CN209206461U - 一种大尺寸零件的增材制造用工装 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大尺寸零件的增材制造用工装，属于增材制造技术领域，该工装包括：定位基板，定位基板上开设有可使零件水平放置的凹槽一和可使零件竖直放置的凹槽二，凹槽二两端贯穿凹槽一；位于零件外围且可顶住零件的固定块，固定块至少为两个，固定块通过螺栓固定在定位基板上。本实用新型将通过激光选区熔化设备加工成形的各子零件，通过工装进行拼接定位，然后通过激光立体成形设备对拼接缝隙焊接成形；对焊接完的零件使用工装进行定位，然后进行热处理与热矫形，后冷却至室温；采用激光选区熔化成形和激光立体成形结合方式，可得到结构复杂、精密且性能高的大尺寸零件。

Description

一种大尺寸零件的增材制造用工装

技术领域

本实用新型属于增材制造技术领域，特别是涉及一种大尺寸零件的增材制造用工装。

背景技术

金属增材制造(3D打印)基于快速成形的基本思想，即逐层熔覆的增材制造方式，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。目前工业应用的金属增材制造主流技术是利用激光为能量源将粉末熔化或粘结成型，例如激光选区熔化(SLM)和激光立体成形(LSF)技术。两种技术各有优缺点，对于激光选区熔化成形的零件，成形表面较为精细，不用机械加工可以直接使用，但其成形尺寸受设备成形幅面的制约，导致其很难成形幅面过大的零件，目前常用的设备成形幅面都在250mm*250mm左右；对于激光立体成形的零件，成形表面较为粗糙，成形后表面必须经过机械加工，但由于其结构为传统三坐标式机床结构，故成形幅面可以做的很大，目前常见的该类设备成形幅面均在1000mm*1000mm以上，同时该设备还能同步实现激光熔覆与激光焊接的工作。

由于激光选区熔化技术的优点，已成为目前金属增材制造最主流技术，但如何研发出大幅面激光选区熔化设备一直都是行业核心问题。目前对于大型零件的金属增材制造，大都采用分体成形的方式将大型零件在模型中分割成若干部分，再对每一部分进行激光选区成形，最后对成形的所有部分采用激光立体成形设备进行激光焊接，从而拼接为一体的工艺方法。但该方法在实际应用过程中，存在以下问题：

(1)激光选区熔化成形的表面只是相对精细，无法像传统机械加工表面一样作为机械加工或者定位的基准，零件要拼焊时，如何简单、快速、准确地对要拼焊零件进行定位；

(2)零件在成形过程中由于热应力的存在会发生变形，零件的切割与拼焊时也存在较大的残余应力，此外零件成形尺寸大，且激光成形的零件内部多为薄壁、网状或空心等结构，抗变形能力差。因此制定合理的分割、拼焊、热处理、热矫形等工序进行外形优化，防止发生形变是难度较大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种大尺寸零件的增材制造用工装，将现有激光选区熔化设备无法直接加工的大尺寸零件分割成若干部分，然后激光选区熔化成形每个分段零件，将激光选区熔化成形后的分段零件用工装进行拼接定位，然后再用激光立体成形设备将拼接好的分段零件焊接为一个整体零件。

本实用新型的目的在于提供一种大尺寸零件的增材制造用工装，包括：

定位基板，所述定位基板上开设有可使零件水平放置的凹槽一和可使零件竖直放置的凹槽二，凹槽二的两端贯穿凹槽一；

位于零件外围且可顶住零件的固定块，所述固定块至少为两个，所述固定块通过螺栓固定在定位基板上。

在上述技术方案中，优选的，所述固定块可置入凹槽二中，更便于固定块的固定。

在上述技术方案中，优选的，在零件水平放置时，所述零件的内侧还设置有可顶住零件的支撑块，所述支撑块可置入凹槽二中，更便于将零件顶住。

在上述技术方案中，优选的，在零件水平放置时，还包括可将零件均匀压住的若干个固定压板，所述固定压板通过螺栓固定在定位基板上。

一种采用上述工装进行大尺寸零件的增材制造成形方法，包括如下步骤：

S1:将待制造的大尺寸零件模型进行结构分析，分割成适合在激光选区熔化设备的成形范围内成形的多个子零件模型；

S2:将所述多个子零件模型通过激光选区熔化设备完成各子零件的加工成形；

S3:将加工成形后的各子零件进行热处理、线切割、打磨和清洗处理；

S4:设计用于拼接的工装，将经过处理的各子零件使用所述工装进行拼接定位，然后通过激光立体成形设备对零件的拼接缝隙进行焊接成形；

S5:对焊接完的零件使用所述工装进行定位，然后进行热处理与热矫形，之后冷却至室温；

S6:将冷却后的零件进行机械加工与打磨，得到大尺寸零件的增材。

在上述技术方案中，优选的，所述步骤S1中，通过计算机分割的各子零件模型在连接处设置定位结构，使各子零件以唯一一种方式拼接为一整体。

在上述技术方案中，优选的，所述步骤S2中，在加工之前，在计算机中对各子零件的三维模型进行合理摆放，并添加支撑结构，然后按一定的厚度切片分层，将零件的三维形状信息转换成一系列的二维轮廓信息，分次传送至激光选区熔化设备的数控系统。

在上述技术方案中，优选的，所述步骤S2中，成形工艺参数为：设备激光输出功率150～350W，扫描速度500～2000mm/s，保护气为氩气。

在上述技术方案中，优选的，所述步骤S4中，对零件的拼接缝隙进行焊接成形时，采用正面焊接、反面焊接和侧面焊接相结合的方式。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述正面焊接或反面焊接的具体制备过程为：

将各子零件拼接成一个整体零件，水平放入与其配合的凹槽一中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块沿零件内侧顶住零件，通过两个固定块沿零件外围顶住零件，并将两个固定块通过螺栓固定在定位基板上；再通过若干个固定压板将零件的各个位置均匀压上并通过螺栓将各个固定压板固定在定位基板上，固定压板不可覆盖拼接缝隙；将固定好的零件放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接处漏出的缝隙，通过熔覆头沿缝隙一边喷粉一边进行激光焊接，激光功率1000W～4000W；待拼接缝隙逐一进行焊接完成后，将固定压板、固定块、支撑块卸下，取出零件；将零件翻转180度，使未焊接的拼接分析面朝上，重复以上步骤。

在上述技术方案中，进一步优选的，所述侧面焊接的具体制备过程为：

将拼接成的整体零件竖直放入与其配合的凹槽二中，通过两个固定块在零件外侧顶住零件，并通过螺栓固定在定位基板上，且留出零件的一段侧面缝隙直接朝上，将固定好的零件放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接缝隙侧面进行焊接；重复以上步骤，直到将各个缝隙侧面逐一焊接完毕。

在上述技术方案中，优选的，所述步骤S5的具体制备过程为：将全部焊接完的零件再次水平放入定位基板的凹槽一中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块沿零件内侧顶住零件，通过两个固定块沿零件外围顶住零件，并将两个固定块通过螺栓固定在定位基板上；同时用若干个大块的固定压板，通过螺栓将零件固定在定位基板上，固定压板完全压住焊缝位置，且覆盖零件绝大多数面积；将固定好的零件放入热处理炉中进行热处理与热矫形，热处理温度800℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温；热矫形温度600℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温。

将制造完成的零件进行机械加工与打磨，将焊缝位置处理平整，对零件整体(包括焊缝)进行了尺寸检测与X射线检测，确保无缺陷。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

(1)本实用新型可成形目前常用的激光选区熔化设备无法加工的大尺寸零件；

(2)本实用新型采用激光选区熔化成形和激光立体成形结合的方式，可得到结构复杂、精密且性能高的大尺寸零件；

(3)本实用新型可实现激光选区成形零件拼焊时的精准定位，同时可有效防止应力集中造成的所有环节中零件发生的变形问题，有效的减少成形过程中的应力累积，降低成形过程中零件开裂的风险。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的大尺寸零件的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的大尺寸零件连接处的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的大尺寸零件在进行正、反面焊接时用工装定位的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的大尺寸零件在进行正、反面焊接时用工装定位的局部剖视图；

图5为本实用新型实施例提供的大尺寸零件在进行侧面焊接时用工装定位的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的大尺寸零件在进行侧面焊接时用工装定位的局部剖视图；

图7为本实用新型实施例提供的大尺寸零件在进行侧面焊接时用工装定位的结构示意图。

图中：1-零件；2-子零件a；3-子零件b；4-子零件c；5-子零件d；6-定位板；7-外侧壁；8-卡槽；9-卡块；10-定位基板；11-凹槽一；12-凹槽二；13-方形固定块；14-支撑块；15-固定压板一；16-三角形固定块；17-长条形固定块；18-固定压板二。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本实用新型进行进一步详细说明。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本实用新型为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本实用新型中明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本实用新型的保护范围的理解。

一种大尺寸零件的增材制造用工装，包括：

定位基板，所述定位基板上开设有可使零件水平放置的凹槽一和可使零件竖直放置的凹槽二，凹槽二的两端贯穿凹槽一；

位于零件外围且可顶住零件的固定块，所述固定块至少为两个，所述固定块通过螺栓固定在定位基板上。

所述固定块可置入凹槽二中，更便于固定块的固定。

在零件水平放置时，所述零件的内侧还设置有可顶住零件的支撑块，所述支撑块可置入凹槽二中。

在零件水平放置时，还包括可将零件均匀压住的若干个固定压板，所述固定压板通过螺栓固定在定位基板上。

一种大尺寸零件的增材制造成形方法，具体包括如下步骤：

S1:将待制造的大尺寸零件模型进行结构分析，分割成适合在激光选区熔化设备的成形范围内成形的多个子零件模型；通过计算机分割的各子零件模型在连接处设置定位结构，使各子零件以唯一一种方式拼接为一整体。

S2:将所述多个子零件模型通过激光选区熔化设备完成各子零件的加工成形；

在加工之前，在计算机中对各子零件的三维模型进行合理摆放，并添加支撑结构，然后按一定的厚度切片分层，将零件的三维形状信息转换成一系列的二维轮廓信息，分次传送至激光选区熔化设备的数控系统；

成形工艺参数为：设备激光输出功率150～350W，扫描速度500～2000mm/s，保护气为氩气。

S3:将加工成形后的各子零件进行热处理、线切割、打磨和清洗处理。

S4:设计用于拼接的工装，将经过处理的各子零件使用所述工装进行拼接定位，然后通过激光立体成形设备对零件的拼接缝隙进行焊接成形；对零件的拼接缝隙进行焊接成形时，采用正面焊接、反面焊接和侧面焊接相结合的方式；

所述正面焊接或反面焊接的具体制备过程为：

将各子零件拼接成一个整体零件，水平放入与其配合的凹槽一中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块沿零件内侧顶住零件，通过两个固定块沿零件外围顶住零件，并将两个固定块通过螺栓固定在定位基板上；再通过若干个固定压板将零件的各个位置均匀压上并通过螺栓将各个固定压板固定在定位基板上，固定压板不可覆盖拼接缝隙；将固定好的零件放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接处漏出的缝隙，通过熔覆头沿缝隙一边喷粉一边进行激光焊接，激光功率1000W～4000W；待拼接缝隙逐一进行焊接完成后，将固定压板、固定块、支撑块卸下，取出零件；将零件翻转180度，使未焊接的拼接分析面朝上，重复以上步骤。

所述侧面焊接的具体制备过程为：

将拼接成的整体零件竖直放入与其配合的凹槽二中，通过两个固定块在零件外侧顶住零件，并通过螺栓固定在定位基板上，且留出零件的一段侧面缝隙直接朝上，将固定好的零件放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接缝隙侧面进行焊接；重复以上步骤，直到将各个缝隙侧面逐一焊接完毕。

S5:对焊接完的零件使用所述工装进行定位，然后进行热处理与热矫形，之后冷却至室温；

具体制备过程为：将全部焊接完的零件再次水平放入定位基板的凹槽一中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块沿零件内侧顶住零件，通过两个固定块沿零件外围顶住零件，并将两个固定块通过螺栓固定在定位基板上；同时用若干个大块的固定压板，通过螺栓将零件固定在定位基板上，固定压板完全压住焊缝位置，且覆盖零件绝大多数面积；将固定好的零件放入热处理炉中进行热处理与热矫形，热处理温度800℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温；热矫形温度600℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温。

S6:将冷却后的零件进行机械加工与打磨，得到大尺寸零件的增材。

实施例

本实用新型以整体结构为圆圈形的管状类零件为例进行说明，该零件内部为复杂管路，上下各有一个突出的口，用于连接内部管路。目前常用激光选区熔化设备加工幅面为250mmX250mm，假设该零件最大直径为460mm，则无法直接加工成型，因此将大尺寸零件1分段进行局部激光成形。

S1:如图1所示，本示例中将零件1对称均分为四段，分别为子零件a2、子零件b3、子零件c4、子零件d5，从而使每一段的子零件尺寸都可以在250mmX250mm幅面的激光选区熔化成形设备中加工成形；

通过计算机对零件模型进行分段设计，并在各子零件模型连接处设置定位结构，使各子零件以唯一一种方式拼接为一整体。例如，如图2所示，在子零件a2与子零件b3连接处，在子零件a2的端部内侧壁设置一个定位板6，定位板6向子零件b3侧延伸，且延伸段的外侧壁7与子零件b3的内侧壁配合，并在定位板6上开设一个卡槽8，在子零件b3的端部内侧壁设置一个与卡槽8配合的卡块9，从而使子零件a2与子零件b3以唯一一种方式定位拼接为一体。其他连接处的设置方式也如此。

S2:对子零件a2、子零件b3、子零件c4、子零件d5分别进行支撑添加和分层处理，即在计算机中对子零件的三维模型进行合理摆放，并添加支撑结构，然后按一定的厚度切片分层，将零件的三维形状信息转换成一系列的二维轮廓信息，分四次传送至激光选区熔化设备的数控系统，并调节设备激光输出功率150～350W，扫描速度500～2000mm/s，保护气为氩气，随后在数控系统的控制下，通过振镜控制激光扫描来熔化金属粉末，将分段后的子零件在计算机软件中生成的二维轮廓信息进行扫描，扫描完一层后，成形幅面下降一层，铺粉装置进行铺粉，再按照下一层的二维轮廓信息进行扫描，依次完成子零件a2、子零件b3、子零件c4、子零件d5的成形。

S3:将加工成形后的子零件a2、子零件b3、子零件c4、子零件d5进行热处理、线切割、打磨和清洗等常规后处理工序；

S4:设计用于拼接的工装，选用45号钢做工装，该工装包括：定位基板，所述定位基板上开设有可使零件水平放置的凹槽一和可使零件竖直放置的凹槽二，凹槽二的两端贯穿凹槽一，凹槽一的横截面为半圆形，凹槽二的横截面为方形；和位于零件外围且可顶住零件的固定块，所述固定块至少为两个，所述固定块通过螺栓固定在定位基板上。

在零件水平放置时，还包括可将零件均匀压住的若干个固定压板，所述固定压板通过螺栓固定在定位基板上；在零件的内侧还设置有可顶住零件的支撑块，所述支撑块可置入凹槽二中。

如图3和4所述，将子零件a2、子零件b3、子零件c4、子零件d5拼接为一个整体零件，水平放入与其配合的凹槽一11中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块14置入凹槽二中沿零件1环内顶住零件，通过两个方形固定块13也置入凹槽二中沿零件环外顶住零件，并将两个方形固定块13通过螺栓固定在定位基板10上；再通过若干个固定压板一15将零件的各个位置均匀压上并通过螺栓将各个固定压板一固定在定位基板10上，固定压板一15不可覆盖拼接缝隙；将固定好的零件放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接处漏出的缝隙，通过熔覆头沿缝隙一边喷粉一边进行激光焊接，激光功率1000W～4000W；待正面四个拼接缝隙逐一进行焊接完成后，将固定压板一、方形固定块、支撑块卸下，取出零件；将零件翻转180度，使未焊接的拼接分析面朝上，重复以上步骤进行工装定位与焊接。正反面焊接完后，进行侧面缝隙焊接。

如图5和6所述，将零件1竖直放入与其配合的凹槽二12中，用两块三角形固定块16与两块长条形固定块17置入凹槽二中将零件1固定住，并通过螺栓固定在定位基板10上，且留出零件的一段侧面缝隙直接朝上，将固定好的零件再次放入激光立体成形设备中，控制设备对拼接缝隙侧面进行焊接；重复以上步骤，直到将四处缝隙侧面逐一焊接完毕。

S5:由于多次焊接容易发生零件局部变形，因此需要对焊接完的零件1进行热处理与热矫形。如图7所示，将全部焊接完的零件1再次水平放入定位基板10的凹槽一11中，用塞尺进行测试，保证零件下表面与凹槽一底面之间的距离在0～0.1mm之间，通过支撑块14沿零件环内顶住零件，通过两个方形固定块13沿零件环外顶住零件，并将两个方形固定块13通过螺栓固定在定位基板10上；同时用四个大块的固定压板二18，通过螺栓将零件1固定在定位基板上，固定压板二18完全压住焊缝位置，且覆盖零件1绝大多数面积；将固定好的零件放入热处理炉中进行热处理与热矫形，热处理温度800℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温；热矫形温度600℃左右，随后在氩气气氛中冷却至100℃，出炉空冷至室温。

S6:将冷却后的零件进行机械加工与打磨，将焊缝位置处理平整，得到大尺寸零件的增材，对零件整体(包括焊缝)进行了尺寸检测与X射线检测，并通过了性能测试。

该实用新型得到了激光立体成形制造与激光选区熔化成形相结合制造的零件，这种制造方式能够有效的减少成形过程中的应力累积，降低成形过程中零件开裂的风险，及应力变形的幅度。此外，本实用新型通过实例零件1进行实施，只是为了演示方便的一种方法，该方法并不限于此种零件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种大尺寸零件的增材制造用工装，其特征在于：包括：

定位基板，所述定位基板上开设有可使零件水平放置的凹槽一和可使零件竖直放置的凹槽二，凹槽二的两端贯穿凹槽一；

位于零件外围且可顶住零件的固定块，所述固定块至少为两个，所述固定块通过螺栓固定在定位基板上。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸零件的增材制造用工装，其特征在于：所述固定块可置入凹槽二中。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸零件的增材制造用工装，其特征在于：在零件水平放置时，所述零件的内侧还设置有可顶住零件的支撑块，所述支撑块可置入凹槽二中。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸零件的增材制造用工装，其特征在于：在零件水平放置时，还包括可将零件均匀压住的若干个固定压板，所述固定压板通过螺栓固定在定位基板上。