本發(fā)明涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向空腔薄壁結(jié)構(gòu)件的多支撐面構(gòu)型的激光增材制造方法。

背景技術(shù)：

對于面向航空類結(jié)構(gòu)制造和設(shè)計，最終成品的使用性能以及零件質(zhì)量是衡量結(jié)構(gòu)合理性的重要指標(biāo)?，F(xiàn)階段對于許多航空結(jié)構(gòu)件制備，要求在保證零件使用性能的基礎(chǔ)上，盡量采用空腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)減重。而大型空腔結(jié)構(gòu)件的制備，常規(guī)鑄造及焊接工藝常常無法制備，且存在制造周期長、工藝復(fù)雜等缺陷。

激光增材制造技術(shù)通過計算機智能控制，將材料逐層累加成型，最終實現(xiàn)具有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實體零部件制造，其材料利用率可達90％以上，是一項典型的數(shù)字化制造、綠色智能制造技術(shù)。與傳統(tǒng)成形工藝相比，激光增材制造技術(shù)在實現(xiàn)常規(guī)成形難加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及單件、小批量研制方面有著很大的優(yōu)勢。

在制備大型空腔結(jié)構(gòu)件方面，激光增材制造技術(shù)采用“點—線—面—體”的方式完成零件的制備過程，最終零件制備是由一系列離散化的層片疊加而成，具有柔性和可設(shè)計性的優(yōu)勢，可方便制備具有一些復(fù)雜的、具有幾何尺寸畸變的結(jié)構(gòu)，使其特別適合大型空腔薄壁結(jié)構(gòu)的制備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種面向空腔薄壁結(jié)構(gòu)件的多支撐面構(gòu)型的激光增材制造方法，該方法具有成形效率高、易于操作、成本低等優(yōu)勢。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種面向空腔薄壁結(jié)構(gòu)件的多支撐面構(gòu)型的激光增材制造方法，該方法是采用激光增材制造技術(shù)成形高溫合金空腔薄壁結(jié)構(gòu)件，具體包括如下步驟：

(1)確定增材制造的成形方向：選擇結(jié)構(gòu)件正投影面積最大方向為增材制造堆積方向；

(2)對成形零件模型進行轉(zhuǎn)化：在與基板接觸位置處增加6mm余量以實現(xiàn)機械加工及基板微變形補償；并在零件模型外輪廓位置處預(yù)留后機械加工余量；選擇基板厚度為25mm以上；

(3)多支撐面構(gòu)型設(shè)計：

零件結(jié)構(gòu)空腔位置的下部分采用增材制造，空腔位置的下部分成形后，采用同材質(zhì)的支撐結(jié)構(gòu)焊接在已成形部分的相應(yīng)位置處，然后以該支撐結(jié)構(gòu)為支撐，在該支撐結(jié)構(gòu)的外表面上繼續(xù)進行增材制造，直至成形整個結(jié)構(gòu)件。

步驟(1)中，對于軸向與沉積方向垂直的流道結(jié)構(gòu)制造，其中流道結(jié)構(gòu)z向(與軸向垂直的方向)為增材制造堆積方向，待成形結(jié)構(gòu)軸向為x方向。

步驟(3)中，在將支撐結(jié)構(gòu)與已成形部分進行焊接的過程中，采用夾緊裝置使支撐結(jié)構(gòu)和已成形部分緊密結(jié)合。

步驟(3)中，對于軸向與沉積方向垂直的流道結(jié)構(gòu)制造，零件下部分采用增材制造，上部分采用內(nèi)徑為30mm、壁厚3mm的合金鑄態(tài)管作為支撐結(jié)構(gòu)，將同材質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)焊接在已成形流道下部分位置處，然后以該鑄態(tài)管為支撐，在其外表面進行增材制造；對于其他空腔結(jié)構(gòu)，將壁厚3mm的合金板材作為支撐結(jié)構(gòu)并焊接于已成型空腔位置處，然后在該支撐結(jié)構(gòu)上表面實現(xiàn)增材制造。

本發(fā)明在增材制造過程中，分層間距為0.5-1mm(采用軟件進行分層切片處理，并轉(zhuǎn)化為加工代碼；在零件結(jié)構(gòu)變化緩慢位置處分層間距設(shè)置為1mm，在結(jié)構(gòu)變化劇烈的位置處，分層間距設(shè)置為0.5mm)。

本發(fā)明在增材制造過程中，采用回型掃描方式，先掃描零件外部輪廓，后掃描零件內(nèi)部輪廓。采用回型掃描方式時，根據(jù)零件路徑的曲率大小設(shè)置步長，路徑曲率小的位置，步長加大。(對于零件路徑出現(xiàn)小曲率位置處，進行掃描路徑提取特征點模糊化處理，從而避免了由于該位置處點密而造成激光停留時間過長，導(dǎo)致成形結(jié)構(gòu)在該位置處出現(xiàn)凸起。)

采用回型掃描方式時，根據(jù)切片層形狀變化情況，調(diào)整掃描間距在3mm-2mm之間，并通過添加路徑補償?shù)姆绞剑ＷC成形層表面質(zhì)量。

本發(fā)明在增材制造過程中，調(diào)整薄壁結(jié)構(gòu)位置掃描速度以及進行基準(zhǔn)點偏移，即相鄰兩層(n層和n+1層)分別向初始路徑兩側(cè)傾斜，傾斜距離為0.5mm-1mm，在n+2層按初始路徑加工不發(fā)生偏移加工，保證連續(xù)進行。

本發(fā)明增材制造方法的設(shè)計原理及有益效果如下：

1、對成形零件的三維特征及局部結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合零件服役性能及關(guān)鍵尺寸精度需求，分析零件各部位結(jié)構(gòu)增材制造工藝性的難點，確定零件各個部位的增材制造實現(xiàn)方式。

2、激光增材制造最優(yōu)化制造方向確定：

依據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征及承力結(jié)構(gòu)分布，初步確定幾何優(yōu)化堆積方向，然后結(jié)合制造效率、材料利用率、支撐結(jié)構(gòu)需求、工藝合理性等因素進行綜合優(yōu)化，確定出最優(yōu)化的堆積方向。在確定了最優(yōu)化制造方向后，進行零件結(jié)構(gòu)由初始使用模型向制造模型轉(zhuǎn)化，主要包含零件變形補償、機械加工余量補償以及局部結(jié)構(gòu)的構(gòu)型修改處理，以滿足增材制造工藝性。

針對優(yōu)化后的模型進行成形基板加工，基板厚度要充分考慮到限制零件大變形的目的，另外，優(yōu)化后的模型待加工面往往不一定是平面，對于大型空腔零件的成形，需要在基板上機械加工出各個傾斜位置處的支撐結(jié)構(gòu)。

3、多支撐面構(gòu)型設(shè)計：

在大型空腔結(jié)構(gòu)件激光增材制造加工過程，結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)軸向垂直于增材制造方向的空腔結(jié)構(gòu)成形，采用“增材制造+鑄造+焊接”復(fù)合制造方式，實現(xiàn)了空腔結(jié)構(gòu)增材制造；同時避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形過程中需要復(fù)雜變位及結(jié)構(gòu)干涉而導(dǎo)致一些部位無法加工。具體來說，對于空腔結(jié)構(gòu)采用，利用激光增材制造技術(shù)成形空腔的底部和四壁，用鑄造技術(shù)成形頂部支撐結(jié)構(gòu)，用焊接技術(shù)將支撐結(jié)構(gòu)與成形腔結(jié)合，最后再用激光增材制造技術(shù)實現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)的整體覆蓋成形。對于空腔結(jié)構(gòu)的制造采用合理的支撐方式來實現(xiàn)，支撐結(jié)構(gòu)采用同成分合金，成形后支撐結(jié)構(gòu)無需取出。對于軸向與沉積方向垂直的管狀流道結(jié)構(gòu)制造，采用鑄造工藝+焊接工藝+增材制造復(fù)合制造工藝。工藝零件支撐構(gòu)型下部分采用增材制造，支撐結(jié)構(gòu)采用內(nèi)徑為30mm厚度3mm的k465合金鑄態(tài)管，將支撐結(jié)構(gòu)焊接在已成形流道部位，在支撐結(jié)構(gòu)上繼續(xù)進行激光增材制造，最終完成零件整體結(jié)構(gòu)成形。

4、路徑參數(shù)的規(guī)劃及工藝參數(shù)的適當(dāng)控制：

合理的切片分層與路徑組合，以實現(xiàn)成形過程應(yīng)力場合理控制、制件表面質(zhì)量保證(包含筋連接處質(zhì)量、路徑劃分盲區(qū)質(zhì)量)。對于出現(xiàn)表面缺陷位置，采取后續(xù)加工層路徑優(yōu)化、參數(shù)組合控制，保證連續(xù)穩(wěn)定進行。針對路徑盲區(qū)問題，本發(fā)明采用適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整掃描間距(2mm-3mm)之間，正常的掃描間距設(shè)置為2.5mm)，以及添加路徑補償?shù)姆绞?，保證成形層表面質(zhì)量。

5、基板變形導(dǎo)致的薄壁結(jié)構(gòu)傾斜補償措施的確定：

大型薄壁結(jié)構(gòu)增材制造過程，零件內(nèi)部存在著復(fù)雜的應(yīng)力場，而應(yīng)力場的存在會導(dǎo)致零件在位于基板邊緣位置處垂直生長的薄壁結(jié)構(gòu)傾斜，如不實時的調(diào)整會導(dǎo)致最終成形零件壁厚無法保證，甚至加工過程無法連續(xù)進行，本發(fā)明采用采用路徑補償以實現(xiàn)零件穩(wěn)定成形。為保證制造過程穩(wěn)定進行本專利采用調(diào)整薄壁結(jié)構(gòu)位置掃描速度以及適當(dāng)進行基準(zhǔn)點偏析，相鄰兩層(n層和n+1層)分別向初始路徑兩側(cè)傾斜，傾斜量依據(jù)熔池寬度設(shè)定，傾斜為0.5mm-1mm之間(熔池寬度為3mm)，保證待加工表面由“拱形”變?yōu)椤捌街毙汀?，在n+2層按初始路徑加工不發(fā)生偏移加工，可以保證連續(xù)進行。

附圖說明

圖1為零件局部結(jié)構(gòu)圖。

圖2為基板結(jié)構(gòu)圖。

圖3為軸向垂直堆積方向空腔結(jié)構(gòu)制造方式圖；其中：(a)為待成形結(jié)構(gòu)；(b)為成形示意圖。

圖4為支撐筋結(jié)構(gòu)位置處掃描路徑規(guī)劃圖；其中：(a)為支撐筋結(jié)構(gòu)，(b)為(a)中結(jié)構(gòu)的路徑規(guī)劃。

圖5為基板變形誘導(dǎo)零件薄壁處傾斜原理及相應(yīng)的路徑補償措施圖；其中：(a)傾斜原理，(b)為路徑補償措施。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

本實施例以k465鎳基合金多空腔航空復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件為制造對象，采用多支撐面構(gòu)型的激光增材制造方法實現(xiàn)了該零件的制造。零件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，分析零件三維結(jié)構(gòu)，待成形零件內(nèi)部存在多個空腔及流道結(jié)構(gòu)，另外零件屬于薄壁結(jié)構(gòu)，對于空腔結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式以及成形過程對薄壁結(jié)構(gòu)變形的控制是成形過程的難點。為了最大限度的限制零件變形，保證支撐結(jié)構(gòu)加入的可實現(xiàn)性，選擇投影面積最大方向為增材制造堆積方向，如圖1選擇z方向作為增材制造堆積方向。

在確定了增材制造最優(yōu)化制造方向后，依據(jù)工藝特征對成形零件模型進行轉(zhuǎn)化，在于基板接觸位置處增加6mm的余量以實現(xiàn)機械加工及基板微變形補償。并在零件外輪廓位置處進行模型優(yōu)化，預(yù)留一部分后機械加工余量。在充足的抗變形基礎(chǔ)上，選擇基板厚度為25mm以上，并依據(jù)待加工底面形狀進行基板上表面設(shè)計，本實施例采用的基板為帶一個斜坡結(jié)構(gòu)的基板，如圖2所示。

對于軸向與沉積方向垂直的流道結(jié)構(gòu)制造，如圖3所示，其中z向為增材制造堆積方向，要成形結(jié)構(gòu)軸向為x方向，零件下部分(z向下部分)采用增材制造，上部分采用內(nèi)徑為30mm，3mm厚的k465合金鑄態(tài)半管作為支撐結(jié)構(gòu)(半管的規(guī)格根據(jù)零件規(guī)格設(shè)定)，將該支撐結(jié)構(gòu)焊接在已成形流道下部分位置處，焊接過程中，要采用夾緊裝置使得鑄造態(tài)管和已成形部分充分結(jié)合，避免應(yīng)力過大而出現(xiàn)開裂情況。然后以該鑄態(tài)管為支撐，在鑄態(tài)管的外表面繼續(xù)進行增材制造，直至成型整個零件，制造方法原理圖如圖3所示。對于其他結(jié)構(gòu)(非流道結(jié)構(gòu))位置處空腔結(jié)構(gòu)，也采用相同的方式，即：空腔結(jié)構(gòu)的下部分采用增材制造，然后將同材質(zhì)的壁厚3mm板材焊接于已成型部分上，再以該板材為支撐結(jié)構(gòu)，在其上實現(xiàn)增材制造(如方筒形空腔結(jié)構(gòu))。

本發(fā)明在增材制造過程中，分層間距在0.5-1mm范圍可調(diào)；采用軟件進行分層切片處理，并轉(zhuǎn)化為加工代碼；在零件結(jié)構(gòu)變化緩慢位置處分層厚度設(shè)置為1mm，在結(jié)構(gòu)變化劇烈的位置處，分層間距設(shè)置為0.5mm；為了保證加工過程應(yīng)力場分布均勻，采用回型掃描方式，先掃描零件外部輪廓，后掃描零件內(nèi)部輪廓。采用該掃描方式進行掃描時，可根據(jù)零件路徑的曲率大小設(shè)置步長，路徑曲率越小，步長越大；本實施例中，對于零件路徑出現(xiàn)小曲率位置處，進行掃描路徑提取特征點模糊化處理(設(shè)置步長臨界值)，從而避免了由于該位置處點密而造成激光停留時間過長，導(dǎo)致成形結(jié)構(gòu)在該位置處出現(xiàn)凸起。

增材制造過程采用回型路徑實現(xiàn)零件增材制造，降低應(yīng)力水平，而對于切片層形狀變化劇烈等情況，通常會在最內(nèi)端，或者多個回字型路徑搭接處，造成路徑盲區(qū)，即采用軟件分層后該區(qū)域，沒有出現(xiàn)路徑劃分，圖4為零件內(nèi)部加強筋位置處兩加強筋連接處，該連接處出現(xiàn)一個小區(qū)域的路徑盲區(qū)，最終造成幾層沉積后，在該位置處出現(xiàn)凹坑。針對路徑盲區(qū)問題，本發(fā)明采用適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整掃描間距(3mm-2mm之間，正常的掃描間距設(shè)置為2.5mm)，以及添加路徑補償?shù)姆绞?，保證成形層表面質(zhì)量。

制造過程中，由于內(nèi)應(yīng)力的存在，成形基板出現(xiàn)上翹，如圖5(a)所示，在基板邊界位置處的與成形基板垂直或者近垂直的結(jié)構(gòu)必然出現(xiàn)傾斜。如不調(diào)整基準(zhǔn)點位置，在后續(xù)的成形過程會造成光斑按原始路徑無法掃描到已成形部位，造成薄壁結(jié)構(gòu)兩側(cè)塌陷，零件表面不平整出現(xiàn)“拱形”，如圖5(b)所示，造成“漏光”情況，這樣會造成薄壁結(jié)構(gòu)處位置壁厚逐漸減薄，為保證制造過程穩(wěn)定進行，本發(fā)明采用調(diào)整薄壁結(jié)構(gòu)位置掃描速度以及適當(dāng)進行基準(zhǔn)點偏移，即：相鄰兩層(n層和n+1層)分別向初始路徑兩側(cè)傾斜，傾斜量依據(jù)熔池寬度設(shè)定，本實施例采用傾斜距離為0.5mm-1mm之間(熔池寬度為3mm)，保證待加工表面由“拱形”變?yōu)椤捌街毙汀比鐖D5所示，在n+2層按初始路徑加工不發(fā)生偏移加工，可以保證連續(xù)進行。