增材制造装置
2 基材
5 原料粉末
7 增材制造体
10 壳体
11 门
20 工作部(造型部、加工部)
21 主轴
23 造型头
24 激光喷嘴
25 加工头
26 切削工具
28 工作台
30 加热部
31 高频电源
33 高频振荡器
35 高频线圈
36 冷却器
37 调温器
40 控制部
41 第1温度传感器
43 第2温度传感器

Claims (7)

1.一种增材制造体的制造方法,其特征在于,具有:在加热状态下对由难切削材料构成的增材制造体进行造型的增材制造工序;及在维持所述加热状态的情况下对所述增材制造体进行加工的机械加工工序,所述机械加工工序包含利用陶瓷制的工具进行的加工,所述难切削材料为超硬合金、金属陶瓷、高硬度材料或超合金,所述高硬度材料是超过50HRC的Fe基的材料,当将构成所述增材制造体的材料的熔点设为以℃为单位的Mp时,所述加热状态具有1/6Mp以上且5/6Mp以下的温度。
2.根据权利要求1所述的增材制造体的制造方法,其中,反复进行多次所述增材制造工序和所述机械加工工序,在反复进行多次的所述增材制造工序和所述机械加工工序中,维持所述加热状态。
3.根据权利要求1或2所述的增材制造体的制造方法,其中,在所述增材制造工序之前,具有将待造型为所述增材制造体的基材加热至所述加热状态的预热工序。
4.根据权利要求1或2所述的增材制造体的制造方法,其中,所述加热状态通过高频感应加热和半导体激光中的一者或二者实现。
5.根据权利要求1或2所述的增材制造体的制造方法,其中,所述增材制造工序中,通过将连续或断续地供给的原料粉末熔融、凝固来造型为所述增材制造体。
6.一种增材制造体的制造装置,其特征在于,具备:造型部,对由难切削材料构成的增材制造体进行造型;加工部,对所述增材制造体进行机械加工,所述机械加工包含利用陶瓷制的工具进行的加工;及加热部,在利用所述造型部进行的至少所述增材制造体的造型的过程以及利用所述加工部进行的机械加工的过程中,以具有1/6Mp以上且5/6Mp以下的温度的方式对所述增材制造体进行加热,其中,所述难切削材料为超硬合金、金属陶瓷、高硬度材料或超合金,所述高硬度材料是超过50HRC的Fe基的材料,所述Mp是构成所述增材制造体的材料的以℃为单位的熔点。
7.根据权利要求6所述的增材制造体的制造装置,其中,所述加热部通过高频感应加热和半导体激光中的一者或二者对所述增材制造体进行加热。
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