CN112916871A - 一种金属喷射沉积切削复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属喷射沉积切削复合成形方法，该方法包括如下步骤：首先进行零件模型获取和数据处理；然后按照设定的工艺参数，将金属在保护气氛中气雾化为均匀熔体液滴，通过集束导流装置后形成所需的沉积截面，随后沉积在温度可控的成形基板上，形成所需成形件近净轮廓；待完成第N+1层成形前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作直至成形件成形完成；最后进行零件后处理。本发明可解决传统金属喷射沉积成形工艺沉积区域发散，仅可制备坯料等问题，同时可成形具有较低表面粗糙度内腔结构的金属件，无需增加和去除支撑。

Description

一种金属喷射沉积切削复合成形方法

技术领域

本发明涉及一种金属直接增材制造复合成形方法，属于金属增材制造的技术领域。

背景技术

喷射成形的原理是将熔融金属或者合金在惰性气氛中雾化为细小液态熔体射流，随后直接喷射于较冷的衬底表面上，雾化液滴经历表面附着、堆积、铺展、融合、固结而形成所需沉积坯件，雾化金属在极短时间内发生金属熔融、雾化、喷射、沉积、沉积体凝固等5个阶段的过程。喷射成形技术主要用于制备金属坯料，有效减轻了材料的偏析和氧化程度，制备的合金性能优于铸造等快速凝固方法制备的材料性能。但是喷射成形技术的缺点在于熔融金属被雾化后从喷嘴处喷出后形状较发散，无法根据成形件的需要对喷射金属的截面形状进行可控调节，且喷射成形技术基本用于制备金属坯料，所需成形零部件需要进行机加工处理后才能形成所需形状尺寸，成形周期较长。

金属喷射沉积切削复合成形方法属于金属直接增材制造技术领域中的一种成形方法，其主要包括金属熔化、雾化、集束导流、喷射、沉积、切削等工艺过程。原理是将熔融金属或者合金在惰性气氛或者保护气氛中气雾化为细小的固态、半固态或液态均匀熔体液滴，被雾化发散的金属液滴通过集束导流装置后被集束为成形所需的截面形状，随后金属被喷射沉积在温度可控可调节的成形基板上，进行快速的温度交换后形成所需成形件近净轮廓，待成形件完成第N+1层前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成。

金属喷射沉积切削复合成形方法作为金属直接增材制造体系的一部分，其较传统金属喷射成形技术相比优点在于，不需要等待合金制坯结束即可对成形件进行随形加工成形，使喷射成形金属件具备了成形精度；设置集束导流装置对雾化金属进行“控形”操作，可将雾化金属喷射截面形状控形为成形件所需的截面形状，有效减少雾化金属的发散使其聚集，提高了金属件成形精度；待完成第N+1层成形前，同工位随形切削机构即对第N层已成形金属进行近净轮廓切削加工，显著缩短了成形周期；成形基板温度可根据成形材料种类和成形件结构尺寸的差异进行不同温度的设置和调节，保证了成形件内部组织的质量稳定。

发明内容

为了解决传统金属喷射成形技术成形周期较长、材料利用率不高、雾化金属较发散和成形过程质量不稳定等问题，本发明的目的在于提供一种金属喷射沉积切削复合成形方法，该方法同时可成形具有较低表面粗糙度内腔的金属件，无需增加和去除支撑。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，模型获取：采用三维建模软件或对实体进行扫描，获得拟成形的零件模型；

步骤二，数据处理：将步骤一获得的模型零件转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的分层数据格式；

步骤三，金属喷射沉积成形准备：包括原材料、喷头、加热熔融装置和集束导流装置以及设备初始状态检查的准备；

步骤四，金属喷射沉积切削复合成形过程：将被成形金属加热至熔融状态，按照设定的工艺参数，将熔融金属在保护气氛中气雾化为细小的固态、半固态或液态均匀熔体液滴，被雾化发散的金属液滴通过集束导流装置后被集束为成形所需的截面形状，随后按照设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积在温度可控可调节的成形基板上，进行快速凝固形成所需成形件近净轮廓，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层，金属被喷射沉积待成形件完成第N+1层前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成；

步骤五，成形件后处理：成形后的零件经过热处理或等静压处理。

进一步地，步骤一中，所述模型获取是指通过三维建模软件或对实体进行扫描等方式获得零件模型，模型零件应该能转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的数据格式，数据格式为PRT、AMF、3MF、STL、X-T、OBJ等其中一种。

进一步地，步骤二中，所述数据处理指根据成形零件的复杂程度设定零件成形方向，将设计完成的模型在金属喷射沉积切削复合成形软件下转换为设备可识别的成形G代码。

进一步地，步骤三中，所述原材料形态不受限制，可以为块状、棒状、粉状等。

进一步地，步骤三中，将上述原材料和喷头用超声波清洗至表面无油污和杂质后进行热风烘干，烘干温度≥100℃，烘干时间为≥10min。

进一步地，步骤三中，所述设备初始状态检查包括运动系统、集束导流装置、气氛保护系统压力表指针是否处于初始位置和装置气密性检查。

进一步地，步骤四中，所述喷射沉积成形参数主要包括：熔融温度、熔融时间、成形基板温度、气雾化压力、液体喷射压力和喷嘴距离基板高度等。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果

1.成形具有较低表面粗糙度内腔的金属件时，传统增材制造方法在成形时采用增加支撑的方法进行，成形结束去除支撑后内腔表面粗糙度仍然较高，技术改进为：喷射成形第N+1层具有内腔的金属件前，设置同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成。

2.传统的金属喷射沉积方法无法直接成形金属近净轮廓，需先沉积成形坯料后再进行机加工；同时材料利用率不高和雾化金属较发散，技术改进为：设置集束导流装置，对雾化的金属进行集束导流，将发散的雾化金属进行集束，形成所需成形件的近净轮廓。且集束导流装置可根据成形件的形状被集束为不同的尺寸形状。

3.为保证成形过程的质量稳定性，技术改进为：成形基板温度可根据成形材料种类和成形件结构尺寸的不同进行不同温度的设置和调节，保证成形件内部组织的质量稳定。

附图说明

图1为一种金属喷射沉积切削复合成形方法流程图；

图2为典型成形件1成形示意图；

图3为典型成形件2成形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下将通过实施例结合附图对本发明的内容做进一步的详细说明。显然，本发明所提出的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。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的前提下所得到的所有其他方式的实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图2所示，典型成形件为无复杂内腔的金属件，外轮廓清晰。本发明提供了一种金属喷射沉积切削复合成形方法。包括以下步骤：

1、模型设计：采用三维建模软件进行实体建模，获得成形零件的三维模型；

2、数据处理：将步骤一获得的模型零件转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的数据格式，如STL格式。根据成形零件的复杂程度设定成形方向，并将设计完成的模型在金属喷射沉积切削复合成形软件下转换为设备可识别的成形G代码。

3、金属喷射沉积成形准备：

在此步骤中，包括原材料、喷头、加热熔融装置和集束导流装置以及设备初始状态检查的准备。其中原材料形态不受限制，本实施例中选用块状原材料进行；将上述原材料和喷头用超声波清洗至表面无油污和杂质后进行热风烘干，烘干温度选取100℃，烘干时间选取10min；进行运动系统、集束导流装置、气氛保护系统压力表指针初始位置和装置气密性检查。

4、金属喷射沉积切削复合成形过程：

在此步骤中，首先根据零件性能要求设定熔融温度、熔融时间、成形基板温度、气雾化压力、液体喷射压力和喷嘴距离基板高度等喷射沉积成形工艺参数；然后将上述准备好的块状金属原材料加热至熔融状态，熔融金属在氮气保护气氛中被气雾化为细小的液态均匀熔体液滴，被雾化发散的金属液滴通过集束导流装置后被集束为成形所需的截面形状，随后按照设定路径移动基板，将金属液逐层喷射沉积在温度可控可调节的成形基板上，进行快速凝固形成所需成形件近净轮廓，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层，金属被喷射沉积待成形件完成第N+1层前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成。

5、成形件后处理：成形后的零件经过热处理或等静压处理。

实施例2：

如图3所示，典型成形件为具有复杂内腔且内壁粗糙度要求较低的金属件，传统的增材制造工艺采用内部加支撑的方法进行，后续去除支撑后，内壁的粗糙度无法满足使用要求。本发明提供了一种金属喷射沉积切削复合成形方法，包括以下步骤：

1、模型设计：采用三维建模软件进行实体建模，获得成形零件的三维模型；

2、数据处理：将步骤一获得的模型零件转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的数据格式，如STL格式。根据成形零件的复杂程度设定成形方向，并将设计完成的模型在金属喷射沉积切削复合成形软件下转换为设备可识别的成形G代码。确定喷射成形路径。

3、金属喷射沉积成形准备：

在此步骤中，包括原材料、喷头、加热熔融装置和集束导流装置以及设备初始状态检查的准备。其中原材料形态不受限制，本实施例中选用棒状原材料进行；将上述原材料和喷头用超声波清洗至表面无油污和杂质后进行热风烘干，烘干温度选取100℃，烘干时间选取10min；进行运动系统、集束导流装置、气氛保护系统压力表指针初始位置和装置气密性检查。

4、金属喷射沉积切削复合成形过程：

在此步骤中，首先根据零件性能要求设定熔融温度、熔融时间、成形基板温度、气雾化压力、液体喷射压力和喷嘴距离基板高度等喷射沉积成形工艺参数；然后将上述准备好的块状金属原材料加热至熔融状态，熔融金属在氩气惰性气氛中被气雾化为细小的液态均匀熔体液滴，被雾化发散的金属液滴通过集束导流装置后被集束为成形所需的截面形状，随后按照设定路径移动金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积在温度可控可调节的成形基板上，进行快速凝固形成所需成形件近净轮廓，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层，金属被喷射沉积待成形件完成第N+1层前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成。

5、成形件后处理：成形后的零件经过热处理或等静压处理。

以上所述仅为本发明专利的优选实施例而已，并不用于限制本发明专利，对于本领域的技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，模型获取：采用三维建模软件或对实体进行扫描，获得拟成形的零件模型；

步骤二，数据处理：将步骤一获得的模型零件转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的分层数据格式；

步骤三，金属喷射沉积成形准备：包括原材料、喷头、加热熔融装置和集束导流装置以及设备初始状态检查的准备；

步骤四，金属喷射沉积切削复合成形过程：将被成形金属加热至熔融状态，按照设定的工艺参数，将熔融金属在保护气氛中气雾化为细小的固态、半固态或液态均匀熔体液滴，被雾化发散的金属液滴通过集束导流装置后被集束为成形所需的截面形状，随后按照设定路径移动基板或金属液喷头，将金属液逐层喷射沉积在温度可控可调节的成形基板上，进行快速凝固形成所需成形件近净轮廓，并且每喷射完一层沉积层，基板下降一层，金属被喷射沉积待成形件完成第N+1层前，同工位随形切削机构对第N层已成形金属近净轮廓进行切削加工，循环操作，直至成形件成形完成；

步骤五，成形件后处理：成形后的零件经过热处理或等静压处理。

2.根据权利要求1中所述的一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，

步骤一中，所述模型获取是指通过三维建模软件或对实体进行扫描等方式获得零件模型，模型零件应该能转换为金属喷射沉积切削复合成形软件可识别的数据格式，数据格式为PRT、AMF、3MF、STL、X-T、OBJ等其中一种。

3.根据权利要求1中所述的一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，

步骤二中，所述数据处理指根据成形零件的复杂程度设定零件成形方向，将设计完成的模型在金属喷射沉积切削复合成形软件下转换为设备可识别的成形G代码。

4.根据权利要求1中所述的一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，

步骤三中，所述原材料形态不受限制，可以为块状、棒状、粉状等；

进一步地，将上述原材料和喷头用超声波清洗至表面无油污和杂质后进行热风烘干，烘干温度≥100℃，烘干时间为≥10min；

所述设备初始状态检查包括运动系统、集束导流装置、气氛保护系统压力表指针是否处于初始位置和装置气密性检查。

5.根据权利要求1中所述的一种金属喷射沉积切削复合成形方法，其特征在于，步骤四中，

所述喷射沉积成形参数主要包括：熔融温度、熔融时间、成形基板温度、气雾化压力、液体喷射压力和喷嘴距离基板高度等。

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