基于激光沉积成形与减式成形的复合快速成形方法技术

本发明专利技术提供了一种将基于激光沉积成形与减式成形相结合的复合快速成形工艺，解决分层沉积快速成形技术制备金属零件的精度低问题，及传统机加工艺制造零件复杂性低的问题，使其二者的优势取长补短，达到提高成形精度和效率的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工件的成形方法，尤其是一种基于激光沉积成形与减式成形的复合快速成形方法。
技术介绍
为最大程度地减轻航空航天装置的结构重量，在飞机、发动机、飞船、卫星等装备中大量采用大型复杂整体钛合金结构件，如F~22中机身4个整体承力隔框锻件最大投影面积达到5. 53m2，锻 件毛坯重达到1897 2976Kg，最终机械加工后零件重量仅为83. 7 143. 8Kg，材料利用率为2. 92% 4. 90%，单件零件机械切削加工时间 长达6个月以上。采用传统锻造一机加方法制造这些大型复杂整体钛 合金结构件，不仅要依赖于我国匮乏或尚不具备的大型与超大型工业 设施(如4 10万t级水压机、lOOt. m以上的超大自由锻造设备等) 及其配套设施与技术水平，而且需要制造成本高、准备周期长的大型 或超大型锻造模具、数控机械加工设备，零件机械切削加工量大，材 料利用率低，严重影响国防装备的研制与规模化生产。事实上，大型 复杂钛合金关键结构成形制造技术已是严重制约我国航空、航天等国 防装备研制和生产的瓶颈性技术。近年来航空金属材料(钛合金、高温合金)激光快速成形成为 国内外的研究热点之一。金属粉末激光沉积成形是在基体上形成熔池 的同时将沉积材料送入，随着熔池移动而实现材料在基体上的沉积。 美国Texas大学Austin分校成功地制造了用于F-14战斗机和AIM-9导弹的INC0NEL625高温合金和Ti-6A1-4V合金的金属零件。北航激 光材料加工制造技术实验室、西工大凝固技术国家重点实验室用激光 快速成形工艺制备出力学性能达到和超过锻造钛合金水平的TC4， TA15结构件。上述单位所做的工作表明激光快速成形制备钛合金构 件的可行性，但我们不难发现制件的精度和效率是限制激光快速成形 这一先进的制造技术在航空航天领域更深入应用的主要问题之一，难 以发挥快速成形的技术优点，不能制备最终用途的大型复杂零件。减式成形技术是最近几年随高速切削技术的发展而兴起的快速 成形技术，该类工艺是分层制造思想与高速铣削相结合的产物，虽然 加工精度高但不能成形复杂零件，且材料利用率低，生产周期长，工 件质量大(连接用的法兰、连接件等的质量约占设备总质量20%甚至 更多)。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种将基于 激光沉积成形与减式成形相结合的复合快速成形工艺，解决分层沉积 快速成形技术制备金属零件的精度低问题，及传统机加工艺制造零件 复杂性低的问题，使其二者的优势取长补短，达到提高成形精度和效 率的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是基于激光沉积成形与减式成形复合快速成形方法，其操作步骤如下(1) 建立制件数字模型。(2) 对上述模型进行分层切片和扫描填充处理。(3) 对分层和填充数据进行运动控制轨迹规划。(4) 金属粉末激光快速成形过程。(5) 减式快速成形过程。(6) 去应力。附图说明图l是本专利技术的工艺流程图。图2是本专利技术的结构框图。图3是本专利技术控制器结构框图。图4是激光沉积成形层内扫描路径图。图5是减式快速成形加工轨迹图。图6是导光路及聚焦装置结构示意图。图7是送粉装置结构示意图。具体实施方式-如图l所示基于激光沉积成形与减式成形复合快速成形方法， 其操作步骤如下-(1) 建立制件数字模型。用CAD类软件如PRO/E、 UG、 CATIA等，建立目标实体的三 维CAD模型，并存储成标准的STL格式，在存储时根据实际要求设 定保存精度。(2) 对上述模型进行分层切片和扫描填充处理。 首先进行模型的分层处理，得到由一系列二维平面组成的分层轮廓数据；对上述分层轮廓区域给出X方向和Y方向的层间十字形网 格填充数据。(3) 对分层和填充数据进行运动控制轨迹规划。 根据上述分层数据和填充数据生成金属粉末激光沉积成形系统激光扫描路径，如图4所示，其中箭头为激光运动轨迹。根据分层轮 廓数据及铣刀半径得到减式成形刀具精加工轨迹，如图5所示，其中 虚线为刀具加工轨迹，设刀具半径为5mm。(4) 金属粉末激光快速成形过程。 在加工系统工作台上，先从最下层开始，用激光快速成形法对最下层的制件进行金属粉末激光成形，首先根据路径规划的第一层开 始，由控制装置根据路径规划信息控制执行机构即机床的X轴、Y 轴运动成形出第一层或是成形出某一段，然后Z轴执行上升运动，上 升高度为分层厚度，在执行机构运动的同时，送粉机构根据分层厚度 将相应的金属粉末送到激光熔池中，加工过程中激光功率一般为 1500W，运动速度为4mm/s，送粉速度5deg/s。成形过程是分层分段 进行的，只要在成形段内的，相邻层之间无台阶或台阶变化在允许的 范围内，则一直进行金属粉末激光成形。在成形过程中不考虑激光光 斑半径的影响，得到一比实际数模尺寸大的毛坯。(5) 减式快速成形过程。 对分层分段金属粉末激光沉积成形制件，根据减式成形刀具精加工轨迹，进行精加工，精加工速度10mm/s，主轴转速为3000rpm。(6) 去应力。用退火工艺消除制件的残余应力。即将工件加热到600度左右， 升温时间要大于等于两小时，保温时间要不少于两小时，降温时每小时不大于75度。如图2所示，激光沉积成形系统包括激光器(C02口激光器)、导 光路及聚焦装置，冷却装置、送粉装置。如图6所示，导光路及聚 焦装置内层护套可以在外层护套(2)滑动，使其具体伸縮性，实现 了坐标轴的运动，图中的水平护套实现了Y轴运动，垂直护套实现了 Z轴运动，加上工作实现的X轴运动，使用此导光路装置能够实现空 间运动；图中的两块平面反光镜(4)是用来实现坐标变换功能的， 而抛物聚焦镜(5)是用来聚焦的，即将激光琪(1)放出的光束(3) 聚集的2. 5~3mm的直径上，导光路及聚焦装置的末端是送粉嘴(6)。 每一个平面反射镜(4)或是抛物聚焦镜(5)均甩冷却光保护，以免 其过热。如图7所示粉桶(7)用于存放金属粉末，在重力和压縮工作 气体(一般为惰性气体)的作用下，金属粉末由粉桶(7)落到送粉 盘的凹槽中，送粉盘(9)由电机(13)经减速机(12)驱动，将金 属粉末带到吸粉嘴(ll)，工作气体由进气嘴(8)进入，经吸粉嘴(11) 将金属粉末由出粉嘴(10)带出，送成形熔池中。加工过程防氧化保护装置由两部分组成， 一部分由4到8个保护 气喷嘴组成，喷嘴出口轴线的交点为熔池，用高压惰性气体将熔池与 空气隔开，另一部分同保护气环组成，保护气环用管子做成环形，在 环形的一侧开若干个小孔，高压惰性气体由进气，由小孔喷出形成环 形保护气墙，用于阻止空气与熔池的接触。如图3所示控制器采用开放式体结构数字控制系统组成，图中竖直实线表示计算机总线，如常用的ISA， PCI， USB， Ethernet等， 实线左边为工业控制计算机(IPC)，用于完成加工过程的前处理，及 人机界面显示等功能，实线的运动控制器完成坐标轴运动控制功能， 包括XYZ， VW共五个运动轴，主轴控制器完成减式成形主轴运动控制， AD/DA完成模拟量转算功能，如温度监控，转速度控制等，IA)控制 器完成数字量的输入和输出功能，如激光开关，保护气的开关等功能、 执行机构等部分组成。减式成形系统，包括控制装置、执行机构、铣削主轴等部分。权利要求1、基于激光沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光沉积成形与减式成形复合快速成形方法，其特征在于，操作步骤如下：（１）建立制件数字模型；（２）对上述模型进行分层切片和扫描填充处理；（３）对分层和填充数据进行运动控制轨迹规划；（４）金属粉末激光快速成形 过程；（５）减式快速成形过程；（６）去应力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王维，杨光，刘伟军，尚晓峰，钦兰云，
申请(专利权)人：沈阳航空工业学院，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]