[发明专利]利用激光边缘切割提高金属熔覆沉积增材制造精度的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，涉及一种提高金属熔覆沉积增材制造精度的方法，尤其是一种利用激光边缘切割提高金属熔覆沉积增材制造精度的方法。

背景技术

目前，国内外很多研究机构，如美国MicroFab商业公司、加拿大多伦多大学以及国内西北工业大学、华中科技大学等，对于金属微滴成形技术的研究主要集中在微滴喷射机理、驱动方式选择和微滴飞行过程的热状态分析等方面。而对于如何保证微滴沉积精度方面研究较少。

产品的精度、原材料的性能和加工效率是制约微滴成形工艺及其应用的三个重要因素。在熔融沉积过程中，因为必须把复杂的三维加工转化为一系列简单二维加工的叠加，所以，成形产品精度主要取决于二维X—Y平面上的加工精度和高度Z方向上的一系列叠加精度。从熔融沉积成形的系统本身考虑，完全能够把X，Y，Z三个方向的运动位置精度控制在较高的水平，所以，从理论上考虑能够取得高精度的原型。但是，影响成形产品最终精度的因素不只是有微滴成形机本身的精度，还有其它的因素，并且这些因素更加的不易控制。微滴沉积成形是一个涉及机械设计制造、CAD软件、数控、材料、成形工艺参数和产品后处理等因素的集成制造系统，每一环节均可能造成一些误差的产生，这就会严重影响熔融沉积成形产品的精度。

本发明主要从微细加工方面考虑来提高微滴产品的精度。

在机械制造业，长期以来采用的加工方法是减材制造法（Subtractive Manufacturing），即用刀具从较大的毛坯上逐步切除无用材料来制作工件的方法，传统的车、铣、刨、钻、磨等切削加工方法，以及现代的电火花成形与激光切割都属于减材制造。

激光微加工技术是上世纪90%年代初发展起来的，主要有激光束和各向异性刻蚀相结合的激光蚀刻加工、激光化学辅助微加工等，属于无接触加工、能量高，并且激光束的能量及其移动速度均可调，可以实现多种金属、非金属以及高硬度、高脆性、高熔点材料的多种加工，在激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。其优越性是激光器可在市场上买到，容易满足加工条件，发展前景看好。

传统的液滴切割采用金刚石锯进行机械切割，它的缺点就是液滴不能太薄，有些液滴的材料很脆，切割时很容易破裂，也很容易损害周围的元件，而且切割时金刚石锯片也容易受损。采用激光切割具有切缝窄、热影响区小、效率高、切边无机械应力的加工特点，能轻易解决这些问题。

综上所述，激光切割是利用激光束经过透镜聚焦后形成高功率密度的光斑投射到被切割材料的表面，在材料的厚度方向快速形成一个非常狭小的熔融毛细管道，通过在固定的材料表面移动聚焦后的激光束，完成对材料的切割分离。激光切割因为其使用范围广、加工速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、加工柔性好等优点而得到越来越广泛的运用。通过与数字控制系统相结合，激光束具有无限的仿形切割能力，且切割轨迹修改方便。激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

为了实现激光三维加工的灵活性，三维激光加工须采用运动光学系统。目前，常用的大功率工业激光器主要有三种：CO₂激光器、Nd:YAG激光器和光纤激光器。现代大功率激光加工系统包括激光器系统，激光传输系统，加工监测系统等，只有各个系统互相配合，才能构成完整的工程加工系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用激光边缘切割提高金属熔覆沉积增材制造精度的方法及装置，其采用激光边缘切割的方式用以提高金属熔覆沉积增材制造精度，能够使加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种利用激光边缘切割提高金属熔覆沉积增材制造精度的方法，包括以下步骤：

1）金属熔滴沉积第一层，利用激光对第一层沉积金属的侧面进行切削加工；

2）金属熔滴沉积第二层，利用激光对第二层沉积金属的侧面进行切削加工；

3）金属熔滴沉积第N层，利用激光对第N层沉积金属的侧面进行切削加工，其中N为大于2的自然数；

4）直至金属熔滴沉积完毕并且利用激光对最后一层沉积金属的侧面进行切削加工，以提高金属熔覆沉积的成形精度。