[发明专利]金属零件增材制造控制系统与方法

说明书

本发明涉及金属零件增材制造控制系统与方法，包括成型工作台、成型基板、增材制造装置、应力消除装置、换刀装置、控制系统。增材制造装置和应力消除装置固定于换刀装置上，换刀装置可实现两套装置的工作位置的上下调节，通过控制系统实现增材制造和应力消除两种工作模式的切换；应力消除装置通过减震器固定在换刀装置上。系统工作时换刀装置切换增材模式，通过控制系统控制增材制造装置逐层成形零件，换刀装置切换应力消除模式，控制系统控制应力消除装置以一定频率在已成型零件表面接触式运动以消除零件内应力，然后再进行下一次增材制造‑应力消除循环，从而在零件逐层堆积的过程中逐层消除零件内应力以控制零件变形。

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体而言涉及一种金属零件增材制造控制系统与方法。

背景技术

金属增材制造技术主要是通过局部热源对金属材料的逐层沉积堆叠来实现金属产品的原型制造过程，区别于传统的减材制造-金属车削和等材制造-铸造技术，金属增材制造是利用激光或电子束等作为热源，在基底材料上生成熔池，同时通过送粉系统将粉末材料直接输送到激光熔池中，利用激光能量将金属粉末熔化，随着激光光斑的移动，进入熔池并熔化的粉末凝固后与基底材料形成冶金结合，通过激光熔池斑点的移动形成熔覆道，多道搭接形成熔覆面，面与面的层层堆叠形成三维实体，由点-线-面-体依次成型成三维零件实体。

由于增材制造是一个多物理场复合的过程，其涉及热源的形式选择、熔滴成形过程的热收缩、层与层之间的热温差、以及成型完后处理工艺等，因此它是一个温度场、力场、应力场相互影响、相互作用的过程。而增材制造过程熔滴的逐层堆积过程中的热、力相互作用也带来成型组织应力的逐层形成、积聚，在制造过程中应力会带来翘曲变形、甚至构件开裂等风险，对零件制造过程尺寸精度保障带来干扰；在制造完成后残余应力若不及时进行去应力处理，一些应力会随时间自然释放，而零件累积的形变量，会造成其形变超出设计容许范围。

针对上述问题，目前的研究者采用了将金属增材制造技术与并行控制、应力检测、超声波强化工艺相结合，从而改善增材制造过程的应力变形问题。例如，专利CN106735967B公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，它通过在增材制造过程中施加非接触式超声波振动提高形核率从而起到细化熔池晶粒的作用，同时减少成形件内部缺陷的产生，提高了零件的力学性能，但是这种方法无法在根本上消除成形件在生产过程中产生的内应力。专利CN110586941A公开了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法，它通过在成型工件底部施加应力检测及应力消除装置，从而在零件逐层堆积的过程中消除应力，控制零件变形，提高零件的形状尺寸精度，但是这种方法无法随着零件成型高度的增加，应力消除的效果下降。

目前针对增材制造过程中的应力消除和变形控制仍旧缺乏行之有效的手段和方法。而金属零件特别是承力件，其质量不仅要求力学性能达标，还要求制造完成后形状、尺寸、甚至精度达到设计要求，应力变形对金属零件增材制造行业来说是一个亟待解决的痛点问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属零件增材制造控制系统，改善金属零件增材制造加工过程中应力，通过在增材制造工艺过程中附加应力消除工艺，从而有效缓解增材制造过程中应力累累积问题，解决由应力导致的制件变形、开裂等增材缺陷，提高零件的形状尺寸精度。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种金属零件增材制造控制系统，包括：

成型工作台；

成型基板，固定于成型工作台上；

增材制造装置，用于在所述成型基板上通过逐层堆积的方式进行增材制造；

应力消除装置，用于对成型基板上打印的金属零件进行应力消除；

换刀装置，所述增材制造装置和应力消除装置均固定于换刀装置上，所述换刀装置用于可实现对增材制造装置和应力控制装置两种工作头的上下切换；