专利名称：零件或模具的无模熔融层积制造方法
技术领域：
本发明属于零件与模具的无模生长型制造方法。
背景技术：
无模熔积成形高致密金属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、电子束自由成形、等离子熔积成形等方法。前者是采用大功 率激光，逐层将送到基板上的金属粉末熔化，并快速凝固逐层成形，最终得 到近终成形件，且成形精度较高，工件的密度远高于选择性激光烧结的方法，
见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.;但该技术存在成形效率、能量和材料的利用率不高、 不易达到满密度、设备投资和运行成本高等问题。电子束成形方法采用大功 率的电子束熔化粉末材料，根据计算机模型施加电磁场，控制电子束的运动， 逐层扫描直至整个零件成形完成，成形精度较高、成形质量较好，见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.。然而其工艺条件要求严格，# 成形过程需在真空中进行，致使成形尺寸受到限制，设备投资和运行成本很 高，且因采用与选择性烧结相同的层层铺粉方式，难以用于梯度功能材料零 件的成形。等离子成形方法是采用高度压縮、集束性好的等离子束熔化同步 供给的金属粉末或丝材，在基板上逐层熔积形成金属零件或模具的技术，具 有比前两者成形效率和材料利用率高，易于获得满密度，设备和运行成本很 低等特点，但因弧柱直径较前两者大，成形精度不及前两者。见(1)张海区鸟，
王桂兰，直接快速制造模具与零件的方法及其装置，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)张海鸥，吴红军，王桂兰,陈竞，等离子熔积直接成形高温合金件组织结构 研究，华中科技大学学报(自然科学版)，v33， n 11,2005,p 54-56. (4)张海区鸟，
熊新红，王桂兰，等离子熔积V铣削复合直接制造高温合金双螺旋整体叶轮，中 国机械工程，2007， Voll8, No.l4:P1723 1725。
上述3种方法中，大功率激光成形法和等离子成形法皆为无支撑的、无 模熔积成形熔点高的金属、金属间化合物、金属陶瓷、陶瓷及其梯度功能材 料零件的方法。与电子束成形、选择性激光烧结，以及采用熔点低的纸、树 脂、塑料等的LOM、 SLA、 FDM、 SLS等有支撑的、无模层积成形的方法相 比，虽避免了成形时因需要支撑而须添加和去除支撑材料导致的材料、工艺、 设备上的诸多不利，减少了制造时间，降低了成本，并可制造梯度功能材料 的零件，但同时也因无支撑而在有横向大侧斜或悬臂的复杂形状零件的成形 过程中，熔融材料在重力作用下，可能产生下落、流淌、坍塌等现象，导致 无法层积成形。
为此，国外一些研究机构如美国Michigan大学、Southern Methodist大学、 新加坡国立大学等研究采用变方向切片技术，选择支撑条件最多的方向作为 零件成形主方向，或将复杂形状零件分解成若干简单形状的部件依次成形的 方法；或开发五轴无模成形加工设备和软件，使熔融成形材料尽可能处于有 支撑的^f牛下；见(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。采用五轴加工技术，虽然改善 了生长成形的支撑条件，避免了材料的下落，但将导致空间干涉检验和成形 路径规划复杂，软件编程与加工时间长、难度大，有效工作空间受限，设备 投资和运行成本增加，而且对于复杂形状零件仍难以从根本上解决因重力造 成的流淌、坍塌等问题，致使零件成形精度不高，尺寸规格和形状复杂程度 受到限制等，己成为制约该技术进一步发展和工程实用化的瓶颈。因此，急 需开发在复杂形状零件的无支撑、无模熔积成形过程中，防止熔融层积材料 下落、流淌、坍塌等新的有效方法。
考虑熔融材料的落下、流淌等现象与熔积成形时热力学的应力、应变状 态密切相关的特点，从改变烙池的应力状态出发，探寻建立反重力的力场以 抑制无支撑条件下下落、流淌等问题产生的方法，应是在不降低材料使用性 能的条件下，提高复杂形状、高熔点材料的无支撑、无模熔积成形的成形性 和成形质量的新的有效途径。
发明内容
本发明提供一种零件或模具的无模熔融层积制造方法，解决现有方法在 无支撑、无模熔积成形过程中产生的熔融层积材料下落、流淌、坍塌等问题。
本发明的一种零件或模具的无模熔融层积帝隨方法，包括 (1)模型分层步骤；根据零件或模具的三维CAD模型的尺寸精度要求， 对该模型进行分层切片处理；(2)生成数控代码步骤；计算机根据分层切片 数据和各层切片尺寸和形状的特点进行成形路径规划，生成各层成形所需的 数控代码；(3)熔积成形步骤；采用数控的气体保护焊弧或激光束，将熔融 材料的丝材或粉末，在基板上按照各层数控代码逐层熔积成形，直至达到零 件或模具的尺寸和表面要求；其特征在于
在进行所述步骤(3)的同时，通过安装在熔池附近的电磁线圈产生作用 于熔池中熔融材料的电磁场，电磁线圈匝数为15匝 50距，电流为1A 500A; 当防止熔融材料下落时，根据熔池中熔融材料的重量，调整电磁线圈电流， 产生向上的可支撑熔融材料重量的电磁力；当减少或消除熔融材料流淌、坍 塌、表面阶梯效应时，调整电磁线圈电流，产生向内的电磁力，作用于熔池 中的熔融材料，支撑和限制熔融材料向下和向熔池外的流淌。
所述的无模熔融层积制造方法，其特征在于
所述熔积成形步骤中，熔融材料为金属、金属间化合物、金属陶瓷、陶 瓷或者它们的梯度功能材料；交替采用气体保护焊弧或激光束进行熔积成形。
所述的无模熔融层积制造方法，其特征在于-
所述熔积成形步骤中，若成形体达不到零件或模具的尺寸和表面精度的 要求，则在成形过程中逐层或多层分段采用研磨、抛光，对成形体进行精整 加工，直至达到零件或模具的尺寸和表面要求。
本发明在熔积成形过程中，对熔池中的熔融材料施加电磁约束，减少或 消除了熔融材料的下落、流淌、i丹塌和表面阶梯效应；在此条件下，主要以 带电磁约束的高效率、致密、低成本为特征的弧焊熔积方法进行快速逐层熔 积成形，在成形过程中可少量或省去铣肖咖工，仅复合研磨或抛光精整加工， 如此交替进行，在成形过程结束时达到零件所需的尺寸和表面精度；在复杂 精细形状和陶瓷材料零件的成形过程中，交替使用电弧或小功率激光束，获 得无需铣削加工而仅施以研磨或抛光即可满足零件的材料成分或结构设计， 尺寸和表面精度要求。
本发明保持气体保护焊烙积成形方法成本低，成形效率高，成形体易于 达到满密度的优点，而成形时仅复合了作用于小熔池的电磁约束力或小功率
激光束，这些小功率的电磁约束装置和激光器不会导致熔积成形设备和运行
成本的明显增加，仍低于大功率激光熔敷和电子束成形设备；而且因电磁场 的无形约束作用而减少了表面阶梯效应，以及在成形过程中复合了研磨或抛 光而达到零件的尺寸和表面精度，使其成形质量高于采用大功率激光和电子 束成形方法得到的零件的成形质量。因此，采用本发明可以快速、低成本、 高质量地获得金属、金属间化合物、金属陶瓷、陶瓷及其梯度功能材料的零 件或模具。
具体实施例方式
实施例l:采用熔化极气体保护熔积枪，焊接电流为40 50A。对于外壁 带外倾角的无支撑部分铝合金零件的成形，根据熔池体积计算熔池中材料的 重力长x宽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，制作匝数为20 Pl《的电磁感应线圈，置于无支撑部分熔池下方， 在14A 24A左右的范围内，通过调整该线圈的电流大小，产生方向向上，大 约与上述熔池中材料重量相等或更大的电磁力，消除或抑第鹏池材料的下落。 在此条件下，采用铝合金丝材，在基板上按照由零件三维CAD模型得到的数 字化成形路径，逐层熔积成形。为了达到所需的成形尺寸，可按上述步骤多 次进行，直至达到零件的形状和尺寸要求。
实施例2:采用熔化极气体保护熔积枪，焊接电流为50 60A。对于外壁 带外倾角的无支撑部分不锈钢零件的成形，根据熔池体积计算熔池中材料的 重力长x宽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 数为20匝的电磁感应线圈，置于无支撑部分熔池下方，在15A 35A左右的 范围内，通过控制和调整该线圈的电流大小，产生方向向上，大约与上述熔 池中材料重量相等或更大的电磁力，消除熔池材料的下落。在此条件下，采
用不锈钢丝材，在基板上按照由零件三维CAD模型得到的数字化成形路径， 逐层熔积成形。为了达到所需的成形尺寸，可按上述步骤多次进行，直至达 到零件的形状和尺寸要求。
实施例3:采用非熔化极气体保护焊的等离子弧熔积枪，焊接电流60 70A，对于有支撑的铁-镍-铬合金零件的成形，根据熔池的体积计算熔池中材 料的重量长x宽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， 制作匝数为19匝的电磁感应线圈，置于有支撑部分熔池侧面，在4A 16A左 右的范围内，通过控制和调整该线圈的电流大小，产生对熔池侧面压縮的电 磁力，消除熔池材料的流淌。在此条件下，采用铁-镍-铬合金粉末，在基板 上按照由零件三维CAD模型得到的数字化成形路径，逐层熔积层积成形。由 于模具的形状复杂，需在成形过程中进行精整加工，因此，按照与成形路径 复合的研磨、抛光路径规划，在成形过程中逐层或数层分段复合研磨、抛光 精整加工。该精整加工过程与成形过程交替进行，直到模具成形结束，尺寸 和表面精度达到要求。
实施例4:采用电压为420v 480v，频率为10赫兹的YAG固体激光器发
出的激光束，对铁-镍-铬合金零件的外壁带外倾角的无支撑的精细薄壁部分 激光成形，根据熔池的体积计算熔池中材料的重量长x宽x高x密度x重 力加速度=(0. 002m 0細m ) * (0. 002m O.OOl m ) * (0. 0001m 0細5m) *8*103kg/m3*9. 8m/s2"0. 00016N 0.000008N，制作匝数为20匝的电磁感应线 圈，置于无支撑部分熔池下方，在15A 30A左右的范围内，通过控制和调整 该线圈的电流大小，产生方向向上、大约与上述熔池中材料重量相等或更大 的电磁力，消除熔池材料的下落。对于宽数十毫米的无支撑成形部分，高效 率的成形可采用等离子弧宽向摆动的方法。对于宽50咖，长5 10mrn，厚约 0. 5 2mm的熔融部分，等离子弧焊接电流为2Q0 5OOA,根据该部分的重力约
为0. 0098N 0.0784N，制作匝数为50匝的电磁感应线圈，置于无支撑熔融部
分下方，在30A 500A左右的范围内，通过控制和调整该线圈的电流大小，
产生方向向上，大约与上述熔融材料重力相等或更大的电磁力，消除熔融材
料的下落。其它有支撑的部分可按实施例3的方式和条件，采用等离子弧成
形。在此条件下，采用铁-镍-铬合金粉末，在基板上按照由零件三维CAD模
型得到的数字化成形路径，逐层熔积层积成形。上述两个成形过程分别或交
替进行，并复合研磨或抛光精整加工，直至达到零件的尺寸和表面质量要求。
实施例5:采用电压为420v 480v，频率为10赫兹的YAG固体激光器发 出的激光束，对有支撑的铁-镍-铬合金零件的外壁为金属陶瓷或金属间化合 物或陶瓷的单质，或与合金的梯度材料的部分激光成形，根据熔池的体积计 算熔池中材料的重量长x宽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，制作匝数为15匝的电磁感应线圈，置于有支撑部分 熔池侧面，在1A 20A左右的范围内，通过控制和调整该线圈的电流大小， 产生对熔池侧面压縮的电磁力，消除熔池材料的流淌。对于其它有支撑的铁-镍-铬合金部分也可按实施例3的方式，采用等离子弧成形。在此条件下，采 用金属陶瓷或金属间化合物或陶瓷，以及铁-镍-铬合金粉末，在基板上按照 由零件三维CAD模型得到的数字化成形路径，逐层熔积层积成形。上述两个 成形过程分别或交替进行，并复合研磨或抛光精整加工，直至达到零件的尺 寸和表面质量要求。
权利要求
1．一种零件或模具的无模熔融层积制造方法，包括(1)模型分层步骤；根据零件或模具的三维CAD模型的尺寸精度要求，对该模型进行分层切片处理；(2)生成数控代码步骤；计算机根据分层切片数据和各层切片尺寸和形状的特点进行成形路径规划，生成各层成形所需的数控代码；(3)熔积成形步骤；采用数控的气体保护焊弧或激光束，将熔融材料的丝材或粉末，在基板上按照各层数控代码逐层熔积成形，直至达到零件或模具的尺寸和表面要求；其特征在于在进行所述步骤(3)的同时，通过安装在熔池附近的电磁线圈产生作用于熔池中熔融材料的电磁场，电磁线圈匝数为15匝～50匝，电流为1A～500A；当防止熔融材料下落时，根据熔池中熔融材料的重量，调整电磁线圈电流，产生向上的可支撑熔融材料重量的电磁力；当减少或消除熔融材料流淌、坍塌、表面阶梯效应时，调整电磁线圈电流，产生向内的电磁力，作用于熔池中的熔融材料，支撑和限制熔融材料向下和向熔池外的流淌。
2. 权禾腰求1所述的无模熔融层积制造方法，其特征在于 所述熔积成形步骤中，熔融材料为金属、金属间化合物、金属陶瓷、陶瓷或者它们的梯度功能材料；交替采用气体保护焊弧或激光束进行熔积成形。<p >3. 权利要求1或2所述的无模熔融层积制造方法，其特征在于 所述熔积成形步骤中，若成形体达不到零件或模具的尺寸和表面精度的要求，则在成形过程中逐层或多层分段采用研磨、抛光，对成形体进行精整 加工，直至达到零件或模具的尺寸和表面要求。
全文摘要
零件或模具的无模熔融层积制造方法，属于无模生长型制造方法，解决现有方法在无支撑、无模熔积成形过程中熔融材料下落、流淌、坍塌问题。本发明包括下述步骤(1)对零件或模具的三维CAD模型进行分层切片处理；(2)计算机根据分层切片数据和各层切片尺寸和形状的特点生成各层成形所需的数控代码；(3)采用数控的气体保护焊弧或激光束，将熔融材料在基板上按照各层数控代码逐层熔积成形，直至达到零件或模具的尺寸和表面要求；同时，通过电磁装置产生作用于熔池中熔融材料的电磁场。采用本发明可以快速、低成本、高质量地获得金属、金属间化合物、金属陶瓷、陶瓷及其梯度功能材料的零件或模具。
文档编号B23K37/06GK101362272SQ20081019700
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者张海鸥, 王桂兰, 韦忠朝 申请人:华中科技大学