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 |
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| 申请号 | CN201710490855.0 | 申请日 | 2017-06-23 | 公开(公告)号 | CN107520449A | 公开(公告)日 | 2017-12-29 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 张永康; 杨智帆; 张峥; 杨青天; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了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：1) 铸造 模具 坯体；2)熔积成形厚度计算；3)通 过热 源熔积 金属粉末 形成熔覆层， 控制器 控制激光发生器对处于易塑性形变 温度 的熔积金属区域进行同步冲击锻打；熔覆层逐层堆叠，直到熔覆层达到步骤2)中的厚度值，形成 工件 ；4)对工件进行 表面处理 。还提供一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造装置。本发明的方法采用熔积成形-激光冲击锻打复合制造，将熔积成形与冲击锻打同时进行且过程中参数相互协调与约束，能避免热应 力 、 变形 开裂，优化金属零件显微组织，避免气孔、未融合和缩松等内部 缺陷 ，提高金属模具增材制造成形 质量 和效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 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技术领域[0001] 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[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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[0008] 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。 [0009] 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。 [0010] 本发明的目的之一可采用以下技术方案来达到： [0011] 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： [0012] 包括以下步骤： [0013] 1)铸造模具坯体； [0014] 2)熔积成形厚度计算； [0015] 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； [0016] 3)通过热源熔积金属粉末形成熔覆层，同时通过温度传感器对熔覆层的熔积金属区域的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的熔积金属区域进行同步冲击锻打；熔覆层逐层堆叠，直到熔覆层达到步骤2)中的厚度值，形成工件； [0017] 4)对工件进行表面处理； [0018] 其中，步骤3)的具体内容为：通过红外热成像仪对熔覆层的熔积金属区域的温度进行数据采集并发送到控制器；当熔覆层的熔积金属区域的温度冷却至再结晶温度时，激光发生器的脉冲激光对熔覆层进行冲击锻打，金属表层吸收激光束能量后气化电离形成冲击波，利用脉冲激光诱导峰值高达GPa量级的冲击波对熔覆层进行冲击锻打，锻打时熔覆层在较高的塑形及低变形抗力下实现逐层晶粒细化可控，内部缺陷可控，内应力与变形可控；当熔覆层的熔积金属区域的温度过高/过低，则控制器输出控制信号以降低/提高热源的输入功率，形成闭环控制； [0019] 进一步地，热源熔积成形参数与脉冲激光冲击锻打参数相互约束与协同，锻造温度时间窗口确定了脉冲激光冲击锻打的最佳温度区域、时间、尺寸范围，脉冲激光冲击锻打频率与压力参数的选择又约束着热源熔积金属粉末的速度与送粉参数的选择；即控制器根据熔覆层的厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，并且根据熔覆层的面积确定激光锻打频率和光斑值，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的熔覆层的熔积金属区域进行同步冲击锻打；然后控制器通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器输出控制信号对激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑值进行反馈调节。 [0022] 进一步地，所述金属粉末为单一金属粉末或多金属混合粉末。 [0023] 本发明的目的之二可采用以下技术方案来达到： [0024] 一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造装置，包括控制器、工作台和设于工作台上方的温度传感器、热源喷嘴和激光发生器，所述热源喷嘴和激光发生器正对于工作台设置，控制器控制热源喷嘴移动并熔积金属，形成熔覆层；所述控制器通过温度传感器对熔覆层的熔积金属区域的温度进行检测，所述控制器的输出端与所述热源喷嘴和激光发生器电连接。 [0025] 作为一种优选的方案，所述温度传感器为红外线传感器。 [0026] 作为一种优选的方案，所述控制器为单片机或PLC。 [0027] 实施本发明，具有如下有益效果： [0028] 本发明在普通的热源熔积成形增材制造过程中引入激光冲击强化技术，采用熔积成形-激光冲击锻打复合制造的方法。该复合制造方法将熔积成形与冲击锻打同时进行且在工作过程中参数相互协调与约束增材制造。在热源熔积成形过程中，同时利用脉冲激光对处于锻造温度窗口的金属层进行冲击锻打，利用冲击波力学效应细化金属晶粒，调控内应力分布，从而优化显微组织，避免热应力、变形开裂，从而避免气孔、未融合和缩松等内部缺陷的产生，在同一个工序中高效、高质量完成“锻打约束”成形，提高金属模具增材制造成形质量和效率。附图说明 [0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0030] 图1是本发明模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造方法的流程框图； [0031] 图2是本发明模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造装置的结构示意图。 具体实施方式[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0033] 实施例 [0034] 参照图1和图2，本实施例涉及模具熔积成形激光冲击锻打制造方法，包括以下步骤： [0035] 1)铸造模具坯体； [0036] 2)熔积成形厚度计算； [0037] 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； [0038] 3)通过热源熔积金属粉末形成熔覆层，同时通过温度传感器对熔覆层的熔积金属区域的温度进行采集，将采集到的数据发送到控制器，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的熔积金属区域进行同步冲击锻打；熔覆层逐层堆叠，直到熔覆层达到步骤2)中的厚度值，形成工件； [0039] 如图2所示，热源喷嘴3扫描熔化送金属粉喷嘴2送出的金属粉末8形成熔覆层9，熔覆层9温度场由红外热成像仪1实时在线监测，当熔覆层9温度场处于最佳塑性成形温度区间时，激光发生器的激光喷嘴4冲击锻打最佳塑性成型区6，金属表层吸收脉冲激光束能量后气化电离形成峰值压力为GPa量级冲击波7，冲击波7产生力学效应改善金属显微组织，形成细化金属晶粒5。其中，脉冲激光束参数由光束质量检测装置监测与控制，由熔覆层9厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，使整个熔覆层9深度材料获得充分锻打透彻；由熔覆层9面积确定脉冲激光锻打频率和光斑大小，确保激光冲击锻打速度与热源喷嘴3扫描速度相匹配。 [0040] 4)对工件进行表面处理；施加研磨或者抛光，使其表面质量达到设计要求。 [0041] 其中，步骤3)的具体内容为：通过红外热成像仪1(温度传感器)对熔覆层9的熔积金属区域的温度进行数据采集并发送到控制器；当熔覆层9的熔积金属区域的温度冷却至再结晶温度时，激光发生器的脉冲激光对熔覆层9进行冲击锻打；当熔覆层9的熔积金属区域的温度过高/过低，则控制器输出控制信号以降低/提高热源的输入功率，形成闭环控制； [0042] 控制器根据熔覆层9的厚度确定脉冲激光的脉冲宽度，并且根据熔覆层9的面积确定激光锻打频率和光斑值，控制器控制激光发生器对处于易塑性形变温度的熔覆层9的最佳塑性成型区6进行同步冲击锻打；然后控制器通过光束质量检测装置对激光进行数据采集，并且控制器输出控制信号对激光的脉冲宽度、锻打频率和光斑值进行反馈调节。 [0043] 所述步骤4)的具体内容：采用研磨或者抛光对工件表面进行处理。 [0044] 在制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，能避免热应力、变形开裂，从而避免气孔、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。本发明通过熔积成形-激光冲击锻打复合制造工艺，在熔积金属粉末形成熔覆层9的同时，通过精确控制脉冲激光发生器的冲击波对处于易塑性形变温度的熔覆层9进行同步冲击锻打，在同一个工序中高效、高质量完成“锻打约束”成形，提高制造效率，缩短模具制造周期，同时优化金属模具组织力学性能，避免金属模具增材制造热应力过大和变形开裂问题，同时消除成形过程中出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷。 [0045] 所述热源为连续激光、电弧、电子束或等离子束。通过金属模具的熔积成形方法的大功率热源对金属粉末进行熔化。 [0046] 所述金属粉末为单一金属粉末或多金属混合粉末。 [0047] 本实施例还提供一种模具熔积成形激光冲击锻打复合增材制造装置，包括控制器、工作台10和设于工作台10上方的温度传感器1(红外热成像仪)、热源喷嘴3和激光发生器，所述热源喷嘴3和激光发生器正对于工作台10设置，控制器控制热源喷嘴3移动并熔积金属，形成熔覆层9；所述控制器通过温度传感器1对熔覆层9的熔积金属区域的温度进行检测，所述控制器的输出端与所述热源喷嘴3和激光发生器电连接。所述温度传感器1为红外线传感器。所述控制器为单片机或PLC。 [0048] 在工作时，热源喷嘴3在工作台10上进行熔积金属形成熔覆层9，同时控制器通过温度传感器1对熔覆层9的熔积金属区域的温度进行检测，然后控制器输出控制信号控制热源喷嘴3的输出功率，使熔覆层9的熔积金属区域的温度处于易塑性形变温度区间。并且控制器控制激光发生器对熔覆层9的最佳塑性成型区6进行同步冲击锻打，在零件制造过程中细化金属晶粒和优化显微组织，避免普通增材制造成型金属零件可能出现的如气孔、未融合和缩松等内部缺陷，并且通过熔覆层9的逐层堆叠，直到熔覆层9的厚度达到要求值，实现在同一个工序中高效、高质量地完成“锻打约束”成形的目的。 |
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