[发明专利]一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法

说明书

本发明公开了一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，属于金属大型构件制造领域。该方法先通过锻造加工金属大型构件的基体部分，再通过LSF增材制造技术在已锻造成型的基体部分上加工复杂形状细节构造；其中，对复杂及难成形构造进行两段式或一次性成形；对于两段式成形，在锻造基体的同时锻造凸台作为复杂及难成形构造的基部；对于一次性成形，在锻造基体的同时锻造第一凹槽，然后在第一凹槽中一次性完成复杂及难成形构造的成形。本发明有效解决了金属大型锻件上精细、复杂结构部位的难成形问题，使得整体成形简单，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，降低了加工成本，同时能够保证整体构件强度。

技术领域

本发明属于大型金属构件制造领域，更具体地，涉及一种锻造和金属3D打印的复合制造方法。

背景技术

随着航空、航天、兵器、国防科工等领域的发展，高性能难加工金属关键构件的用量越来越大，整体的趋势呈现为大型化、整体化、轻量化、高性能、高可靠性和长寿命，而金属大型构件传统制备方法的关键流程周期长，经过铸锭、制坯、模具制造、锻造、机加工等流程，加工量大，材料利用率低，成本高。

在上述流程中，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，是锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。在航空、航天、兵器、国防科工等领域中，负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的板、杆、壳状构造可用轧制的板材、型材或焊接件外，其余均采用锻件。

对于凸出于基体表面的高肋、枝芽、异形凸起等形状的复杂构造，以及锻造过程中易发生折叠、充不满等缺陷的难成形结构，传统方法是采用飞边槽进行加工，但飞边槽加工方式降低了材料利用率，并且组织、性能难以控制。

此外，由于航空、航天、兵器、国防科工等领域的大型金属构件工作条件复杂严苛，对零件的强度要求极高，如果将上述具有复杂构造或难成形结构的大型金属构件通过分体制造再焊接组合的方式进行加工，虽然可以大大提高材料利用率和成型率，但是零件整体强度也会降低，安全隐患极大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于金属大锻件的锻造和增材制造的复合工艺方法，其目的在于使用锻造法结合增材制造法分别加工基体和基体上的复杂、难成形构造，由此解决传统锻造法飞边损耗高、加工周期长、低损耗与高强度难以兼顾的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种采用锻造和增材制造复合成形金属大型构件的方法，用于制造具有复杂形状细节构造的金属大型构件，包括如下步骤：

第一步，将金属大型构件的模型分为复杂、难成形构造中的至少一种以及基体；复杂、难成形构造中的至少一种采用两段式加工或一次性加工；

对于两段式加工，将单个复杂和/或难成形构造分为结构相对简单的基部和相对复杂的支部；其中，基部作为基体上的凸台，与基体一同锻造成型；对于一次性加工，在基体上锻造与复杂和/或难成形构造位置相对应的第一凹槽；

对基体设计用于锻造的模具、荒坯和制坯工装，采取数值模拟的方式对基体锻造过程和结果进行预测，根据基体的材料和形状特点制定锻造工艺；

第二步，先用自由锻方法将铸锭开坯，得到锭料；然后将锭料两端切除，并按基体尺寸将锭料分割；

第三步，利用分割后的锭料对基体制坯，得到坯料；

第四步，对坯料依次进行加热、预锻、终锻、机加工、冷却、清理和热处理，得到基体的锻件；

第五步，将金属大型构件中未成形的将复杂和/或难成形构造建模，生成相应的三维实体模型；