空腔零件激光3d成形工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及空腔零件激光3D成形工藝，包括如下步驟：1)建立零件幾何模型；將模型分成定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域；會發(fā)生干涉的部分為定向成形區(qū)域，其余為法向成形區(qū)域；2)出射激光束，激光光斑與被送入的金屬粉末結(jié)合，完成一層材料的成形；在定向成形區(qū)域，光頭的軸線與豎直方向呈一固定的角度進(jìn)行掃描，若在法向成形區(qū)域，光頭的軸線與成形面的法線平行；3)使光頭移動一層材料的距離，重復(fù)步驟2)，至加工完成，這消除了干涉現(xiàn)象，獲得了更高的表面精度。在加工零件封口段時，將待加工面沿其軌跡分為多段，加工一段，冷卻一段時間，再繼續(xù)加工下一段，直至一層材料的成形，這解決了熱量的堆積問題，能夠?qū)崿F(xiàn)封口段正常成形。
【專利說明】
空腔零件激光3D成形工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種激光3D成形的工藝，特別是一種空腔零件激光3D成形工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]激光立體成形技術(shù)是由快速成形技術(shù)和激光熔覆技術(shù)結(jié)合形成的一種先進(jìn)制造技術(shù)，根據(jù)送粉方式的不同，分為兩種，一種是激光熔化沉積技術(shù)，簡稱LMD技術(shù);另一種是選擇性激光熔化技術(shù)，簡稱SLM技術(shù)。
[0003]LMD采用的是自動送粉，在加工成形過程中，金屬粉末從儲粉斗中通過噴嘴同步噴射到熔池中。由于金屬粉末是從噴嘴中動態(tài)噴出的，所以LMD技術(shù)中的激光光斑不能太小，否則大部分粉末不能被激光光斑捕捉。由于LMD技術(shù)中的激光光斑直徑較大，所制造的零件形狀相對比較簡單，成形線寬比較寬，成形件精度較差，需要較多的后續(xù)加工。LMD技術(shù)通常結(jié)合機(jī)床，制造大尺寸的零件。
[0004]SLM則采用預(yù)先鋪粉的方式，即預(yù)先鋪設(shè)一層金屬粉末，然后通過激光對金屬粉末實(shí)現(xiàn)選擇性熔化。由于金屬粉末處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此采用很小的激光光斑也能夠捕捉金屬粉末。SLM技術(shù)采用掃描振鏡實(shí)現(xiàn)激光與工件的相對運(yùn)動。加工的零件成形精度較高，一般用于制造中小零件。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，在加工零件的整個過程中時，特別是口徑較小的部位，容易發(fā)生激光光頭的下端或者激光光束與已經(jīng)成形的面發(fā)生干涉的現(xiàn)象，導(dǎo)致零件成形困難，零件成形表面精度低。此外對于制造中小尺寸的封閉空腔零件，在封口段，由于熱量累計嚴(yán)重，容易造成塌陷的情況，導(dǎo)致零件封口段表面精度低，甚至不能完全封口。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種能在加工過程中消除激光干涉現(xiàn)象、并且封口段加工效果好的空腔零件激光3D成形工藝。
[0007]本發(fā)明的空腔零件激光3D成形工藝，包括如下步驟:
[0008]I)建立空腔零件的三維幾何模型;根據(jù)計算激光光頭的下端或者激光光束是否會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉，將三維模型分成定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域;激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉的部分設(shè)置為定向成形區(qū)域，其余為法向成形區(qū)域；
[0009]2)激光光頭出射激光束，沿預(yù)先設(shè)定的路徑掃描;激光光斑與被送入的金屬粉末結(jié)合，完成一層材料的成形;其中，若在定向成形區(qū)域，激光光頭的軸線與豎直方向呈一固定的角度進(jìn)行掃描，選擇的上述角度能夠使得激光光頭的下端或者激光光束不會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉;若在法向成形區(qū)域，激光光頭的軸線與成形面的法線平行；
[0010]3)使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟2)，直至零件加工完成。
[0011 ]進(jìn)一步地，上述零件若為需要封口的零件，則在加工至零件封口段時，包括如下步驟:
[0012]I)將待加工面沿其軌跡分為多段，激光光束每熔覆一段后，關(guān)閉一段時間，再繼續(xù)熔覆下一段，直至一層材料的成形；
[0013]2)然后使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟I)進(jìn)行下一層材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。
[0014]進(jìn)一步地，所述激光光頭采用光內(nèi)送粉的方法。
[0015]進(jìn)一步地，加工較大曲率半徑的曲面時，激光光頭的軸線與豎直方向夾角為0°—60°，激光光頭的軸線與成形面切線的夾角不超過30°。
[0016]進(jìn)一步地，加工過程中，利用視覺控制系統(tǒng)測量、控制零件的層高。
[0017]進(jìn)一步地，所述激光光頭為環(huán)錐形中空激光光頭。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019]1.本發(fā)明將零件劃分為定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域，法向成形區(qū)域的加工方式能夠消除傳統(tǒng)的零件表面存在階梯效應(yīng)的問題，提高零件表面的精度;但是，在加工到口徑比較小的部位時，繼續(xù)采用法向成形區(qū)域的加工方式，容易發(fā)生干涉現(xiàn)象，所以將激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉的部分設(shè)置為定向成形區(qū)域，消除了干涉現(xiàn)象。本發(fā)明的空腔零件激光3D成形工藝制造的零件相對于現(xiàn)有空腔零件激光3D成形工藝制造的零件，獲得了更高的表面精度。
[0020]2.本發(fā)明在空腔零件封口段采用間歇式加工的方法，解決了現(xiàn)有的封口段加工過程中熱量的堆積問題，能夠?qū)崿F(xiàn)封口段正常成形。也使得封口段獲得更好的表面精度。
[0021]3.加工較大曲率半徑的曲面時，激光光頭的軸線與豎直方向夾角為0° — 60°，上述角度范圍內(nèi)，可避免發(fā)生激光光頭的下端或者激光光束與已經(jīng)成形的面發(fā)生干涉的現(xiàn)象。激光光頭的軸線與成形面切線的夾角不超過30°，此時零件成形效果較好。
[0022]4.所述激光光頭采用光內(nèi)送粉的方法，并且激光光頭為環(huán)錐形中空激光光頭。單根粉管置于中心，在空間多角度送粉過程中外層環(huán)狀準(zhǔn)直氣對于單根粉束的匯聚效果明顯，使其在空間變姿態(tài)激光熔覆成形過程中具有指向性好、無干涉，光、粉、氣一體同軸等優(yōu)點(diǎn)。送粉噴嘴在較大傾斜角度下仍能保持粉束的挺度，光頭軸線與豎直方向夾角120°時仍能進(jìn)行熔覆成形。有利于實(shí)現(xiàn)大角度傾斜結(jié)構(gòu)法向無錯層堆積成形，加工的零件尺寸準(zhǔn)確，表面粗糙度小。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明法向成形區(qū)域的加工示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明定向成形區(qū)域的加工示意圖。
[0025]其中，圖中α為光頭軸線與豎直方向之間的夾角，β為光頭軸線與成形面切線之間的夾角。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0027]實(shí)施例1:當(dāng)所述空腔零件不是封閉的空腔零件時，即空腔零件不需要封口時，空腔零件激光3D成形工藝，包括如下步驟:
[0028]I)建立空腔零件的三維幾何模型;根據(jù)計算激光光頭的下端或者激光光束是否會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉，將三維模型分成定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域;激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉的部分設(shè)置為定向成形區(qū)域，其余為法向成形區(qū)域；
[0029]2)激光光頭采用光內(nèi)送粉的方法，所述激光光頭為環(huán)錐形中空激光光頭。激光光頭出射激光束，沿預(yù)先設(shè)定的路徑掃描;激光光斑與被送入的金屬粉末結(jié)合，完成一層材料的成形;其中，若在定向成形區(qū)域，如圖2所示，激光光頭的軸線在一層材料的每一個加工位置都與豎直方向呈同一角度α進(jìn)行掃描，選擇的上述角度α能夠使得激光光頭的下端或者激光光束不會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉;若在法向成形區(qū)域，如圖1所示，激光光頭的軸線在每一個加工位置都與成形面的法線平行；
[0030]3)使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟2)，直至零件加工完成。加工過程中，利用視覺控制系統(tǒng)測量、控制零件的層高。
[0031 ]上述加工過程中，激光光斑功率密度為80w/mm2，掃描速度為5mm/s。
[0032]其中，加工較大曲率半徑的曲面時，激光光頭的軸線與豎直方向夾角α為0°— 60°，激光光頭的軸線與成形面切線的夾角β不超過30°。
[0033]實(shí)施例2:當(dāng)所述空腔零件是封閉的空腔零件時，空腔零件激光3D成形工藝，包括如下步驟:
[0034]I)建立空腔零件的三維幾何模型;根據(jù)計算激光光頭的下端或者激光光束是否會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉，將三維模型分成定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域;激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉的部分設(shè)置為定向成形區(qū)域，其余為法向成形區(qū)域；
[0035]2)激光光頭采用光內(nèi)送粉的方法，所述激光光頭為環(huán)錐形中空激光光頭。激光光頭出射激光束，沿預(yù)先設(shè)定的路徑掃描;激光光斑與被送入的金屬粉末結(jié)合，完成一層材料的成形;其中，若在定向成形區(qū)域，如圖2所示，激光光頭的軸線在一層材料的每一個加工位置都與豎直方向呈同一角度α進(jìn)行掃描，選擇的上述角度α能夠使得激光光頭的下端或者激光光束不會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉;若在法向成形區(qū)域，如圖1所示，激光光頭的軸線在每一個加工位置都與成形面的法線平行；
[0036]3)使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟2)，直至零件加工完成。加工過程中，利用視覺控制系統(tǒng)測量、控制零件的層高。
[0037]4)在加工至零件封口段時，由于封口段處，激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉，所以封口段處設(shè)置為定向成形區(qū)域，步驟如下:
[0038]a)首先使激光光頭的軸線與豎直方向呈一固定的角度進(jìn)行掃描，選擇的上述角度能夠使得激光光頭的下端或者激光光束不會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉;將待加工面沿其軌跡分為多段，激光光束每熔覆一段后，關(guān)閉一段時間，再繼續(xù)熔覆下一段，直至一層材料的成形；
[0039]b)然后使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟a)進(jìn)行下一層材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。
[0040]上述加工過程中，激光光斑功率密度為80w/mm2，掃描速度為5mm/s。
[0041]其中，加工較大曲率半徑的曲面時，激光光頭的軸線與豎直方向夾角α為0°— 60°，激光光頭的軸線與成形面切線的夾角β不超過30°。
[0042]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，上述的實(shí)施例僅僅是示范性的，是非限制性的。說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式，并且基于本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:包括如下步驟: 1)建立空腔零件的三維幾何模型;根據(jù)計算激光光頭的下端或者激光光束是否會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉，將三維模型分成定向成形區(qū)域和法向成形區(qū)域;激光光頭的下端或者激光光束會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉的部分設(shè)置為定向成形區(qū)域，其余為法向成形區(qū)域； 2)激光光頭出射激光束，沿預(yù)先設(shè)定的路徑掃描;激光光斑與被送入的金屬粉末結(jié)合，完成一層材料的成形;其中，若在定向成形區(qū)域，激光光頭的軸線與豎直方向呈一固定的角度進(jìn)行掃描，選擇的上述角度能夠使得激光光頭的下端或者激光光束不會與空腔零件的已成形部分發(fā)生干涉;若在法向成形區(qū)域，激光光頭的軸線與成形面的法線平行； 3)使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟2)，直至零件加工完成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:上述零件若為需要封口的零件，則在加工至零件封口段時，包括如下步驟: 1)將待加工面沿其軌跡分為多段，激光光束每熔覆一段后，關(guān)閉一段時間，再繼續(xù)熔覆下一段，直至一層材料的成形； 2)然后使激光光頭與剛成形的表面之間拉開一層材料的距離，重復(fù)步驟I)進(jìn)行下一層材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:所述激光光頭采用光內(nèi)送粉的方法。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:加工較大曲率半徑的曲面時，激光光頭的軸線與豎直方向夾角為0° — 60°，激光光頭的軸線與成形面切線的夾角不超過30°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:加工過程中，利用視覺控制系統(tǒng)測量、控制零件的層高。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空腔零件激光3D成形工藝，其特征在于:所述激光光頭為環(huán)錐形中空激光光頭。
【文檔編號】B22F5/10GK105834426SQ201610347935
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】傅戈雁, 方琴琴, 王聰, 石世宏, 鄧志強(qiáng), 周斌
【申請人】蘇州大學(xué)