[发明专利]一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备。

背景技术

增材制造又俗称3D打印，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。相比传统制造技术，增材制造具有能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料等优点。而金属增材制造由于能够直接制造结构致密、冶金结合的高精度金属零件，成为了目前最热门的制造技术。

目前金属增材制造的成型材料主要是粉末材料，根据不同的送粉模式，分为预置式送粉模式和同轴喷粉模式两种，其中激光选区熔化和电子束选区熔化就是预置式送粉模式的代表技术，激光近净成型就是同轴喷粉模式的代表技术。这类粉末材料的金属增材制造技术能够成型结构致密、冶金结合的金属零件，而且能够成型一些传统切削方式无法成型的复杂形状零件。

但是粉末材料的金属增材制造技术也存在以下的一些缺陷：首先，预合金金属粉末材料的成本较高；而且每一层都需要通过激光束或电子束扫描熔化，成型的时间较长；其次，传统金属打印的加工零件范围受限，目前主要的加工零件范围在250×250×250mm范围以内，在一些航空航天、模具等较大型零件的直接成型应用上受限；最后，传统金属3D打印技术无法解决的难题是成型件内部应力大，成型过程中易出现球化、翘曲和飞溅等缺陷，使成型出的金属零件表面相对粗糙或出现变形。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的方法和设备。本发明具有成型效率高、成型精度高、材料来源较广泛等优点，能够弥补粉末类金属增材制造的不足。

本发明通过下述技术方案实现：

一种金属薄板叠加制造复杂形状零件的设备，包括密封加工仓、光学加工系统和工控机22，其特征在于：所述密封加工仓的底部轴向依次设置有升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12；密封加工仓还设置有由工控机22控制的材料传送机构，该材料传送机构包括设置在密封加工仓内侧壁的可伸缩的移动杆19、设置在可伸缩的移动杆19端部的吸盘20和设置在密封加工仓外部的用于给吸盘20提供吸力的空压机21；

所述升降式焊接仓10、切割仓11和升降式材料仓12的上部端口位置，分别设有连接空压机21的工件吸附机构。

所述密封加工仓设置有气体循环过滤装置7，气体循环过滤装置7用于过滤加工过程中产生的烟尘和杂质。

所述光学加工系统包括依次连接的光纤激光器1、扩束镜2、振镜、聚焦镜6；所述振镜为激光切割振镜4或者激光焊接振镜5。

所述工件吸附机构为吸管16，吸管16通过管路连接空压机21，通过吸管16的吸附力将工件进行固定。空压机21是为工件(材料)提供气体压力，并控制气压的间歇性开闭。

所述密封加工仓内部设有惰性气体喷气口19，惰性气体喷气口19连通设置在密封加工仓外部的惰性气体储存罐8。

所述光纤激光器1波长为1064nm，激光功率20～100W可调，光束质量M²＜1.1。

所述激光切割振镜4入射光孔径为30mm，响应时间低于1微秒，扫描范围为350×350mm；所述激光焊接振镜5入射光孔径为20mm，响应时间低于0.5微秒，扫描范围为250×250mm。所述聚焦镜6为F-θ聚焦镜。

金属薄板叠加制造复杂形状零件的加工方法如下：

步骤一：三维模型数据处理

首先，在金属薄板底部添加高度为2mm的竖直支撑杆，作为成型基板和薄板的连接部分，方便加工结束后将成型后的零件从成型基板上切割下来；然后，在水平方向为薄板添加三根方形定位连接杆，使薄板在加工过程中能够精确定位，使零件成型过程更加稳固；最后，以成型的薄板厚度作为层厚，为三维零件分层，然后计算出每一层的轮廓数据和关键焊接点位；

步骤二：激光叠层加工