[发明专利]一种增/减/等材复合制造一体化装备及方法

说明书

本发明提供一种增/减/等材复合制造一体化装备及方法。装备包括增材单元、减材单元、超声滚压单元和数控单元。增材单元与集成在机床主轴箱正面的电机丝杠直行机构共同作用，进行激光熔覆增材制造；减材单元对增材制造工件进行铣削减材加工；超声滚压单元与集成在机床主轴箱侧面的电机丝杠直行机构共同作用，对铣削减材后的工件进行超声滚压等材强化加工；数控单元控制工作台的移动以及增材、减材、等材加工相关设备的开启与结束。本发明充分利用电机丝杠直行机构和数控加工中心的集成优势，可以在数控加工中心上通过增材、减材和等材的不同工艺组合，高效灵活地复合制造出全尺寸范围内耐磨损性能高、耐腐蚀性能强及力学性能优的高性能零件。

技术领域

本发明涉及先进制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种增/减/等材复合制造一体化装备及方法。

背景技术

在制造业不断向新型制造领域挺进的时代背景下，上世纪80年代末期增材制造技术应运而生。增材制造技术相对于传统的制造技术，具有可定制、加工效率高、成形快、成本低、柔性和绿色制造等优势。增材制造是将零件的CAD数据切片分层，采用自下而上逐面堆积材料的方法进行制造实体零件的技术。现今，增材制造技术正逐渐成为国家战略产业日益关注的核心技术，可以满足许多领域日益增长的需求，如航空航天、生物医疗、建筑和汽车等领域。这种技术不仅缩短了工作时间、节省了原材料，而且逐渐向自动化的生产方式发展，大大减少了劳动成本。近年来，金属增材制造技术得到越来越广泛的发展和创新。金属增材制造是以零件的CAD模型为基础，通过大功率的热源熔融并快速凝固制造。金属增材制造按照不同的热源可分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造，原材料主要为颗粒粉末和金属丝材。然而，由于工艺参数、外部加工环境以及加工轨迹的变化，金属增材制造的零件内部局部区域很容易产生气孔、裂纹、缩松、未熔合等缺陷以及成形精度低和力学性能不足等问题，这将会很大程度的限制金属增材制造的应用。针对上述瓶颈，复合增材制造的出现为解决此难题提供了新思路。

国际生产工程科学院定义复合制造为一种基于若干种工艺/工具/能量源同步工作、过程机理与相互作用可控且对工艺/零件性能有显著影响的技术。零件在复合增材制造过程中，会采用一种或多种辅助工艺与增材制造工艺耦合协同工作，使得所制造的零件相对于增材制造零件具有更少的气孔、裂纹等缺陷。在现有技术中，因增减材复合制造技术已经相对成熟，所以复合增材制造技术主要以增减材制造为主，例如专利CN113275896、CN110369725、CN109968040等，这些专利的应用对增减材复合制造的加工效率以及加工精度有很大的提高，在一定程度上改善了金属增材制造零件内部存在的缺陷。但是从目前大多数的增减材复合制造的研究可以发现，增减材复合制造的零件耐磨损性能、耐腐蚀性能以及力学性能仍难以满足航空航天、极地探索等领域对高性能零件的要求，这会很大程度限制金属快速成型零件的应用及复合增材制造的发展。

超声表面滚压是根据超声波振动而设计的无切屑高性能制造加工技术，超声波发射器发出的高频电信号经换能器转换并随着变幅杆放大后，以高频机械振动的形式在工具头上输出，冲击载荷挤压工件表面产生严重的塑性变形，既获得纳米表层结构和残余压应力，又获得平整度高且耐腐蚀性能强、耐磨损性能高及力学性能优的梯度纳米结构。如Wang等采用超声表面滚压技术对调质40Cr表面处理，发现与原始试样相比，滚压试件可获得晶粒度为3～7nm的纳米结构层，粗糙度从0.28um降到0.06um，显微硬度提高了52.6％，耐磨损性能明显好于原始试件；李波等研究经超声表面滚压处理7075铝合金的组织和性能，发现与未处理试件相比，滚压试件的表面粗糙度均减小，能形成梯度变形层和残余压应力场，且滚压1次的腐蚀速率降低了40％，滚压15次的腐蚀速率降低了91％。但是，目前超声滚压技术只能应用于零件表面处理，而无法实现零件材料内部的重构及性能强化。