一种大型金属零件的增材制造方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于增材制造领域，并具体公开了一种大型金属零件的增材制造方法及装置，其首先使用增材制造技术，按照零件的数据模型进行切片处理，然后提取各层的轮廓数据，生成轮廓的沉积路径，在基板上制作具有一定厚度和深度的金属腔体，然后再将熔炼好的金属注入金属腔体内，待其凝固或为半凝固状态时，对零件进行轧制处理，完毕后继续在零件上沉积新的金属腔体，不断重复上述步骤直至完成整个零件。本发明专利技术解决了当前大型金属零件整体采用增材制造工艺效率不足、容易开裂，采用铸造工艺存在缩松、缩孔等缺陷，工序复杂、周期过长等缺点，采用锻造工艺存在锻压机吨位限制、周期过长等缺点，可以快速、低成本制造高性能的金属零件。

【技术实现步骤摘要】
一种大型金属零件的增材制造方法及装置
本专利技术属于增材制造领域，更具体地，涉及一种大型金属零件的增材制造方法及装置。
技术介绍
目前，大型金属零部件的制造方法主要有锻造、铸造、机械加工等，或使用锻造、铸造工艺将零件分段成形，再辅以焊接工艺或者机械连接成整个零件。经过多年的发展，国内外铸造工艺和大型锻压设备取得长足的发展，所加工的金属零件无论从体积或质量均不断提高。但是，大形零件在铸造过程中易产生疏松、缩孔、夹杂等缺陷；锻造大型零件时存在锻压机吨位不足、模具加工费用过高等，再加上制造工序繁琐、加工周期过长等问题，长期困扰着相关装备的制造，已成为限制行业进一步发展的瓶颈。以核电主管道为例，使用自由锻造工艺加工时，首先采用实心毛坯进行锻造，然后再通过镗孔成形管道结构，主管道零件成品重量仅为9吨左右，而所采用的钢锭重量则达到70吨至100吨。超低的材料利用率以及超大的加工量导致成本高昂，且交货期往往长达一年，甚至更长。因此，如何快速、高质量、低成本的完成大型零部件的制造是本领域亟待解决的问题。增材制造技术是随着计算机图形处理、数字化信息和控制、激光、机电、材料、焊接等技术的发展而出现的一种全新的制造技术。它是基于零件的三维模型分层切片数据，利用特殊的能量源将填充材料熔化，堆积成所希望形状零件的技术。与传统的加工方法相比，增材制造技术无需模具，成形后只需要少量机械加工甚至不需要加工就可以完成零件的制造，可制作传统工艺无法加工的复杂零件。因此，具有非常明显的技术优势。当前，金属增材制造技术主要有激光选区熔化技术、激光熔化沉积技术、电弧熔丝增材制造技术、电子束增材制造技术等，均可快速获得高致密度、高性能的零件，显著缩短产品的研发周期。增材制造技术因其所展现的技术优势，已在航空、航天、机械、医疗等行业取得了实际应用，在制造业中拥有广阔的应用前景，给大型金属零件的制造带来了无限的想象空间。但是，上述技术在面对数百公斤乃至数吨重的大型零件时，其加工周期动辄一个月，甚至耗时一个季度，显然无法满足当前的行业需求。因此，如何显著提高大型构件以及超大型构件的增材制造效率，成为决定该技术生命力的关键所在。目前主要有以下技术方案：例如，CN103212695A公开的一种基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，该方法使用3D打印技术制作复杂形状的且具有空腔的薄壁零件，然后往空腔内注入熔炼好的金属，待填充金属冷却后形成整个零件。该方法在一定程度上提高了零件的加工效率，然而该方法采用的是一次铸造成形，在制作大型复杂零件时，容易产生缩松、缩孔、偏析等缺陷，同时3D打印薄壁零件金属壁的激冷作用也增加了冷隔缺陷产生的机率。此外，该方法加工的零件为铸造组织，零件的综合性能不高，无法加工对使用性能有较高要求的零件(如核电管道等)。再如，CN101817121A公开的零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置，其使用3D打印技术逐层沉积填充材料，同时在熔融软化的区域使用微型轧辊对熔积区进行挤压，最终获得高性能的零件。然而该方法中零件采用整体熔积成形，大面积的熔积填充材料，导致熔积成形周期过长，在加工大型零件时，其效率仍然无法满足加工要求。综上所述，现有的增材制造技术以及增材制造技术结合铸造或锻造技术的复合制造方法在加工大型金属零件时，无法真正意义上的同时实现高性能、高效率的制造。因此，研究专利技术一种大型金属零件的高效、高性能、低成本的制造方法具有重要意义。
技术实现思路
针对大形金属零件采用传统铸造工艺制作时，存在工序繁琐、加工周期过长、冶金缺陷控制困难，采用锻造成形时，存在对锻压机吨位要求高，模具制造费用高，加工周期长和无法制造复杂金属构件的困难，以及现有增材制造技术存在的成形效率不足等难题，本专利技术提出了一种结合增材制造技术、铸造技术和锻压技术的大型金属零件高性能、高效率的复合增材制造方法和装置，可实现大型金属零件的高性能、高效、低成本制造，具有成形效率高，成形质量好等优点。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种大型金属零件的增材制造方法，其包括如下步骤：S1获取待成形零件的三维CAD模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；S2采用增材制造方法按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；S3将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；S4当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，使用轧辊或挤压装置沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理；S5轧制完成后，重复步骤S2～S4以完成整个零件的制造。作为进一步优选的，所述金属腔体成形的增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光送粉增材制造或激光送丝增材制造。作为进一步优选的，电弧熔丝增材制造的工艺优选为：焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200A、电压为20V，焊接速度为4.5mm/s。作为进一步优选的，沉积金属腔体的材料和浇铸的填充材料为同种或异种材料。作为进一步优选的，当填充材料和金属腔体材料为同种材料时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点50～150℃；当填充材料和金属腔体材料为异种材料时，填充材料的熔点高于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点20～60℃，填充材料的熔点低于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于金属腔体材料熔点70～200℃。作为进一步优选的，金属腔体的材料为不锈钢焊丝，浇铸的填充材料为碳钢材料，以制备获得芯部强度高且表面具有耐腐蚀性能的零件。作为进一步优选的，所述金属腔体的厚度优选为5-20mm，进一步优选为10mm，高度优选为10-70mm，进一步优选为50mm。作为进一步优选的，步骤S2中，增材制造方法还用于在金属腔体内部制造加强型结构，以提高零件整体强度；所述加强型结构的材料与浇注的材料不同，形成异种金属结构。作为进一步优选的，在注入液态金属前使用机械加工对所沉积的金属腔体进行修整；在使用轧辊或挤压装置对填充金属进行多次碾压时，金属的表面温度不低于材料回复再结晶温度，以避免因碾压而出现裂纹。按照本专利技术的另一方面，提供了一种用于实现所述方法的装置，其包括：数据获取模块，用于获取待成形零件的三维CAD模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；增材制造模块，用于按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；浇铸模块，用于将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；轧制模块，用于当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术提出的增材制造方法，具有高性能、高效、低成本的特点，可快速制备大型金属零件，与当前的增材制造工艺普遍采用整体增材成形相比，本专利技术仅需采用增材制造工艺沉积零件的壳体，其余的部分采用铸造工艺完成，通过轧制或挤压等工艺对零件进行碾压处理，减小成形件的晶粒尺寸和残余应力状态，提升零件的性能。2.本专利技术整个工艺不仅可以显著提高零件的沉积效率，同时保证了零件具有优异的力学性能以及成形精度。与传统铸造工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1获取待成形零件的三维CAD模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；S2采用增材制造方法按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；S3将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；S4当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，使用轧辊或挤压装置沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理；S5轧制完成后，重复步骤S2～S4以完成整个零件的制造。

【技术特征摘要】
1.一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：S1获取待成形零件的三维CAD模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；S2采用增材制造方法按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；S3将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；S4当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，使用轧辊或挤压装置沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理；S5轧制完成后，重复步骤S2～S4以完成整个零件的制造。2.如权利要求1所述的一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，所述金属腔体成形的增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光送粉增材制造或激光送丝增材制造。3.如权利要求2所述的一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，电弧熔丝增材制造的工艺优选为：焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200A、电压为20V，焊接速度为4.5mm/s。4.如权利要求1所述的一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，沉积金属腔体的材料和浇铸的填充材料为同种或异种材料。5.如权利要求4所述的一种大型金属零件的增材制造方法，其特征在于，当填充材料和金属腔体材料为同种材料时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点50～150℃；当填充材料和金属腔体材料为异种材料时，填充材料的熔点高于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点20～60℃，填充材料的熔点低于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓雁，曹嘉明，高明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42