选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法与流程

本发明涉及一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，属于金属零件设计及加工工艺技术领域，适用于制备低重量的特殊铝合金齿轮。

背景技术：

铝合金的密度小，约为铁的三分之一，但是强度较高，接近优质钢；其导电导热性能仅次于银、铜、金；表面常常会生成氧化铝保护膜，极大的提高了耐腐蚀性；塑性好，可用于加工各种型材。基于以上这些优良的性能，铝合金被广泛应用于机械制造、汽车、航空、航天、船舶和化学等领域。然而通过传统的铝合金加工方法得到的齿轮，结构较为单一，难以加工较为复杂的结构，同时这些结构往往会增加不必要的重量。将铝合金设计加工和选区激光熔化增材制造技术相结合，能够很好的解决上述问题，制造出重量不过剩、结构复杂的铝合金齿轮。但是通过选区激光熔化增材制造技术制造的齿轮也有其缺点，比如齿面表面质量不高。通过放电加工和选区激光熔化增材制造组合的加工方式提高铝合金齿轮的齿面表面质量，最终得到用于铝合金齿轮零件。

选区激光熔化增材制造技术利用激光束将选区内材料完全熔化，逐层堆积为实体零件，具有生产周期短、适合个性化定制以及可成形复杂结构零件的特点，与拓扑结构轻量化结合，能够在保证强度的前提下，减少较多的重量。选区激光熔化增材制造的零件组织致密、精度高，只需一些简单的后处理工艺就可使用，大大节省了时间与成本。本发明用放电加工代替传统的后处理工艺，实现选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮。放电加工又称电火花加工或电蚀加工，是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工等。电火花线切割加工是利用移动的细金属丝作为工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。

技术实现要素：

本发明针对上述不足，提供了一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，以切割出表面质量较好的铝合金齿轮。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，包括以下步骤：

步骤一：设计齿轮模型，并通过切片软件得到用于选区激光熔化增材制造的打印文件。

步骤二：以铝基金属粉末为原料，利用选区激光熔化增材制造技术制备增材制造样品。

步骤三：将步骤二得到的增材制造样品进行电火花线切割加工得到铝合金齿轮。

优选的，步骤一中所述齿轮模型是内部掏空的齿轮结构。

优选的，步骤二中所述铝基金属粉末为alsi10mg粉末，粒径为15-53μm，由于激光选区熔化的精度和层厚有限制，若粉末粒径过大将难以成形。

优选的，步骤二中所述铝基金属粉末首先在干燥炉中烘干，去除水分，保证打印质量，干燥炉参数设置为80℃、两小时。

优选的，步骤二中所述选区激光熔化增材制造时成形舱体内应使用ar、he中的一种或两种气体保护，并维持舱体压力为0.5-1.0mpa。

优选的，步骤二中所述选区激光熔化增材制造时激光功率为420w，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为70μm，基板预热温度为130℃，层厚为40μm。

优选的，步骤三中所述电火花线切割加工采用直径为0.18mm的钼丝。

优选的，步骤三中所述电火花线切割加工采用的电参数是脉宽6μs，占空比1:3，功率管数1，钼丝补偿0.08mm。

有益效果：与现有技术比较，本发明具有以下优点：

本发明基于所述方法所制备的铝合金齿轮，相对于直接增材制造的铝合金齿轮，其齿面更为光滑，齿面没有粘附颗粒，表面显微硬度、耐腐蚀性、耐磨性均得到提高。因为是选区激光熔化增材制造及放电组合加工所得，所以齿轮内部形状的设计可以保证较高的自由度，可以设计出各种构型，保证重量轻和表面质量高的同时，也保证了设计自由，在齿轮制造领域有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为实施例1中步骤(1)绘制的三维模型，用于选区激光熔化增材制造；

图2为实施例1中步骤(3)制得的增材制造样品实物照片，此样品用于电火花线切割加工；

图3为实施例1中步骤(4)制得的电火花线切割齿轮样品和步骤(3)制得的增材制造样品对比照片；

图4为实施例1中步骤(3)制得的增材制造样品表面形貌；

图5为实施例1中步骤(4)制得的电火花线切割齿轮样品表面形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

(1)结合选区激光熔化增材制造的技术特点设计出内部掏空的齿轮模型，通过三维建模软件solidworks绘制所需加工样品的三维模型，并保存为stl格式文件，再通过autofab软件对stl文件进行切片和参数设置，得到用于金属3d打印机识别的最终打印文件；

(2)取适量alsi10mg粉末放入干燥炉中进行烘干，去除水分，保证打印质量，干燥炉参数设置为80℃、两小时；

(3)使用金属3d打印机制备得到选区激光熔化增材制造样品，其中激光功率为420w，扫描速度为2000mm/s，层厚为40μm，扫描间距为70μm，基板预热温度为130℃；

(4)将得到的增材制造样品，进行电火花线切割加工，得到最终的齿轮样品，其中电火花线切割加工采用的电参数是脉宽6μs，占空比1:3，功率管数1，钼丝补偿0.08mm。

本实施例中，通过步骤(3)制得的选区激光熔化增材制造样品的表面粗糙度ra为15.56μm，显微硬度为128.25hv，腐蚀电位为-0.791v，摩擦系数为0.759。通过步骤(4)制得的组合加工齿轮样品的表面粗糙度ra为3.51μm，显微硬度为238.42hv，腐蚀电位为-0.424v，摩擦系数为0.581。可见，相对于直接增材制造的铝合金齿轮，选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的齿面更为光滑，齿面没有粘附颗粒，表面显微硬度、耐腐蚀性、耐磨性均得到提高。

技术特征：

1.一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设计齿轮模型，并通过切片软件得到用于选区激光熔化增材制造的打印文件；

步骤二：以铝基金属粉末为原料，利用选区激光熔化增材制造技术制备增材制造样品；

步骤三：将步骤二得到的增材制造样品进行电火花线切割加工得到铝合金齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤一中所述齿轮模型是内部掏空的齿轮结构。

3.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤二中所述铝基金属粉末为alsi10mg粉末，粒径为15-53μm。

4.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤二中所述铝基金属粉末首先在干燥炉中烘干，温度设置为80℃，烘干时间设置为两小时。

5.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤二中所述选区激光熔化增材制造时成形舱体内应使用ar、he中的一种或两种气体保护，并维持舱体压力为0.5-1.0mpa。

6.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤二中所述选区激光熔化增材制造时激光功率为420w，扫描速度为2000mm/s，扫描间距为70μm，基板预热温度为130℃，层厚为40μm。

7.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤三中所述电火花线切割加工采用直径为0.18mm的钼丝。

8.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，其特征在于，步骤三中所述电火花线切割加工时电参数设置为脉宽6μs，占空比1:3，功率管数1，钼丝补偿0.08mm。

技术总结
本发明提供了一种选区激光熔化增材制造及放电组合加工铝合金齿轮的方法，包括以下步骤：步骤一：设计齿轮模型，并通过切片软件得到用于选区激光熔化增材制造的打印文件；步骤二：以铝基金属粉末为原料，利用选区激光熔化增材制造技术制备增材制造样品；步骤三：将步骤二得到的增材制造样品进行电火花线切割加工得到铝合金齿轮。本发明基于所述方法制备的铝合金齿轮，其齿面更为光滑，齿面没有粘附颗粒，表面显微硬度、耐腐蚀性、耐磨性均得到提高。因为是选区激光熔化增材制造和电火花线切割组合加工所得，也保证了设计自由，在齿轮制造领域有巨大的应用潜力。

技术研发人员：沈理达;王飞;田宗军;谢德巧;吕非
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2020.08.20
技术公布日：2021.01.12