[发明专利]基于电子束熔丝的增减复合加工方法

说明书

技术领域

本发明属于金属增减材加工领域，特别是涉及一种基于电子束熔丝的增减复合加工方法。

背景技术

国内外绝大多数生产企业在金属加工过程中使用的任是传统机械加工工艺。这种工艺的最大的优点在于加工的零件表面质量高，效率高，便于批量生产。但是缺点是加工结构复杂零件时难度加大，无法一次性加工结构干涉的零件，且必须要先进行毛坯生产，而这也制约了传统机械加工生产效率和加工范围进一步提高。

电子束熔丝沉积快速制造技术是一种典型的金属构件高能束快速制造技术，其以高能量密度和高能量利用率的电子束作为加工热源，当高速电子轰击金属丝时，其动能立即转化成为热能，使金属丝快速完全融化，并将融化的金属液体按电脑三维模型分层固化，最终形成三维实体零件。相比于其他高能束快速制造技术，电子束熔丝沉积快速制造技术具有制造效率高成型速度最高可达3500cm³/h、真空环境有利于零件保护、内部质量好和可实现多功能加工等优势，非常适合大型金属材料结构的快速制造，近年来成为高能束快速制造技术的研究热点。国内外对电子束熔丝沉积快速制造技术都有很多有益的探索和应用。目前，现有电子束熔丝技术已在航空航天领域得到应用，具有成形速度快、材料利用率高、无反射、能量转化率高、力学性能好等特点，但是该技术最大的缺点是零件加工精度较差，目前比较高端的设备精度可以达到±200-400um，但该精度还是很难达到使用需求，需要后续表面加工等工艺步骤。这一缺点正好可以被传统机械加工工艺所弥补。

传统数控加工类减材制造和增材制造的优缺点具有很强的互补关系。将数控机床和电子束熔丝沉积快速制造技术进行有机的结合集成，就可以实现增减材制造工艺的复合，不仅可以提高生产效率，降低生产成本，拓宽产品原材料和加工范围，还可以减少生产过程中切削液的使用，减少原材料的浪费。尤其是对于经常使用高硬度复合金属材料、精密加工的民航工业及国防工业而言是一个重要的发展方向。增减材复合加工技术的推广与应用必将促使相关产业迎来进一步的飞跃，必将是下一步制造业关注的重点与热点。

但目前多数增材制造和减材复合加工是将增材和减材分阶段进行，即先通过增材制造技术制备构件的毛坯构件雏形，然后再把所得到毛坯构件通过数控机床进行加工，这种加工方法可以结合两种加工工艺的优势既可以使用增材制造制造结构复杂的零件又可以在增材加工后使用减材加工提高零件精度和表面质量。但使用这种工艺总体加工时间和效率仍没有大幅提升，还有很大的改进空间。

针对以上问题国内外都进行了大量有益的探索如：国际上已经有德国弗朗霍夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术(Controlled Metal Buildup CMB)工艺，该技术在增材制造系统上配备了铣切装置，在扫描沉积了一层后，利用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整，改善零件加工精度和表面光洁度，其过程为：沉积—铣削—沉积。铣削时，气动装置驱动沉积装置向上运动，已达到对沉积装置的保护以及消除和工件之间的干涉。由于每一层沉积时都有保护气体保护防止氧化，沉积后都进行平面铣削和仿形来保证轮廓和表面精度，所以最终成型零件的精度很高，在制造不锈钢零件时，可以达到100％致密度。

国内方面武汉理工大学熊新鸿教授开展了金属增减材制造技术研究，研究了HPDM(Hybrid plasma deposition andmilling)技术，该技术与CMB技术原理基本相同，不同的是该系统增材制造部分采用的是基于同轴送粉等离子快速成形技术。大连理工大学张壁教授也在增减材制造技术进行了有益的探索并确认增减材制造方式的确可以提升制造金属零件加工效率，解决复杂零件加工干涉难题。激光增/减材复合制造的成功研究经验，虽然可以为电子束熔丝增/减材复合高效精密加工提供可借鉴的研究思路和方案。但是由于气体环境的引入，必将破坏了电子束增材制造的所需的真空加工环境基本条件。

发明内容

为了克服现有金属增减材加工方法精度低的不足，本发明提供一种基于电子束熔丝的增减复合加工方法。该方法将被加工零件的三维轮廓几何信息，层面几何信息通过计算机生成融合电子束熔丝沉积参数和机械加工参数的数控代码，增材成型系统按照轮廓轨迹逐层扫描堆积材料的同时进行减材加工控制，最终成型三维实体零件。本发明同时融合了电子束熔丝增材制造和传统机械加工减材制造，两种工艺优势互补，实现复杂零部件的高效、高精度、高疲劳强度个性化定制快速精密制造。本发明不仅可用于零件整体的制造，也可用于零件结构复杂加工困难部分的加工。