CN112439904A - 一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法，增材制造设备包括数控滑轨、一体化打印头；一体化打印头包括金属丝盘、送丝装置、金属丝熔覆焊枪、轧制/搅拌部件；轧制/搅拌部件包括旋转主轴、连接件、搅拌加工头、轧辊，旋转主轴上端部固定安装在所述数控滑轨上，输出端与连接件的第一端固定连接；连接件第二端可拆卸连接搅拌加工头或轧辊。本发明在基于熔覆的增材制造技术中同时引入轧制加工、搅拌加工等热机械加工方式，即熔覆/轧制或搅拌加工两种方式的增材制造技术，且可方便地切换。这种方法具有效率高、性能好、成本低等优点，具有工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别是涉及一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法。
背景技术
目前常用的金属增材制造方法主要有采用激光、电子束等热源，以粉末、丝材等为原材料，通过送丝、送粉或铺粉的方法来成形钛合金等金属零件，例如选区激光熔化(SLM)、电子束选区熔化(SES)、电子束烧结成型(EBF)等，均是以金属熔覆过程为主的增材制造方法。为了实现钛合金的熔化，除了可以采用激光、电子束等方法熔化金属，还可以采用真空电弧自耗熔炼、电渣重熔、电子束熔炼、等离子熔炼、真空感应熔炼等方法。但是基于熔覆的增材制造技术制造的零件有以下不足：一是制造零件具有铸态组织，力学性能差，不能根据零部件适用场合获得不同的组织状态，满足零部件在多种适用场合对力学性能的具体要求，特别是不能用于制造飞机框体、起落架和发动机的转子等关键部件，适用范围受限。二是以金属熔覆为基础的增材制造方法，大部分采用高能束为热源，增材制造设备成本高昂，设备尺寸大，成形效率也不高。
为了解决现有基于熔覆增材制造技术存在的问题，提高增材制造方式生产的零部件的力学性能，减少引入杂质，提高复杂结构零部件产品的生产能力，同时能降低成本并提高效率，发明人提出一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法，在基于熔覆增材制造技术中同时引入轧制加工、搅拌加工等热机械加工方式，这种方法具有效率高、性能好、成本低等优点，具有工业化应用前景。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明提供了一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法，在基于熔覆增材制造技术中同时引入轧制加工、搅拌加工等热机械加工方式，有效解决现有熔覆增材制造技术产出的零部件存在的力学性能差、引入杂质多，难以成形出具有复杂形状的结构件和生产成本高、效率低的问题。
(2)技术方案
第一方面，本发明提出了一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，包括数控滑轨、一体化打印头；所述一体化打印头包括金属丝盘、送丝装置、金属丝熔覆焊枪、轧制/搅拌部件；所述一体化打印头下方固定放置预制坯；所述金属丝熔覆焊枪、轧制/搅拌部件的上端部分别固定在所述数控滑轨上，下端部位于所述预制坯的上方；所述金属丝熔覆焊枪下端为熔覆部，所述金属丝熔覆焊枪通过数控程序按照预定运行轨迹将金属丝熔覆在所述预制坯表面；所述金属丝盘通过所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪下端的熔覆部。因金属丝熔覆焊枪、轧制/搅拌部件的上端为同一个数控滑轨，因此两者运动轨迹同步。
进一步地，轧制/搅拌部件包括旋转主轴、连接件、搅拌加工头、轧辊，所述旋转主轴上端部固定安装在所述数控滑轨上，输出端与所述连接件的第一端固定连接；所述连接件第二端可拆卸连接所述搅拌加工头或轧辊，所述搅拌加工头部和轧辊最低点均位于所述预制坯的上表面。
进一步地，所述连接件为柱体，上端部可拆卸固定在所述旋转主轴上；下端面设有固定卡槽，用以固定搅拌加工头，所述固定卡槽两侧还相对开有2个卡孔，用以固定轧辊支撑架。
进一步地，所述连接件上的固定卡槽是内螺纹孔，所述固定搅拌加工头的上端部相对设有外螺纹，所述搅拌加工头的端部位于所述预制坯的上表面以上。
进一步地，所述连接件的第二端可拆卸安装一对所述轧辊支撑架，所述轧辊通过轧辊支撑架安装固定；所述轧辊支撑架相对安装在所述连接件端部；所述轧辊下端面位于所述预制坯的上表面以上。
进一步地，所述金属丝熔覆焊枪为氩弧焊枪或等离子焊枪。
进一步地，钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备置于真空室或手套箱中。
进一步地，所述搅拌加工口的端面切面为圆形、三角形、多边形、齿轮型的一种，也可设有不同高度和不同数量的凹槽、凸起，用于提高局部塑性变形量，所述凹槽形状、凸起形状是各种适用的形状和分布形式。
第二方面，提供了一种采用第一方面的增材制造设备制备钛合金结构件的轧制增材制造方法，该方法包括：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱中；替换并确认将轧辊安装在所述旋转主轴的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序；
3)通过所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪的下方；
4)所述金属丝熔覆焊枪将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯上；
5)采用轧辊对预制坯进行轧制加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、轧制加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯进行数控加工，制备出零件。
第三方面，提供了一种采用第一方面的增材制造设备制备钛合金结构件的搅拌增材制造方法，该方法包括：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱中；替换并确认将搅拌加工头安装在所述旋转主轴的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序，
3)所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪的下方；
4)所述金属丝熔覆焊枪将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯上；
5)转动所述旋转主轴带动所述搅拌加工头对预制坯进行轧制加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、轧制加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯进行数控加工，制备出零件。
(3)有益效果
本发明提供的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法具有以下优点：
1、制备的零件具有良好的性能。熔滴铺覆后的金属材料很快进行了热轧制加工，从而可以通过调整热轧制加工变形量来获得所需要的组织状态和使用性能；还可以通过调整工艺参数，来调控零件不同位置金属的微观组织，从而获得双性能零件；也可以采用一种丝熔滴涂覆+热轧制后，继续对另一种丝进行熔滴涂覆+热轧制，从而一次成型制备出双材料或多材料的零部件。与传统的快速成形相比较，因为铺覆的金属经过液态凝固后立刻进行热机械加工，层间结合紧密，组织致密；采用的熔丝方法是逐层凝固，厚度可以控制，使得高合金成分的合金在凝固时产生的偏析得到很好的控制，成份均匀性好。
2、制备周期短、效率高、成本低。与铸造后进行轧制或锻造，以及采用工艺路线复杂的粉末法相比较，在一个概念验证装置中，一个工艺循环中同时实现了铸造+热机械加工，因此效率较高；与传统的锻造工艺相比较，该工艺不需要大型的锻压设备；材料利用率高，可以实现近净成形，且可以方便地实现对零件的修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备采用熔覆-轧制加工工艺的结构示意图；
图2是一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备采用熔覆-搅拌加工工艺的结构示意图；
图3是图2所示的一种轧制/搅拌部件的结构示意图；
图4是图1所示的一种轧制/搅拌部件的结构示意图。
图中：
1-金属丝盘；2-送丝装置；3-预制坯；4-等离子焊枪；5-旋转主轴；6-轧辊；7-搅拌加工头；8-轧制/搅拌部件；9-连接件；10-轧辊支撑架；11-内螺纹孔；12-数控滑轨；13-真空室(手套箱)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
图1是本发明实施例的一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备采用熔覆-轧制加工工艺的结构示意图；图2是一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备采用熔覆-搅拌加工工艺的结构示意图；图3是图2所示的一种轧制/搅拌部件的结构示意图；图4是图1所示的一种轧制/搅拌部件的结构示意图。如图1-4所示，该设备包括数控滑轨12、一体化打印头；一体化打印头包括金属丝盘1、送丝装置2、等离子焊枪4、轧制/搅拌部件8；所述一体化打印头下方固定放置预制坯3；所述等离子焊枪4、轧制/搅拌部件8的上端部分别固定在所述数控滑轨12上，下端部位于所述预制坯3的上方；所述等离子焊枪4下端为熔覆部，通过数控程序按照预定运行轨迹将金属丝熔覆在所述预制坯3表面；所述金属丝盘1通过所述送丝装置2将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪下端的熔覆部。因等离子焊枪4、轧制/搅拌部件8的上端为同一个数控滑轨(附图中未画出)，因此两者运动轨迹同步。
轧制/搅拌部件8包括旋转主轴5、连接件9、搅拌加工头7、轧辊6，所述旋转主轴5上端部固定安装在所述数控滑轨12上，输出端与所述连接件9的第一端固定连接；所述连接件9为柱体，上端部可拆卸固定在所述旋转主轴5上；下端面设有内螺纹孔11，用以固定搅拌加工头7，所述固定搅拌加工头7的上端部相对设有外螺纹，所述内螺纹孔11两侧还相对开有2个卡孔，用以固定安装轧辊支撑架。所述连接件9的第二端可拆卸安装一对所述轧辊支撑架10，所述轧辊通过轧辊支撑架10安装固定；所述搅拌加工头7的下端和轧辊8最低点均位于所述预制坯3的上表面。
实施例2
适用于本实施例1的增材制造设备制备钛合金结构件的轧制增材制造方法，包括以下步骤：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱13中；替换并确认将轧辊6安装在所述旋转主轴5的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序；
3)通过所述送丝装置2将金属丝送至所述等离子焊枪4的下方；
4)所述等离子焊枪4将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯3上；
5)采用轧辊6对预制坯3进行轧制加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、轧制加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯3进行数控加工，制备出零件。
实施例3
适用于本实施例1的增材制造设备制备钛合金结构件的搅拌增材制造方法，包括以下步骤：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱13中；替换并确认将搅拌加工头7安装在所述旋转主轴5的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序；
3)所述送丝装置2将金属丝送至所述等离子焊枪4的下方；
4)所述等离子焊枪4将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯3上；
5)转动所述旋转主轴5带动所述搅拌加工头7对预制坯3进行搅拌加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、搅拌加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯3进行数控加工，制备出零件。
本发明通过采用设计一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备及方法，在基于熔覆的增材制造技术中同时引入轧制加工、搅拌加工等热机械加工方式，既熔覆/轧制或搅拌加工两种方式的增材制造技术，两种方式的加工头不同，但可以实现方便地切换。采用电弧或等离子弧的方法对丝材或带材进行熔覆，按照轨迹铺覆到预制坯上，然后对金属立刻进行轧制变形或搅拌加工，从而按照轨迹逐层逐行制造出钛合金结构件。这种方法具有效率高、性能好、成本低等优点，具有工业化应用前景。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，包括数控滑轨，其特征在于，还包括一体化打印头；所述一体化打印头包括金属丝盘、送丝装置、金属丝熔覆焊枪和轧制/搅拌部件；所述一体化打印头下方固定放置预制坯；所述金属丝熔覆焊枪、轧制/搅拌部件的上端部分别固定在所述数控滑轨上，下端部位于所述预制坯的上方；所述金属丝熔覆焊枪下端为熔覆部，所述金属丝熔覆焊枪通过数控程序按照预定运行轨迹将金属丝熔覆在所述预制坯表面；所述金属丝盘通过所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪下端的熔覆部。
2.根据权利要求1所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述轧制/搅拌部件包括旋转主轴、连接件、搅拌加工头、轧辊，所述旋转主轴上端部固定安装在所述数控滑轨上，输出端与所述连接件的第一端固定连接；所述连接件第二端可拆卸连接所述搅拌加工头或轧辊。
3.根据权利要求2所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述连接件为柱体，上端部可拆卸固定在所述旋转主轴上；下端面设有固定卡槽，用以固定搅拌加工头，所述固定卡槽两侧还相对开有2个卡孔，用以固定轧辊支撑架。
4.根据权利要求3所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述连接件上的固定卡槽是内螺纹孔，所述固定搅拌加工头的上端部相对设有外螺纹，所述搅拌加工头的端部位于所述预制坯的上表面以上。
5.根据权利要求4所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述搅拌加工口的端面切面为圆形、三角形、多边形、齿轮型的一种，也可设有不同高度和不同数量的凹槽、凸起，用于提高局部塑性变形量，所述凹槽形状、凸起形状是各种适用的形状和分布形式。
6.根据权利要求2所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述连接件的第二端可拆卸安装一对所述轧辊支撑架，所述轧辊通过轧辊支撑架安装固定；所述轧辊支撑架相对安装在所述连接件端部；所述轧辊下端面位于所述预制坯的上表面以上。
7.根据权利要求1-6任一所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，所述金属丝熔覆焊枪为氩弧焊枪或等离子焊枪。
8.根据权利要求7所述的钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备，其特征在于，钛合金结构件的搅拌轧制复合增材制造设备置于真空室或手套箱中。
9.一种钛合金结构件的轧制增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-6、8任一项所述的增材制造设备，所述方法包括：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱中；替换并确认将轧辊安装在所述旋转主轴的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序；
3)通过所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪的下方；
4)所述金属丝熔覆焊枪将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯上；
5)采用轧辊对预制坯进行轧制加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、轧制加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯进行数控加工，制备出零件。
10.一种钛合金结构件的搅拌增材制造方法，其特征在于，采用如权利要求1-6，8任一项所述的增材制造设备，所述方法包括：
1)将增材制造设备置于真空室或手套箱中；替换并确认将搅拌加工头安装在所述旋转主轴的输出端上；
2)根据成形零件的外形，对零件进行分层，设计轨迹，形成控制程序；
3)所述送丝装置将金属丝送至所述金属丝熔覆焊枪的下方；
4)所述金属丝熔覆焊枪将金属丝熔覆后铺覆到所述预制坯上；
5)转动所述旋转主轴带动所述搅拌加工头对预制坯进行搅拌加工；
6)所述一体化打印头按照轨迹进行铺覆金属、搅拌加工，从而逐层逐行制备出高性能的结构件；
7)对打印成形的预制坯进行数控加工，制备出零件。
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