專利名稱：零件或模具的無(wú)模熔融層積制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于零件與模具的無(wú)模生長(zhǎng)型制造方法。
背景技術(shù)：
無(wú)模熔積成形高致密金屬零件或模具的主要方法有采用高能束的大功率 熔覆激光成形、電子束自由成形、等離子熔積成形等方法。前者是采用大功 率激光，逐層將送到基板上的金屬粉末熔化，并快速凝固逐層成形，最終得 到近終成形件，且成形精度較高，工件的密度遠(yuǎn)高于選擇性激光燒結(jié)的方法，
見A. J. Pinkkerton， L. Li， Effects of Geometry and Composition in Coaxial Laser Deposition of 316L Steel for Rapid Protyping,Annals of the CIRP , VoL52,l(2003),pl81-184.;但該技術(shù)存在成形效率、能量和材料的利用率不高、 不易達(dá)到滿密度、設(shè)備投資和運(yùn)行成本高等問(wèn)題。電子束成形方法采用大功 率的電子束熔化粉末材料，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型施加電磁場(chǎng)，控制電子束的運(yùn)動(dòng)， 逐層掃描直至整個(gè)零件成形完成，成形精度較高、成形質(zhì)量較好，見Matz J.E.， Eagar T.W. Carbide formation in Alloy 718 during electron-beam solid freeform fabrication. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2002， v33(8):p2559-2567.。然而其工藝條件要求嚴(yán)格，# 成形過(guò)程需在真空中進(jìn)行，致使成形尺寸受到限制，設(shè)備投資和運(yùn)行成本很 高，且因采用與選擇性燒結(jié)相同的層層鋪粉方式，難以用于梯度功能材料零 件的成形。等離子成形方法是采用高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步 供給的金屬粉末或絲材，在基板上逐層熔積形成金屬零件或模具的技術(shù)，具 有比前兩者成形效率和材料利用率高，易于獲得滿密度，設(shè)備和運(yùn)行成本很 低等特點(diǎn)，但因弧柱直徑較前兩者大，成形精度不及前兩者。見(1)張海區(qū)鳥，
王桂蘭，直接快速制造模具與零件的方法及其裝置，ZL00131288.X。 (2) Haiou Zhang, Jipeng Xu， Guilan Wang, Fundamental Study on Plasma Deposition Manufacturing, Surface and Coating Technology, v. 171 (1-3), 2003， pp. 112 118.
(3)張海鷗，吳紅軍，王桂蘭,陳競(jìng)，等離子熔積直接成形高溫合金件組織結(jié)構(gòu) 研究，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，v33， n 11,2005,p 54-56. (4)張海區(qū)鳥，
熊新紅，王桂蘭，等離子熔積V銑削復(fù)合直接制造高溫合金雙螺旋整體葉輪，中 國(guó)機(jī)械工程，2007， Voll8, No.l4:P1723 1725。
上述3種方法中，大功率激光成形法和等離子成形法皆為無(wú)支撐的、無(wú) 模熔積成形熔點(diǎn)高的金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷及其梯度功能材 料零件的方法。與電子束成形、選擇性激光燒結(jié)，以及采用熔點(diǎn)低的紙、樹 脂、塑料等的LOM、 SLA、 FDM、 SLS等有支撐的、無(wú)模層積成形的方法相 比，雖避免了成形時(shí)因需要支撐而須添加和去除支撐材料導(dǎo)致的材料、工藝、 設(shè)備上的諸多不利，減少了制造時(shí)間，降低了成本，并可制造梯度功能材料 的零件，但同時(shí)也因無(wú)支撐而在有橫向大側(cè)斜或懸臂的復(fù)雜形狀零件的成形 過(guò)程中，熔融材料在重力作用下，可能產(chǎn)生下落、流淌、坍塌等現(xiàn)象，導(dǎo)致 無(wú)法層積成形。
為此，國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)Michigan大學(xué)、Southern Methodist大學(xué)、 新加坡國(guó)立大學(xué)等研究采用變方向切片技術(shù)，選擇支撐條件最多的方向作為 零件成形主方向，或?qū)?fù)雜形狀零件分解成若干簡(jiǎn)單形狀的部件依次成形的 方法；或開發(fā)五軸無(wú)模成形加工設(shè)備和軟件，使熔融成形材料盡可能處于有 支撐的^f牛下；見(1) R Singh, D. Dutta， Multi-direction slicing for layered manufacturing, Journal of Computing and Information Science and Engineering, 2001， 2， pp: 129~142. (2) Jianzhong Ruan， Todd E. Sparks, Ajay Panackal etal. Automated Slicing for a Multiaxis Metal Deposition System. Journal of Manufacturing Science and Engineering. APRIL 2007， Vol. 129. pp: 303-310. (3 ) Dwivedi， R Kovacevic, An expert system for generation of machine inputs for
laser-based multi-directional metal deposition, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 46 (2006), pp: 1811-1822。采用五軸加工技術(shù)，雖然改善 了生長(zhǎng)成形的支撐條件，避免了材料的下落，但將導(dǎo)致空間干涉檢驗(yàn)和成形 路徑規(guī)劃復(fù)雜，軟件編程與加工時(shí)間長(zhǎng)、難度大，有效工作空間受限，設(shè)備 投資和運(yùn)行成本增加，而且對(duì)于復(fù)雜形狀零件仍難以從根本上解決因重力造 成的流淌、坍塌等問(wèn)題，致使零件成形精度不高，尺寸規(guī)格和形狀復(fù)雜程度 受到限制等，己成為制約該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和工程實(shí)用化的瓶頸。因此，急 需開發(fā)在復(fù)雜形狀零件的無(wú)支撐、無(wú)模熔積成形過(guò)程中，防止熔融層積材料 下落、流淌、坍塌等新的有效方法。
考慮熔融材料的落下、流淌等現(xiàn)象與熔積成形時(shí)熱力學(xué)的應(yīng)力、應(yīng)變狀 態(tài)密切相關(guān)的特點(diǎn)，從改變烙池的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，探尋建立反重力的力場(chǎng)以 抑制無(wú)支撐條件下下落、流淌等問(wèn)題產(chǎn)生的方法，應(yīng)是在不降低材料使用性 能的條件下，提高復(fù)雜形狀、高熔點(diǎn)材料的無(wú)支撐、無(wú)模熔積成形的成形性 和成形質(zhì)量的新的有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種零件或模具的無(wú)模熔融層積制造方法，解決現(xiàn)有方法在 無(wú)支撐、無(wú)模熔積成形過(guò)程中產(chǎn)生的熔融層積材料下落、流淌、坍塌等問(wèn)題。
本發(fā)明的一種零件或模具的無(wú)模熔融層積帝隨方法，包括 (1)模型分層步驟；根據(jù)零件或模具的三維CAD模型的尺寸精度要求， 對(duì)該模型進(jìn)行分層切片處理；(2)生成數(shù)控代碼步驟；計(jì)算機(jī)根據(jù)分層切片 數(shù)據(jù)和各層切片尺寸和形狀的特點(diǎn)進(jìn)行成形路徑規(guī)劃，生成各層成形所需的 數(shù)控代碼；(3)熔積成形步驟；采用數(shù)控的氣體保護(hù)焊弧或激光束，將熔融 材料的絲材或粉末，在基板上按照各層數(shù)控代碼逐層熔積成形，直至達(dá)到零 件或模具的尺寸和表面要求；其特征在于
在進(jìn)行所述步驟(3)的同時(shí)，通過(guò)安裝在熔池附近的電磁線圈產(chǎn)生作用 于熔池中熔融材料的電磁場(chǎng)，電磁線圈匝數(shù)為15匝 50距，電流為1A 500A; 當(dāng)防止熔融材料下落時(shí)，根據(jù)熔池中熔融材料的重量，調(diào)整電磁線圈電流， 產(chǎn)生向上的可支撐熔融材料重量的電磁力；當(dāng)減少或消除熔融材料流淌、坍 塌、表面階梯效應(yīng)時(shí)，調(diào)整電磁線圈電流，產(chǎn)生向內(nèi)的電磁力，作用于熔池 中的熔融材料，支撐和限制熔融材料向下和向熔池外的流淌。
所述的無(wú)模熔融層積制造方法，其特征在于
所述熔積成形步驟中，熔融材料為金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶 瓷或者它們的梯度功能材料；交替采用氣體保護(hù)焊弧或激光束進(jìn)行熔積成形。
所述的無(wú)模熔融層積制造方法，其特征在于-
所述熔積成形步驟中，若成形體達(dá)不到零件或模具的尺寸和表面精度的 要求，則在成形過(guò)程中逐層或多層分段采用研磨、拋光，對(duì)成形體進(jìn)行精整 加工，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面要求。
本發(fā)明在熔積成形過(guò)程中，對(duì)熔池中的熔融材料施加電磁約束，減少或 消除了熔融材料的下落、流淌、i丹塌和表面階梯效應(yīng)；在此條件下，主要以 帶電磁約束的高效率、致密、低成本為特征的弧焊熔積方法進(jìn)行快速逐層熔 積成形，在成形過(guò)程中可少量或省去銑肖咖工，僅復(fù)合研磨或拋光精整加工， 如此交替進(jìn)行，在成形過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到零件所需的尺寸和表面精度；在復(fù)雜 精細(xì)形狀和陶瓷材料零件的成形過(guò)程中，交替使用電弧或小功率激光束，獲 得無(wú)需銑削加工而僅施以研磨或拋光即可滿足零件的材料成分或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 尺寸和表面精度要求。
本發(fā)明保持氣體保護(hù)焊烙積成形方法成本低，成形效率高，成形體易于 達(dá)到滿密度的優(yōu)點(diǎn)，而成形時(shí)僅復(fù)合了作用于小熔池的電磁約束力或小功率
激光束，這些小功率的電磁約束裝置和激光器不會(huì)導(dǎo)致熔積成形設(shè)備和運(yùn)行
成本的明顯增加，仍低于大功率激光熔敷和電子束成形設(shè)備；而且因電磁場(chǎng) 的無(wú)形約束作用而減少了表面階梯效應(yīng)，以及在成形過(guò)程中復(fù)合了研磨或拋 光而達(dá)到零件的尺寸和表面精度，使其成形質(zhì)量高于采用大功率激光和電子 束成形方法得到的零件的成形質(zhì)量。因此，采用本發(fā)明可以快速、低成本、 高質(zhì)量地獲得金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷及其梯度功能材料的零 件或模具。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:采用熔化極氣體保護(hù)熔積槍，焊接電流為40 50A。對(duì)于外壁 帶外傾角的無(wú)支撐部分鋁合金零件的成形，根據(jù)熔池體積計(jì)算熔池中材料的 重力長(zhǎng)x寬x高x密度x重力加速度=(0. 004m O.OO6 m ) * ( 0. 004m O.OO6 m )*(0. 0005m O.OOl m)*2. 7*103kg/m3*9. 8m/s2"0. 0002N 0.001N，即0.0002 牛到0.001牛，制作匝數(shù)為20 Pl《的電磁感應(yīng)線圈，置于無(wú)支撐部分熔池下方， 在14A 24A左右的范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整該線圈的電流大小，產(chǎn)生方向向上，大 約與上述熔池中材料重量相等或更大的電磁力，消除或抑第鵬池材料的下落。 在此條件下，采用鋁合金絲材，在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù) 字化成形路徑，逐層熔積成形。為了達(dá)到所需的成形尺寸，可按上述步驟多 次進(jìn)行，直至達(dá)到零件的形狀和尺寸要求。
實(shí)施例2:采用熔化極氣體保護(hù)熔積槍，焊接電流為50 60A。對(duì)于外壁 帶外傾角的無(wú)支撐部分不銹鋼零件的成形，根據(jù)熔池體積計(jì)算熔池中材料的 重力長(zhǎng)x寬x高x密度x重力加速度^0, 004m 0.006m )*(0. O04m 0.006 m ) * (0. 0005m O.OOl m) *8*103kg/m3*9. 8m/s2"0. 0006N 0.003N，制作匪 數(shù)為20匝的電磁感應(yīng)線圈，置于無(wú)支撐部分熔池下方，在15A 35A左右的 范圍內(nèi)，通過(guò)控制和調(diào)整該線圈的電流大小，產(chǎn)生方向向上，大約與上述熔 池中材料重量相等或更大的電磁力，消除熔池材料的下落。在此條件下，采
用不銹鋼絲材，在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化成形路徑， 逐層熔積成形。為了達(dá)到所需的成形尺寸，可按上述步驟多次進(jìn)行，直至達(dá) 到零件的形狀和尺寸要求。
實(shí)施例3:采用非熔化極氣體保護(hù)焊的等離子弧熔積槍，焊接電流60 70A，對(duì)于有支撐的鐵-鎳-鉻合金零件的成形，根據(jù)熔池的體積計(jì)算熔池中材 料的重量長(zhǎng)x寬x高x密度x重力加速度- (0. 004m 0.006 m ) * (0. 004m 0.006 m ) * (0. 0005m O.OOl m) *8*103kg/m3*9. 8m/s2"0. 0006N 0.003N， 制作匝數(shù)為19匝的電磁感應(yīng)線圈，置于有支撐部分熔池側(cè)面，在4A 16A左 右的范圍內(nèi)，通過(guò)控制和調(diào)整該線圈的電流大小，產(chǎn)生對(duì)熔池側(cè)面壓縮的電 磁力，消除熔池材料的流淌。在此條件下，采用鐵-鎳-鉻合金粉末，在基板 上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化成形路徑，逐層熔積層積成形。由 于模具的形狀復(fù)雜，需在成形過(guò)程中進(jìn)行精整加工，因此，按照與成形路徑 復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在成形過(guò)程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合研磨、拋光 精整加工。該精整加工過(guò)程與成形過(guò)程交替進(jìn)行，直到模具成形結(jié)束，尺寸 和表面精度達(dá)到要求。
實(shí)施例4:采用電壓為420v 480v，頻率為10赫茲的YAG固體激光器發(fā)
出的激光束，對(duì)鐵-鎳-鉻合金零件的外壁帶外傾角的無(wú)支撐的精細(xì)薄壁部分 激光成形，根據(jù)熔池的體積計(jì)算熔池中材料的重量長(zhǎng)x寬x高x密度x重 力加速度=(0. 002m 0細(xì)m ) * (0. 002m O.OOl m ) * (0. 0001m 0細(xì)5m) *8*103kg/m3*9. 8m/s2"0. 00016N 0.000008N，制作匝數(shù)為20匝的電磁感應(yīng)線 圈，置于無(wú)支撐部分熔池下方，在15A 30A左右的范圍內(nèi)，通過(guò)控制和調(diào)整 該線圈的電流大小，產(chǎn)生方向向上、大約與上述熔池中材料重量相等或更大 的電磁力，消除熔池材料的下落。對(duì)于寬數(shù)十毫米的無(wú)支撐成形部分，高效 率的成形可采用等離子弧寬向擺動(dòng)的方法。對(duì)于寬50咖，長(zhǎng)5 10mrn，厚約 0. 5 2mm的熔融部分，等離子弧焊接電流為2Q0 5OOA,根據(jù)該部分的重力約
為0. 0098N 0.0784N，制作匝數(shù)為50匝的電磁感應(yīng)線圈，置于無(wú)支撐熔融部
分下方，在30A 500A左右的范圍內(nèi)，通過(guò)控制和調(diào)整該線圈的電流大小，
產(chǎn)生方向向上，大約與上述熔融材料重力相等或更大的電磁力，消除熔融材
料的下落。其它有支撐的部分可按實(shí)施例3的方式和條件，采用等離子弧成
形。在此條件下，采用鐵-鎳-鉻合金粉末，在基板上按照由零件三維CAD模
型得到的數(shù)字化成形路徑，逐層熔積層積成形。上述兩個(gè)成形過(guò)程分別或交
替進(jìn)行，并復(fù)合研磨或拋光精整加工，直至達(dá)到零件的尺寸和表面質(zhì)量要求。
實(shí)施例5:采用電壓為420v 480v，頻率為10赫茲的YAG固體激光器發(fā) 出的激光束，對(duì)有支撐的鐵-鎳-鉻合金零件的外壁為金屬陶瓷或金屬間化合 物或陶瓷的單質(zhì)，或與合金的梯度材料的部分激光成形，根據(jù)熔池的體積計(jì) 算熔池中材料的重量長(zhǎng)x寬x高x密度x重力加速度- (0. 001m 0.0005m ) * ( 0. 001m 0.0005m ) * ( 0. 0001m 0.0005 m) *6*103kg/m3*9. 8m/s2" 0. 00006N 0.000003N，制作匝數(shù)為15匝的電磁感應(yīng)線圈，置于有支撐部分 熔池側(cè)面，在1A 20A左右的范圍內(nèi)，通過(guò)控制和調(diào)整該線圈的電流大小， 產(chǎn)生對(duì)熔池側(cè)面壓縮的電磁力，消除熔池材料的流淌。對(duì)于其它有支撐的鐵-鎳-鉻合金部分也可按實(shí)施例3的方式，采用等離子弧成形。在此條件下，采 用金屬陶瓷或金屬間化合物或陶瓷，以及鐵-鎳-鉻合金粉末，在基板上按照 由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化成形路徑，逐層熔積層積成形。上述兩個(gè) 成形過(guò)程分別或交替進(jìn)行，并復(fù)合研磨或拋光精整加工，直至達(dá)到零件的尺 寸和表面質(zhì)量要求。
權(quán)利要求
1．一種零件或模具的無(wú)模熔融層積制造方法，包括(1)模型分層步驟；根據(jù)零件或模具的三維CAD模型的尺寸精度要求，對(duì)該模型進(jìn)行分層切片處理；(2)生成數(shù)控代碼步驟；計(jì)算機(jī)根據(jù)分層切片數(shù)據(jù)和各層切片尺寸和形狀的特點(diǎn)進(jìn)行成形路徑規(guī)劃，生成各層成形所需的數(shù)控代碼；(3)熔積成形步驟；采用數(shù)控的氣體保護(hù)焊弧或激光束，將熔融材料的絲材或粉末，在基板上按照各層數(shù)控代碼逐層熔積成形，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面要求；其特征在于在進(jìn)行所述步驟(3)的同時(shí)，通過(guò)安裝在熔池附近的電磁線圈產(chǎn)生作用于熔池中熔融材料的電磁場(chǎng)，電磁線圈匝數(shù)為15匝～50匝，電流為1A～500A；當(dāng)防止熔融材料下落時(shí)，根據(jù)熔池中熔融材料的重量，調(diào)整電磁線圈電流，產(chǎn)生向上的可支撐熔融材料重量的電磁力；當(dāng)減少或消除熔融材料流淌、坍塌、表面階梯效應(yīng)時(shí)，調(diào)整電磁線圈電流，產(chǎn)生向內(nèi)的電磁力，作用于熔池中的熔融材料，支撐和限制熔融材料向下和向熔池外的流淌。
2. 權(quán)禾腰求1所述的無(wú)模熔融層積制造方法，其特征在于 所述熔積成形步驟中，熔融材料為金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷或者它們的梯度功能材料；交替采用氣體保護(hù)焊弧或激光束進(jìn)行熔積成形。<p >3. 權(quán)利要求1或2所述的無(wú)模熔融層積制造方法，其特征在于 所述熔積成形步驟中，若成形體達(dá)不到零件或模具的尺寸和表面精度的要求，則在成形過(guò)程中逐層或多層分段采用研磨、拋光，對(duì)成形體進(jìn)行精整 加工，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面要求。
全文摘要
零件或模具的無(wú)模熔融層積制造方法，屬于無(wú)模生長(zhǎng)型制造方法，解決現(xiàn)有方法在無(wú)支撐、無(wú)模熔積成形過(guò)程中熔融材料下落、流淌、坍塌問(wèn)題。本發(fā)明包括下述步驟(1)對(duì)零件或模具的三維CAD模型進(jìn)行分層切片處理；(2)計(jì)算機(jī)根據(jù)分層切片數(shù)據(jù)和各層切片尺寸和形狀的特點(diǎn)生成各層成形所需的數(shù)控代碼；(3)采用數(shù)控的氣體保護(hù)焊弧或激光束，將熔融材料在基板上按照各層數(shù)控代碼逐層熔積成形，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面要求；同時(shí)，通過(guò)電磁裝置產(chǎn)生作用于熔池中熔融材料的電磁場(chǎng)。采用本發(fā)明可以快速、低成本、高質(zhì)量地獲得金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷及其梯度功能材料的零件或模具。
文檔編號(hào)B23K37/06GK101362272SQ20081019700
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者張海鷗, 王桂蘭, 韋忠朝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)