[发明专利]一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法及其装置，尤其是指一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法及其装置。

背景技术

传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工等。随着国际竞争加剧和市场全球化发展，产品更新换代快，多品种、小批量成为模具行业的重要生产方式。传统模具制造方式无法达到降低制造周期和模具制造成本的要求。

增材制造作为一种重要的数字化制造技术，基于离散-堆积原理，可由三维数字模型直接成形任何复杂实体结构，省去了传统的材料去除制造方法中使用的刀具、工装、冷却液和其他辅助装置，在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势。

金属模具的熔积成形方法作为增材制造中通常采用的方法主要有大功率激光熔积成形、电子束自由成形和等离子熔积成形的方法。大功率激光熔积成形方法是采用大功率激光逐层将基板上的金属粉末熔化，并快速凝固熔积成形，最终得到近终成形件；电子束自由成形方法采用大功率的电子束熔化粉末材料，在计算机控制下施加电磁场，控制电子束的运动，逐层扫描直至整个零件成形完成；等离子熔积成形方法是采用高度压缩、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。以上金属熔积成形技术是一个“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”的不断循环过程，成形截面不同部位传热效率不同，芯部材料冷却慢，表层材料冷却较快。在这种强约束下移动熔池的快速凝固收缩，循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，零件内产生复杂热应力、组织应力及应力集中，严重影响零件几何尺寸和机械性能，导致零件严重变形和开裂。

因此，热应力与变形开裂问题已成为制约高能束金属模具增材制造技术能否进一步发展和实现工业化应用所急需解决的关键技术难点。专利号CN 106001568 A“一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法”，其特征在于包括以下步骤：CAD 3D建模阶段-计算配比阶段-送粉准备阶段-设置激光打印系统阶段-3D打印阶段-模具后处理阶段。该方法存在以下不足之处：梯度材料金属模具逐层打印成形过程中同一截面不同部位材料成分梯度变化，截面传热效率不一致，在循环加热及非均匀冷却下的非平衡固态相变过程中，金属模具内产生复杂热应力、组织应力甚至变形开裂，影响金属模具机械性能和几何尺寸精度。在梯度材料金属模具成形后再进行热处理工艺，消除内应力困难，也无法消除熔积成形过程中出现的未融合、气孔和缩松等内部缺陷。

另外专利CN 105312570 A“一种用于零件或模具的增材制造方法”，其特点在于在材料逐层熔积成形的同时，通过旋转压头对该半熔融/软化区及其附近区域熔积层进行旋转压缩塑性变形，产生压缩应力和压缩应变状态。该方法中，金属熔积层温度场缺乏实时在线监测与控制，温度过高或过低时，旋转压头对所述熔积层进行旋转压缩处理不能产生有效塑性变形、调节残余应力和改善组织性能。如所述熔积层温度过高时，旋转压头对其压缩处理会使熔积层发生过度变形影响模具几何尺寸精度要求，旋转压头接触式处理使高温熔积层金属颗粒粘连在压头上更影响后续成形过程熔积层表面精度控制；所述熔积层温度过低时，旋转压头旋转压缩处理所述熔积层无法继续细化金属晶粒，塑性变形小，不能有效调节残余应力和改善组织性能。

因此，如何通过金属增材制造技术制造模具时，尽量避免热应力、变形开裂以及气孔、未融合和缩孔等缺陷问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述问题，提供一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法，该方法能避免热应力、变形开裂，优化金属零件材料显微组织，避免气孔、未融合和缩松等内部缺陷的产生，提高金属模具增材制造成形质量和效率。

本发明的目的之二在于提供一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造装置。该装置能实现对零件进行熔积激光冲击锻打，而高效、高质量和稳定可靠地完成“锻打约束”成形。

本发明的目的之一可采用以下技术方案来达到：

一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

1)铸造模具坯体；

2)熔积成形厚度计算；

测量得到的铸造坯体的尺寸，根据所需的模具尺寸，计算得到两者的差值，该差值作为需增加的熔覆层的厚度值；