專利名稱：零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法及其輔助裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于零件與模具的無(wú)模生長(zhǎng)制造與再制造方法。
背景技術(shù)：
高致密金屬零件或模具的無(wú)模熔積成形方法主要有大功率激光熔積成形、電子束 自由成形以及等離子熔積成形的方法。大功率激光熔積成形方法是采用大功率激光，逐層 將送到基板上的金屬粉末熔化，并快速凝固熔積成形，最終得到近終成形件；該方法成形精 度較高，工件的密度遠(yuǎn)高于選擇性激光燒結(jié)件，但成形效率、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，見A. J. Pinkkerton，L. Li, Effects of Geometry and Composition in Coaxial Laser Deposition of 316 L Steel for RapidProtyping, Annals ofthe CIRP，Vol. 52，1 (2003)，pl81_184。電子束自由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；該方法成形精度較高、成形質(zhì)量較好，然而其工藝條件要求嚴(yán)格，整個(gè) 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，見Matz J.E.， Eagar T. W. Carbide formation in Alloy 718 during electron-beam solidfreeform fabrication. Metallurgical and Materials Transactions A :Physical Metallurgy andMaterials Science, 2002, v33 (8) :p2559_2567。等離子熔積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，該方法比前兩種方法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 成本低，但因弧柱直徑較前兩者大，成形的尺寸和表面精度不及前兩者，故與大功率激光 熔積成形方法相似，大都要在成形完后進(jìn)行精整加工，見Haiou Zhang, JipengXu, Guilan Wang, Fundamental Study on Plasma Deposition Manufacturing, Surface andCoating Technology, v. 171 (1-3)，2003，pp. 112 118 ；以及張海鷗，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)報(bào)(自然科學(xué)版)，v 33,η 11， 2005，ρ 54-56。然而，直接成形的難加工材料零件因急冷凝固使表面硬度增大，導(dǎo)致加工 非常困難；形狀復(fù)雜的零件還需多次裝夾，致使加工時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)甚至要占整個(gè)制造周期的 60%以上，成為高性能難加工零件低成本短流程生長(zhǎng)制造的瓶頸。為此，出現(xiàn)了等離子熔積 成形與銑削加工復(fù)合無(wú)模快速制造方法，即以等離子束為成形熱源，在分層或分段熔積成 形過(guò)程中，依次交叉進(jìn)行熔積成形與數(shù)控銑削精加工，以實(shí)現(xiàn)短流程、低成本的直接精確制 造，見ZL00131288. X，直接快速制造模具與零件的方法及其裝置；以及張海鷗，熊新紅，王 桂蘭，等離子熔積/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，Vol 18，No. 14 :P1723 1725。上述三種方法中，大功率激光熔積成形法和等離子成形法皆為無(wú)支撐、無(wú)模熔 積成形勻質(zhì)或復(fù)合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(Laminated Object Manufacturing紙疊層成形)、SUV(Stereolithography Apparatus jtMiti^M ) ,FDM(Fused Deposition Modeling ^Vi 沉積制造)、SLS (Selective Laser Sintefing選擇性激光燒結(jié))等有支撐的無(wú)模堆積成形 的方法相比，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，并可成形梯度功能材料的零件，但同時(shí)也因無(wú) 支撐而在有懸臂的復(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 淌等現(xiàn)象，導(dǎo)致難以熔積成形。等離子熔積銑削復(fù)合制造方法雖通過(guò)分層的成形和銑削精 整，降低了加工復(fù)雜程度，但對(duì)于側(cè)面帶大傾角尤其是橫向懸角部分的復(fù)雜形狀零件，堆積 成形時(shí)因重力產(chǎn)生的流淌甚至塌落仍不能避免，以至無(wú)法橫向生長(zhǎng)成形。為此，美國(guó)Michigan大學(xué)、Southern Methodist大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等一些 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)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條件下，見P. Singh, D. Dutta, Multi-direction si icing for layered manufacturing, Journal of Computing andlnformation Science and Engineering,2001,2, pp 129-142 ；Jianzhong Ruan, Todd E.Sparks,Ajay Panackal et.al. Automated Slicing for a Multiaxis Metal Deposition System. Journal of Manufacturing Science and Engineering. APRIL 2007, Vol. 129. pp 303-310 ；R. Dwivedi, R. Kovacevic, An expert system for generation of machine inputs for laser-basedmulti-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。此外，航空航天、能源動(dòng)力等行業(yè)對(duì)零部件的組織性能及其穩(wěn)定性的要求很高，現(xiàn) 有無(wú)?？焖僦圃旆椒ㄒ蚱浼彼偌訜峥焖倌毯妥杂缮L(zhǎng)成形的特點(diǎn)，成形過(guò)程中的開裂難 以避免，組織性能的穩(wěn)定性尚不能滿足要求。以上諸問(wèn)題已成為制約高能束直接成形技術(shù) 能否進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用所急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸問(wèn)題。因此，制造業(yè) 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，可有效防止熔融層積材料下落、 流淌、開裂并提高制造精度和改善組織性能的新方法。值得注意的是，連鑄直接軋制技術(shù)是鋼鐵工業(yè)革命性的新技術(shù)，它變革了連鑄與 軋制分離的傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了制坯與成形加工一體化的短流程制造，其中采用的 液芯壓下技術(shù)，不僅大幅度降低了能耗，而且細(xì)化了組織。見徐匡迪、劉清友，薄板坯流程 連鑄連軋過(guò)程中的細(xì)晶化現(xiàn)象分析，薄板坯連鑄連軋技術(shù)交流與開發(fā)協(xié)會(huì)第三次技術(shù)交流 會(huì)論文集[C], 2005 ；以及 Gunter Flemming, Karl-Ernst Hensger. Extension of product range and perspectives of CSP technology, MPTInternational,2000, (1) :54。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法，同時(shí)提供一種用于該方法 的輔助裝置，解決現(xiàn)有零件與模具的無(wú)模生長(zhǎng)制造方法中，熔融材料因重力作用而產(chǎn)生流淌、下落、坍塌，以及無(wú)模多層熔積生長(zhǎng)成形過(guò)程中因反復(fù)急熱急冷導(dǎo)致的成形件易開裂、 變形和殘余應(yīng)力大、組織性能不穩(wěn)定的問(wèn)題。本發(fā)明的一種零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法，包括一.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)零件或模 具的三維CAD模型進(jìn)行分層切片處理；二 .生成數(shù)控代碼步驟根據(jù)零件或模具的三維CAD模型分層切片數(shù)據(jù)和各層尺 寸和形狀的特點(diǎn)進(jìn)行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各層數(shù)控代碼；三.熔積成形步驟采用數(shù)控的氣體保護(hù)焊束或激光束，按照各層數(shù)控代碼指定 的軌跡，使用熔積成形焊槍，在基板上將金屬、金屬間化合物、陶瓷及復(fù)合梯度功能材料的 粉末或絲材逐層熔積成形；其特征在于在與氣體保護(hù)焊束和激光束作用下熔融軟化的區(qū)域相接觸處，安裝微型軋輥或微 型擠壓裝置；在進(jìn)行熔積成形步驟的同時(shí)，微型軋輥或微型擠壓裝置隨著熔積區(qū)域同步移 動(dòng)，對(duì)熔積區(qū)域作壓縮成形與加工；逐層同步進(jìn)行熔積成形與加工，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面精度的要求。所述的熔積成形復(fù)合制造方法，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 具的尺寸和表面精度要求。所述的熔積成形復(fù)合制造方法，其特征在于所述熔積成形步驟中，所述熔積成形焊槍為等離子焊槍、氣體保護(hù)焊槍或者激光 焊頭；所述金屬為可用于氣體保護(hù)焊或激光焊接的金屬或合金材料；所述金屬間化合物為可用于表面熔覆的金屬間化合物材料；所述陶瓷為可用于表面熔覆的陶瓷材料；所述復(fù)合或梯度功能材料為由上述金屬、金屬間化合物、陶瓷復(fù)合的材料，或復(fù)合 之后材料成分可梯度變化的材料。所述微型軋輥或微型擠壓裝置可以固定于所述熔積成形焊槍頭上，在逐層熔積成 形過(guò)程中，微型軋輥或微型擠壓裝置隨熔積成形焊槍同步運(yùn)動(dòng)，微型軋輥的側(cè)立輥或微型 擠壓裝置的夾板跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，起類似連鑄結(jié)晶器和導(dǎo)輥?zhàn)饔?，并能根?jù)制件壁 厚和輪廓形狀，調(diào)整間距和角度，從而約束熔池中熔融材料的流動(dòng)，防止無(wú)支撐情況下熔融 材料因重力產(chǎn)生的流淌、滴落/坍塌、從而保證復(fù)雜形狀零件的可成形性，并改善側(cè)表面精 度；若要進(jìn)一步改善熔積層的層高精度、表面質(zhì)量、成形性和組織性能，讓微型軋輥帶孔型 的水平輥(可以為輥組)或微型擠壓裝置的壓板始終保持與熔池后方附近的半凝固軟化區(qū) 域相接觸，對(duì)該區(qū)域施加塑性變形，從而達(dá)到提高熔積層的精度、表面光潔度，降低焊道及 附近區(qū)域附加拉應(yīng)力，避免變形與開裂，并改善組織性能的目的。所述微型軋輥或微型擠壓裝置也可固定于數(shù)控加工頭上或機(jī)器人手腕上，所述數(shù)控加工頭或機(jī)器人手腕與熔積成形制造中使用的熔積成形焊槍保持同步，在逐層熔積成形 過(guò)程中，微型軋輥或微型擠壓裝置隨熔積成形焊槍運(yùn)動(dòng)，微型軋輥的側(cè)立輥或微型擠壓裝置的夾板跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，并能根據(jù)制件壁厚和輪廓形狀，調(diào)整間距和角度，防止復(fù) 雜形狀零件無(wú)支撐直接成形情況熔融材料的流淌、滴落/坍塌，從而保證任意復(fù)雜形狀零 件的成形性，并改善側(cè)表面精度；若要進(jìn)一步改善熔積層的高度的精度、表面質(zhì)量、成形性 和組織性能，微型軋輥的帶孔型的水平輥(可以為輥組)或微型擠壓裝置的壓板柔性跟蹤 熔池后方附近的半凝固軟化區(qū)域，對(duì)該區(qū)域施加塑性變形，以降低焊道及附近區(qū)域附加拉 應(yīng)力，避免變形與開裂，提高形狀尺寸精度，并改善組織性能。
對(duì)于有些只需單側(cè)面受迫成形的情況，如在模具的熔融成形過(guò)程中，有些凹陷的 型面部分，可采用單面微型軋輥或微型擠壓裝置的輔助成形；此外，還可采用上述方法和輔 助的微型受迫成形裝置，進(jìn)行零件或模具的修復(fù)。本發(fā)明的一種用于所述零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法的微型軋輥，包括 左、右側(cè)立輥和水平輥，其特征在于所述左、右側(cè)立輥分別通過(guò)軸銷與左、右旋轉(zhuǎn)臂連接，左、右旋轉(zhuǎn)臂分別通過(guò)軸銷 與左、右垂直臂連接，左、右垂直臂固聯(lián)在第一固定架上；所述水平輥通過(guò)軸銷與后旋轉(zhuǎn)臂連接，后旋轉(zhuǎn)臂通過(guò)軸銷與后垂直臂連接，后垂 直臂固聯(lián)在第二固定架上。微型軋輥的第一、第二固定架可以固定于熔積成形焊槍頭上，也可以固定于數(shù)控 加工頭上或機(jī)器人手腕上，數(shù)控加工頭或機(jī)器人手腕與熔積成形焊槍保持同步。在逐層熔積成形過(guò)程中，微型軋輥隨熔積成形焊槍同步運(yùn)動(dòng)，立輥跟隨在熔融軟 化區(qū)側(cè)面，起類似連鑄結(jié)晶器和導(dǎo)輥?zhàn)饔?，并能根?jù)制件壁厚和輪廓形狀，調(diào)整間距和角 度，從而約束熔池中熔融材料的流動(dòng)，防止無(wú)支撐情況下熔融材料因重力產(chǎn)生的流淌、滴落 /坍塌、從而保證復(fù)雜形狀零件的可成形性，并改善側(cè)表面精度；若要進(jìn)一步改善熔積層的 層高精度、表面質(zhì)量、成形性和組織性能，讓微型帶孔型的水平輥始終保持與熔池后方附近 的半凝固軟化區(qū)域相接觸，對(duì)該區(qū)域施加塑性變形，從而達(dá)到提高熔積層的精度、表面光潔 度，降低焊道及附近區(qū)域附加拉應(yīng)力，避免變形與開裂，并改善組織性能的目的。本發(fā)明采用氣體保護(hù)焊(非熔化極的鎢極惰性氣體保護(hù)焊、等離子弧焊；熔化極 的活性氣體保護(hù)焊和惰性氣體保護(hù)焊)或大功率激光成形，在將粉末或絲材熔化的無(wú)支 撐、無(wú)模熔積成形過(guò)程中，通過(guò)安裝在熔池后方的微型軋輥或擠壓工具，對(duì)該半融熔/軟化 區(qū)及其附近區(qū)域的材料進(jìn)行和軋制受迫變形或擠壓受迫變形，產(chǎn)生壓縮應(yīng)變和壓縮應(yīng)力狀 態(tài)，避免開裂、減輕或消除殘余應(yīng)力、改善組織性能；同時(shí)通過(guò)安裝在熔池兩側(cè)的微型立輥 或?qū)О寮s束熔池中熔融材料的流動(dòng)，即進(jìn)行約束流變成形，防止無(wú)支撐情況下熔融材料因 重力產(chǎn)生的下落、流淌、坍塌等，從而保證復(fù)雜形狀零件的成形穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀(如 側(cè)壁帶懸角等)零件或模具的直接成形；該約束還可有效地減少成形體表面的階梯效應(yīng)， 提高成形精度和表面質(zhì)量，從而僅需少量或省去熔積成形體的銑削加工，而僅采用研磨或 拋光加工即可達(dá)到零件的尺寸和表面精度的要求。本發(fā)明保持氣體保護(hù)焊熔積成形比大功率激光熔積成形和電子束成形技術(shù)成形 效率高、成本低、成形體易于達(dá)到滿密度的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)鑒于大功率激光熔積成形與等離子熔 積成形類似，同屬無(wú)支撐、無(wú)模熔積成形技術(shù)，在復(fù)雜形狀成形、開裂、組織性能等方面也存 在與等離子成形類似的問(wèn)題，故也可用于大功率激光熔積成形，以解決與等離子熔積成形 類似的上述問(wèn)題。因此，采用本發(fā)明可以高質(zhì)量、快速、低成本地獲得金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷及其復(fù)合梯度功能材料的零件或模具。本發(fā)明還可用于零件或模具的表面修復(fù)或強(qiáng)化，克服現(xiàn)有方法在修復(fù)或強(qiáng)化完后 對(duì)急冷硬化的修復(fù)和強(qiáng)化層進(jìn)行后續(xù)精加工非常困難的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。


圖1為固定在焊槍上的微型軋輥示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 采用非熔化極氣體保護(hù)焊的等離子熔積槍，固定在等離子熔積槍上的微型軋輥隨 等離子熔積槍同步運(yùn)動(dòng)，側(cè)立輥跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面。非熔化極氣體保護(hù)焊的焊接電流 為60A，并根據(jù)待熔積制造的模具型腔的使用性能要求，采用鐵_鎳_鉻合金粉末，在基板 上按照由模具三維CAD模型得到的數(shù)字化成形加工路徑，逐層同步進(jìn)行熔積成形與微型受 迫成形加工；若模具型腔形狀復(fù)雜，則需在上述同步成形加工過(guò)程中進(jìn)行表面精整加工，因 此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過(guò)程中逐層或數(shù) 層分段復(fù)合進(jìn)行研磨、拋光精整加工。該精整加工過(guò)程與同步成形加工過(guò)程交替進(jìn)行，直到 模具型腔成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達(dá)到要求。對(duì)于模具凸模部分，可按與上述過(guò)程相 同的步驟同步成形加工，并依次交替進(jìn)行精整加工，直到模具凸模成形加工結(jié)束，尺寸和表 面精度達(dá)到要求。此外，根據(jù)凸模形狀的復(fù)雜程度，精整加工亦可在同步成形加工完成后進(jìn) 行。實(shí)施例2 采用熔化極氣體保護(hù)焊槍，固定在該焊槍上的微型擠壓裝置隨之同步運(yùn)動(dòng)，夾板 跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，熔化極氣體保護(hù)焊槍的焊接電流為50A，對(duì)于鋁合金零件，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)字化成形加工路徑，逐層同步進(jìn)行 熔積成形與微型受迫成形加工。從細(xì)化晶粒和提高組織性能的要求出發(fā)，可使該復(fù)合場(chǎng)成 形加工在振動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行；對(duì)于零件復(fù)雜形狀部分，按照與上述成形加工路徑復(fù)合的研磨、 拋光路徑規(guī)劃，在該同步成形加工過(guò)程中逐層或數(shù)層分段交替進(jìn)行研磨、拋光精整加工，直 到零件成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達(dá)到零件的要求。實(shí)施例3 采用功率為IOOOw的固體激光器、固定在激光頭上的微型軋輥隨激光頭同步運(yùn) 動(dòng)，側(cè)立輥跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，帶孔型的水平輥柔性跟蹤熔池后方附近的半凝固軟化 區(qū)域，在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化成形加工路徑，逐層同步進(jìn)行激光 熔積成形與微型受迫成形加工高溫合金零件。若零件形狀復(fù)雜，則需在成形過(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)程與同步成形加工過(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:采用梯度功能材料送粉器、轉(zhuǎn)移弧電流為70A的等離子熔積槍，微型軋輥固定在 工業(yè)機(jī)器人手腕上，工業(yè)機(jī)器人手腕與熔積成形制造中使用的數(shù)控等離子熔積槍保持同步，側(cè)立輥跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，帶孔型的水平輥柔性跟蹤熔池后方附近的半凝固軟化 區(qū)域。將鎳鋁金屬間化合物粉末與鎳基高溫合金粉末，按照由帶有梯度功能材料成分分布 信息的三維CAD模型得到的數(shù)字化熔積成形路徑，逐層同步進(jìn)行等離子熔積成形與微型擠 壓成形加工該梯度功能材料零件。根據(jù)零件的成形加工精度和表面質(zhì)量的要求，可在同步 成形加工過(guò)程中交替復(fù)合進(jìn)行表面研磨或拋光精整加工，直至達(dá)到零件所需的尺寸和表面 質(zhì)量的要求。實(shí)施例5 實(shí)施例1、3、4和本實(shí)施例所使用的微型軋輥如圖1所示，包括左側(cè)立輥9、右側(cè)立 輥6和水平輥11，所述左側(cè)立輥9、右側(cè)立輥6分別通過(guò)軸銷與左旋轉(zhuǎn)臂12、右旋轉(zhuǎn)臂5連 接，左、右旋轉(zhuǎn)臂分別通過(guò)軸銷與左垂直臂13、右垂直臂2連接，左、右垂直臂固聯(lián)在第一固 定架1上；所述水平輥11通過(guò)軸銷與后旋轉(zhuǎn)臂4連接，后旋轉(zhuǎn)臂4通過(guò)軸銷與后垂直臂3連 接，后垂直臂3固聯(lián)在第二固定架14上。
本實(shí)施例采用熔化極氣體保護(hù)焊槍，固定在數(shù)控焊槍15上的微型軋輥隨焊槍同 步運(yùn)動(dòng)，加工成形件7置于基座8上，帶孔型的水平輥11柔性跟蹤熔池后方附近的半凝固 軟化區(qū)域，熔化極氣體保護(hù)焊槍的焊接電流為60A，根據(jù)待修復(fù)塑料模具的使用性能要求， 采用不銹鋼焊絲10，在模具待修復(fù)部位的表面上按照由模具三維CAD模型得到的數(shù)字化熔 積修復(fù)路徑，同步進(jìn)行熔積成形與微型軋制受迫成形加工；由于模具型腔的形狀復(fù)雜，需在 上述同步修復(fù)成形加工過(guò)程中進(jìn)行表面精整加工，因此，按照與同步修復(fù)成形加工路徑復(fù) 合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步修復(fù)成形加工過(guò)程中交替復(fù)合進(jìn)行研磨、拋光精整加工， 直到模具修復(fù)成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達(dá)到要求。
權(quán)利要求
一種零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法，包括一.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)零件或模具的三維CAD模型進(jìn)行分層切片處理；二.生成數(shù)控代碼步驟根據(jù)零件或模具的三維CAD模型分層切片數(shù)據(jù)和各層尺寸和形狀的特點(diǎn)進(jìn)行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各層數(shù)控代碼；三.熔積成形步驟采用數(shù)控的氣體保護(hù)焊束或激光束，按照各層數(shù)控代碼指定的軌跡，使用熔積成形焊槍，在基板上將金屬、金屬間化合物、陶瓷及復(fù)合梯度功能材料的粉末或絲材逐層熔積成形；其特征在于在與氣體保護(hù)焊束和激光束作用下熔融軟化的區(qū)域相接觸處，安裝微型軋輥或微型擠壓裝置；在進(jìn)行熔積成形步驟的同時(shí)，微型軋輥或微型擠壓裝置隨著熔積區(qū)域同步移動(dòng)，對(duì)熔積區(qū)域作壓縮成形與加工；逐層同步進(jìn)行熔積成形與加工，直至達(dá)到零件或模具的尺寸和表面精度的要求。
2.如權(quán)利要求1所述的熔積成形復(fù)合制造方法，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 尺寸和表面精度要求。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熔積成形復(fù)合制造方法，其特征在于所述熔積成形步驟中，所述熔積成形焊槍為等離子焊槍、氣體保護(hù)焊槍或者激光焊頭；所述金屬為可用于氣體保護(hù)焊或激光焊接的金屬或合金材料；所述金屬間化合物為可用于表面熔覆的金屬間化合物材料；所述陶瓷為可用于表面熔覆的陶瓷材料；所述復(fù)合或梯度功能材料為由上述金屬、金屬間化合物、陶瓷復(fù)合的材料，或復(fù)合之后 材料成分可梯度變化的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的熔積成形復(fù)合制造方法，其特征在于所述微型軋輥或微型擠壓裝置固定于所述熔積成形焊槍頭上，在逐層熔積成形過(guò)程 中，微型軋輥或微型擠壓裝置隨熔積成形焊槍同步運(yùn)動(dòng)，微型軋輥的側(cè)立輥或微型擠壓裝 置的夾板跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，微型軋輥的水平輥或微型擠壓裝置的壓板始終保持與熔 池后方附近的半凝固軟化區(qū)域相接觸，對(duì)該區(qū)域施加塑性變形。
5.如權(quán)利要求1所述的熔積成形復(fù)合制造方法，其特征在于所述微型軋輥或微型擠壓裝置固定于數(shù)控加工頭上或機(jī)器人手腕上，所述數(shù)控加工頭 或機(jī)器人手腕與熔積成形制造中使用的熔積成形焊槍保持同步，在逐層熔積成形過(guò)程中， 微型軋輥或微型擠壓裝置隨熔積成形焊槍運(yùn)動(dòng)，微型軋輥的側(cè)立輥或微型擠壓裝置的夾板 跟隨在熔融軟化區(qū)側(cè)面，微型軋輥的水平輥或微型擠壓裝置的壓板柔性跟蹤熔池后方附近 的半凝固軟化區(qū)域，對(duì)該區(qū)域施加塑性變形。
6.一種用于權(quán)利要求1所述熔積成形復(fù)合制造方法的微型軋輥，包括左、右側(cè)立輥和 水平輥，其特征在于所述左、右側(cè)立輥分別通過(guò)軸銷與左、右旋轉(zhuǎn)臂連接，左、右旋轉(zhuǎn)臂分別通過(guò)軸銷與左、右垂直臂連接，左、右垂直臂固聯(lián)在第一固定架上；所述水平輥通過(guò)軸銷與后旋轉(zhuǎn)臂連接，后旋轉(zhuǎn)臂通過(guò)軸銷與后垂直臂連接，后垂直臂固聯(lián)在第二固定架上。
全文摘要
零件與模具的熔積成形復(fù)合制造方法及其輔助裝置，屬于零件與模具的無(wú)模生長(zhǎng)制造與再制造方法，解決現(xiàn)有方法中，熔融材料流淌、坍塌，以及成形件易開裂、變形和殘余應(yīng)力大、組織性能不穩(wěn)定的問(wèn)題。本發(fā)明的方法包括模型分層、生成數(shù)控代碼和熔積成形步驟，在與熔融軟化的區(qū)域相接觸處，安裝微型軋輥或微型擠壓裝置；在進(jìn)行熔積成形步驟的同時(shí)，微型軋輥或微型擠壓裝置隨著熔積區(qū)域同步移動(dòng)，對(duì)熔積區(qū)域作壓縮成形與加工。本發(fā)明的微型軋輥，包括左、右側(cè)立輥和水平輥。本發(fā)明防止熔融材料下落、流淌、坍塌，避免成形件開裂、減輕或消除殘余應(yīng)力、改善組織性能，保證零件成形穩(wěn)定性，還可有效減少成形體表面的階梯效應(yīng)，提高成形精度和表面質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23P6/00GK101817121SQ20101014763
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者張海鷗, 王桂蘭 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)