[发明专利]基于激光沉积成形与减式成形的复合快速成形方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种工件的成形方法，尤其是一种基于激光沉积成形与减式成形的复合快速成形方法。

背景技术：为最大程度地减轻航空航天装置的结构重量，在飞机、发动机、飞船、卫星等装备中大量采用大型复杂整体钛合金结构件，如F-22中机身4个整体承力隔框锻件最大投影面积达到5.53m²，锻件毛坯重达到1897～2976Kg，最终机械加工后零件重量仅为83.7～143.8Kg，材料利用率为2.92％～4.90％，单件零件机械切削加工时间长达6个月以上。采用传统锻造—机加方法制造这些大型复杂整体钛合金结构件，不仅要依赖于我国匮乏或尚不具备的大型与超大型工业设施(如4~10万t级水压机、100t.m以上的超大自由锻造设备等)及其配套设施与技术水平，而且需要制造成本高、准备周期长的大型或超大型锻造模具、数控机械加工设备，零件机械切削加工量大，材料利用率低，严重影响国防装备的研制与规模化生产。事实上，大型复杂钛合金关键结构成形制造技术已是严重制约我国航空、航天等国防装备研制和生产的瓶颈性技术。

近年来航空金属材料(钛合金、高温合金)激光快速成形成为国内外的研究热点之一。金属粉末激光沉积成形是在基体上形成熔池的同时将沉积材料送入，随着熔池移动而实现材料在基体上的沉积。美国Texas大学Austin分校成功地制造了用于F-14战斗机和AIM-9导弹的INCONEL625高温合金和Ti-6Al-4V合金的金属零件。北航激光材料加工制造技术实验室、西工大凝固技术国家重点实验室用激光快速成形工艺制备出力学性能达到和超过锻造钛合金水平的TC4，TA15结构件。上述单位所做的工作表明激光快速成形制备钛合金构件的可行性，但我们不难发现制件的精度和效率是限制激光快速成形这一先进的制造技术在航空航天领域更深入应用的主要问题之一，难以发挥快速成形的技术优点，不能制备最终用途的大型复杂零件。

减式成形技术是最近几年随高速切削技术的发展而兴起的快速成形技术，该类工艺是分层制造思想与高速铣削相结合的产物，虽然加工精度高但不能成形复杂零件，且材料利用率低，生产周期长，工件质量大(连接用的法兰、连接件等的质量约占设备总质量20％甚至更多)。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种将基于激光沉积成形与减式成形相结合的复合快速成形工艺，解决分层沉积快速成形技术制备金属零件的精度低问题，及传统机加工艺制造零件复杂性低的问题，使其二者的优势取长补短，达到提高成形精度和效率的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于激光沉积成形与减式成形复合快速成形方法，其操作步骤如下：

(1)建立制件数字模型。

(2)对上述模型进行分层切片和扫描填充处理。

(3)对分层和填充数据进行运动控制轨迹规划。

(4)金属粉末激光快速成形过程。

(5)减式快速成形过程。

(6)去应力。

附图说明：

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明控制器结构框图。

图4是激光沉积成形层内扫描路径图。

图5是减式快速成形加工轨迹图。

图6是导光路及聚焦装置结构示意图。

图7是送粉装置结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示：基于激光沉积成形与减式成形复合快速成形方法，其操作步骤如下：

(1)建立制件数字模型。

用CAD类软件如PRO/E、UG、CATIA等，建立目标实体的三维CAD模型，并存储成标准的STL格式，在存储时根据实际要求设定保存精度。

(2)对上述模型进行分层切片和扫描填充处理。

首先进行模型的分层处理，得到由一系列二维平面组成的分层轮廓数据；对上述分层轮廓区域给出X方向和Y方向的层间十字形网格填充数据。

(3)对分层和填充数据进行运动控制轨迹规划。

根据上述分层数据和填充数据生成金属粉末激光沉积成形系统激光扫描路径，如图4所示，其中箭头为激光运动轨迹。根据分层轮廓数据及铣刀半径得到减式成形刀具精加工轨迹，如图5所示，其中虚线为刀具加工轨迹，设刀具半径为5mm。

(4)金属粉末激光快速成形过程。