CN113145861A - 一种金属构件增材制造同步锤击形性控制装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属构件增材制造同步锤击形性控制装置与方法，所述的装置包括控制装置、增材沉积装置、同步锤击装置、夹持装置和运动装置，其特征在于，同步锤击装置通过夹持装置安装在同步锤击运动装置上与增材沉积头保持同步锤击运动；所述的方法，其特征在于，同步锤击运动装置上与增材沉积头保持同步锤击运动。本发明装置与方法的有益效果在于，可显著细化增材制造金属构件的凝固组织，可显著改善增材制造金属构件的气孔和裂纹缺陷，可显著消除增材制造技术构件的残余应力，可以控制增材制造金属构件成形过程中发生的变形，可以提高增材制造金属构件的致密度，无污染，工艺使用范围广。

Description

一种金属构件增材制造同步锤击形性控制装置与方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种增材制造金属构件形性控制装置及方法。
背景技术
增材制造技术是一种逐层堆积材料的数字化制造技术，目前制约增材制造金属构件技术发展的一方面主要原因是增材制造金属构件的晶粒生长具有明显的方向性，导致金属构件各向异性；增材制造金属构件显微组织粗大，降低金属构件的力学性能；增材制造过程是层间累积过程，会产生气孔、裂纹、未熔合等显微组织缺陷，降低金属构件疲劳性能。
目前针对于增材制造金属构件有效改善组织形貌、提高力学性能和减少组织缺陷的主要技术和方法包括层间滚压轧制、层间锤击强化等。
层间滚压轧制技术分为两种方式：原位热轧与冷轧分步。冷轧分步技术由国外的克兰菲尔德大学Colegrove团队提出，利用电弧成形沉积层，等待沉积层温度冷却至50℃时，利用高压力轧辊对沉积层进行轧制(详见美国专利 US2005/0173380 A1)。原位热轧技术由国内的华中科技大学张海鸥团队提出，利用小型轧辊配合电弧增材技术进行原位滚压轧制，由于轧制时沉积层具有较高温度，所需变形压力为冷轧分步压力的1/10，晶粒细化效果明显(详见中国专利CN 101817121 A、CN 110076566 A)，但是层间轧制所需要的变形压力大，实现轧制功能的设备尺寸大，轧制过程中轧辊只能对沉积层施加一次轧制。
层间锤击强化利用锤锻设备对增材制造金属表面施加动压力，目前有关层间锤击强化应用在增材制造工艺中(详见中国专利CN 206997778 U、CN 107297504 A、CN109304465 A)虽然可以释放残余应力、减少组织缺陷，但是由于锤击设备固定不能根据增材沉积头的运动轨迹而相对移动进行同步锤击，不能对形状复杂的增材金属构件进行锤击强化，移动沉积头进行沉积时不能保证锤击点位与沉积头的相对位置不变保证均匀锤击，不能在激光沉积头附近同步锤击利用同步热变形细化晶粒，不能改变锤击方式为倾斜锤击、旋转锤击，机械零件易磨损不能快速更换锤击头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造金属构件形性控制装置及方法；
本发明采用的技术方案是：
一种增材制造金属构件形性控制装置，其包括：增材沉积热源、增材送料装置、增材金属材料、控制系统装置、增材沉积头、将所述增材沉积头和增材送料装置相连的增材保护气罐、增材沉积头夹具、增材沉积试验台和成形基板、增材沉积头运动设备；
包括同步锤击装置通过夹持装置安装在同步锤击运动装置上与增材沉积头保持同步锤击运动；
同步锤击装置结构包括同步锤击快换头、同步锤击导向装置、同步锤击回弹装置、下限位块、同步锤击动力源、上限位块，其中同步锤击动力源产生高频机械锤击振动，锤击力通过同步锤击快换头传递到沉积层表面；同步锤击导向装置减少同步锤击头左右晃动保证锤击稳定性；同步锤击回弹装置将同步锤击快换头回弹避免与沉积层干涉，所述的同步锤击装置包含的同步锤击动力源产生高频锤击方式包括电机带动曲柄滑块机构、电机带动涡轮蜗杆机构等方式，所述的同步锤击装置包含的同步锤击头截面形状为圆形、矩形、椭圆形或多边形，或者将上述图形的棱角变为圆角所构成的图形等形状，所述的同步锤击装置包含的同步锤击头整体形状为竖直或弯曲等形状，所述的同步锤击运动装置包括机床、机械手等运动装置。
作为本发明所述的增材制造金属构件形性控制装置的一种优选方案，其中：所述的增材沉积热源包括激光、电弧、等离子、电子束或为其中多种热源复合。
作为本发明所述的增材制造金属构件形性控制装置的一种优选方案，其中：所述的增材金属材料包括丝材、粉末等金属材料。
作为本发明所述的增材制造金属构件形性控制装置的一种优选方案，其中：同步锤击动力源下方设有限位挡块、上方设有限位挡块，限位块将同步锤击动力源紧固锁死在夹持装置上。
作为本发明所述的增材制造金属构件形性控制装置的一种优选方案，其中：同步锤击装置、夹持装置、同步锤击运动设备通过螺杆连接。
一种金属构件增材制造同步锤击形性控制方法，其包括如下步骤：
步骤一：对沉积基板进行预处理，打磨清洗后，装夹在工作台上，将沉积金属材料装填入送料装置中；
步骤二：打开增材制造同步锤击系统控制器，移动增材沉积头运动设备将增材沉积头移动至沉积位置起点处，然后移动同步锤击机构运动设备将同步锤击设备至增材沉积头后方，输入预设的程序控制增材沉积头与同步锤击设备的运动；
步骤三：设置增材制造装置与同步锤击装置参数；
步骤四：打开增材沉积热源且移动增材沉积头开始增材制造，同时同步锤击设备跟随增材沉积头的轨迹开始移动；
步骤五：当同步锤击快换头移动至沉积位置起点处，开启同步锤击动力源，进行同步锤击；
步骤六：当沉积第一层结束时关闭增材制造热源，同时继续移动增材沉积头至安全位置，同步锤击设备继续沿增材沉积头轨迹运动直到沉积第一层结束位置处，关闭同步锤击动力源；
步骤七：首先停止同步锤击设备的运动，然后停止增材沉积头的运动；
步骤八：将增材沉积头与同步锤击设备分别移动至下一层成形准备位置处，等待开始命令；如此反复直至程序运行结束后，关闭增材沉积过程中的设备，最终实现组织性能良好的金属增材构件的制备。
作为本发明所述的金属构件增材制造同步锤击形性控制方法的一种优选方案：同步锤击设备的锤击方式包括垂直锤击、倾斜锤击、旋转锤击等方式。
作为本发明所述的金属构件增材制造同步锤击形性控制方法的一种优选方案：工艺参数为同步锤击设备与增材沉积头间距离最小为10mm、同步锤击快换头的振幅最小为1mm、同步锤击快换头输出的锤击力最小为1N、同步锤击设备的振动频率最小为10Hz。
本发明的有益效果：(1)本发明可显著细化增材制造金属构件的凝固组织。当对沉积金属进行同步锤击后，高频冲击使得金属材料发生塑性变形，材料内部形成剧烈的位错运动，原始晶粒被位错运动形成的位错墙和位错纠缠分割成为细小的晶粒。当锤击后的金属材料受到下一层沉积时的高温作用，发生再结晶过程，新晶粒形核并长大，晶格类型不变，再结晶后获得细小均匀的等轴晶粒。
(2)本发明可显著改善增材制造金属构件的气孔和裂纹缺陷。当同步锤击点距离增材沉积热源较近时，此时锤击位置的沉积金属温度较高，在同步锤击的冲击力作用下，沉积金属材料气孔中的气体逸出，裂纹被压实，增材沉积的金属中存在的气孔与裂纹缺陷发生愈合。同步锤击对沉积金属施加的压应力抵消金属冷却过程中的拉应力，起到防裂的目的。
(3)本发明可显著消除增材制造技术构件的残余应力。在同步锤击的高频冲击力下，以振动形式施加在沉积金属材料的动应力使得增材沉积金属构件中存在的残余拉应力得到释放，发生应力松弛，使得增材沉积金属构件中的残余拉应力被消除。
(4)本发明可以控制增材制造金属构件成形过程中发生的变形。增材沉积金属构件的过程中会产生较大的纵向翘曲变形，会影响沉积构件的形状精度。同步锤击的冲击力将沉积的金属构件表面压平，特别是锤击点位距离热源较近时，较小的锤击力可以抵消增材沉积时产生的热变形。
(5)本发明可以提高增材制造金属构件的致密度。增材成形过程中由于气孔的存在造成金属构件相对密度无法达到100％，同步锤击过程中成形和锤击同时进行，刚沉积的金属材料被同步锤击的锤击力压实，导致构件密度有所增大，说明成形样件致密度有所提高。
(6)本发明无污染，工艺使用范围广。同步锤击对增材制造金属构件的作用为物理作用，不会对沉积金属构件造成污染。可以实现同步锤击功能的设备种类繁多，且能进行不同角度的同步锤击，自由度较高，适用于各种增材制造金属构件工艺。
附图说明
图1为本发明金属构件增材制造同步锤击形性控制方法装置的结构示意图；
图2为本发明金属构件增材制造同步锤击形性控制系统中的增材沉积头与同步锤击设备相对位置示意图；
图3为本发明金属构件增材制造同步锤击形性控制系统中的同步锤击设备结构示意图。
图中：1-增材制造同步锤击系统控制器、2-增材沉积热源、3-同步锤击设备、4-增材沉积头、5-增材保护气罐、6-增材送料装置、7-增材沉积基板、8- 增材金属材料、9-沉积成形的金属材料、10-经过锤击后的金属材料、11-同步锤击夹持装置、12-同步锤击运动装置、13-增材沉积头运动装置、14-增材沉积头夹持装置、3-1同步锤击快换锤头、3-2-同步锤击导向装置、3-3-同步锤击回弹装置、3-4-下限位块、3-5-同步锤击动力源、3-6-上限位块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
以连续激光作为增材沉积热源，316L不锈钢粉末作为增材金属材料，基板为316L不锈钢，使用单向扫描的方式增材制造316L不锈钢薄壁件为例。激光沉积制造热源为FCL2000光纤激光器，激光沉积头采用FWC300激光加工头，送料设备采用RC-PGF智能送粉器，控制器为YRC 1000、DX200控制柜，运动执行机构分别为GP 180、MH 12型号机器手，同步锤击动力源为TE 3-CL电锤，具体包括如下步骤：
步骤一：将316L不锈钢基板表面进行砂纸打磨、使用脱脂棉蘸无水乙醇擦拭，去除表面杂质油污等，待其自然风干后，将其装夹在工作台表面。将直接激光沉积使用的316L粉末筛粉置于干燥箱中100～120℃干燥2小时以上，待其冷却后放置于送粉器中，打开送粉器设备电源并将其转速设为1.2r/min。开启水冷机检查水路完全通畅后开启激光器，激光器的输出模式为连续激光，将激光功率设置为700W；
步骤二：开启YRC 1000、DX 200控制柜，使用DX 200控制柜的示教器控制MH 12型号机械手移动激光沉积头至基板7上方，将激光沉积头末端到基板上表面距离设为10mm，使用YRC 1000控制柜的示教器控制GP 180型号机械手将同步锤击装置移动至同步锤击快换头中心距离FWC300激光加工头中心间距70 mm位置处，将同步锤击快换头到基板上表面距离设为3mm，输入预设程序控制两台机械手的运动轨迹，将扫描速度设为4mm/s层间提升量设为0.35mm；
步骤三：本实验保护气采用高纯氩气，将连接送粉器的减压阀压强设置为0.5MPa，将送粉器的气流量设置为8L/min，将保护气减压阀压强设置为0.6MPa；
步骤四：打开FCL 2000光纤激光器且同时运行YRC 1000、DX 200控制器预设的程序，分别使用YRC 1000、DX 200控制柜的示教器编写的程序控制GP 180、 MH 12型号机械手移动FWC300激光加工头和同步锤击装置；
步骤五：当同步锤击快换头移动至沉积位置起点处，开启TE 3-CL电锤，进行同步锤击；
步骤六：当沉积第一层结束时关闭FCL 2000光纤激光器，同时继续使用DX 200控制柜的示教器编写的程序控制MH 12机械手移动FWC300激光加工头至安全位置，通过使用YRC 1000控制柜的示教器编写的程序控制GP180机械手将同步锤击设备沿FWC300激光加工头轨迹方向移动，直到沉积第一层结束位置处，关闭TE 3-CL电锤；
步骤七：使用YRC 1000控制柜的示教器编写的程序控制GP 180型号机械手停止运动，然后使用DX 200控制柜的示教器编写的程序控制MH 12型号机械手停止运动；
步骤八：使用DX 200控制柜的示教器编写的程序控制MH 12型号机械手移动FWC300激光加工头，使用YRC 1000控制柜的示教器编写的程序控制GP 180 型号机械手移动同步锤击设备，分别移动至下一层成形准备位置处，等待程序开始命令；如此反复直至程序运行结束后，关闭增材沉积过程中的设备，最终实现组织性能良好的316L不锈钢薄壁件的制备。

Claims (8)

1.一种增材制造金属构件形性控制装置，其特征在于，包括：增材沉积热源(2)、增材送料装置(6)、增材金属材料(8)、控制系统装置(1)、增材沉积头(4)、将所述增材沉积头和增材送料装置相连的增材保护气罐(5)、增材沉积头夹具(14)、增材沉积试验台和成形基板(7)、增材沉积头运动设备(13)；
包括同步锤击装置(3)通过夹持装置(11)安装在同步锤击运动装置(12)上与增材沉积头(4)保持同步锤击运动；
同步锤击装置(3)结构包括同步锤击快换头(3-1)、同步锤击导向装置(3-2)、同步锤击回弹装置(3-3)、下限位块(3-4)、同步锤击动力源(3-5)、上限位块(3-6)，其中同步锤击动力源(3-5)产生高频机械锤击振动，锤击力通过同步锤击快换头(3-1)传递到沉积层表面；同步锤击导向装置(3-2)减少同步锤击头左右晃动保证锤击稳定性；同步锤击回弹装置(3-3)将同步锤击快换头(3-1)回弹避免与沉积层干涉，所述的同步锤击装置(3)包含的同步锤击动力源(3-5)产生高频锤击方式包括电机带动曲柄滑块机构、电机带动涡轮蜗杆机构等方式，所述的同步锤击装置(3)包含的同步锤击头(3-1)截面形状为圆形、矩形、椭圆形或多边形，或者将上述图形的棱角变为圆角所构成的图形等形状，所述的同步锤击装置(3)包含的同步锤击头(3-1)整体形状为竖直或弯曲等形状，所述的同步锤击运动装置(12)包括机床、机械手等运动装置。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造金属构件形性控制装置，其特征在于，所述的增材沉积热源(2)包括激光、电弧、等离子、电子束或为其中多种热源复合。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造金属构件形性控制装置，其特征在于，所述的增材金属材料(8)包括丝材、粉末等金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造金属构件形性控制装置，其特征在于，同步锤击动力源(3-5)下方设有限位挡块(3-4)、上方设有限位挡块(3-6)，限位块(3-4、3-6)将同步锤击动力源(3-5)紧固锁死在夹持装置(11)上。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造金属构件形性控制装置，其特征在于，同步锤击装置(3)、夹持装置(11)、同步锤击运动设备(12)通过螺杆连接。
6.一种基于权利要求1-5所述的一种金属构件增材制造同步锤击形性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对沉积基板(7)进行预处理，打磨清洗后，装夹在工作台上，将沉积金属材料(8)装填入送料装置(6)中；
步骤二：打开增材制造同步锤击系统控制器(1)，移动增材沉积头运动设备(12)将增材沉积头(4)移动至沉积位置起点处，然后移动同步锤击机构运动设备(13)将同步锤击设备(3)至增材沉积头(4)后方，输入预设的程序控制增材沉积头(4)与同步锤击设备(3)的运动；
步骤三：设置增材制造装置与同步锤击装置参数；
步骤四：打开增材沉积热源(2)且移动增材沉积头(4)开始增材制造，同时同步锤击设备(3)跟随增材沉积头(4)的轨迹开始移动；
步骤五：当同步锤击快换头(3-1)移动至沉积位置起点处，开启同步锤击动力源(3-5)，进行同步锤击；
步骤六：当沉积第一层结束时关闭增材制造热源(2)，同时继续移动增材沉积头(4)至安全位置，同步锤击设备(3)继续沿增材沉积头(4)轨迹运动直到沉积第一层结束位置处，关闭同步锤击动力源(3-5)；
步骤七：首先停止同步锤击设备(3)的运动，然后停止增材沉积头(4)的运动；
步骤八：将增材沉积头(4)与同步锤击设备(3)分别移动至下一层成形准备位置处，等待开始命令；如此反复直至程序运行结束后，关闭增材沉积过程中的设备，最终实现组织性能良好的金属增材构件的制备。
7.根据权利要求1所述的一种金属构件增材制造同步锤击形性控制方法，其特征在于，同步锤击设备(3)的锤击方式包括垂直锤击、倾斜锤击、旋转锤击等方式。
8.根据权利要求1所述的一种金属构件增材制造同步锤击形性控制方法，其特征在于，工艺参数为同步锤击设备(3)与增材沉积头(4)间距离最小为10mm、同步锤击快换头(3-1)的振幅最小为1mm、同步锤击快换头(3-1)输出的锤击力最小为1N、同步锤击设备(3)的振动频率最小为10Hz。
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