[发明专利]一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法

说明书

本发明属于金属零件制造领域，并具体公开了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法，该系统包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置，其中微铸锻模块与铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块，五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件，控制装置分别与熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连。本发明采用微铸锻与铣磨工艺复合进行金属零件加工制造，可解决增材制造金属零件时存在的组织不均匀、变形严重、残余应力大、组织性能差和表面质量差的问题，特别适合高性能复杂异形构件的加工。

技术领域

本发明属于金属零件制造领域，更具体地，涉及一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法。

背景技术

金属零件的传统制造工艺主要是通过铸造或锻造，结合车削、铣削、磨削等机械减材加工得到满足质量和精度要求的零件，但是存在加工周期长、材料利用率低、制造成本高等问题，特别是对于大型复杂零件的制造来说，如航空发动机传动系统的减速器机匣，具有复杂外表面及内腔、内孔、内流道，属于复杂异形结构件，而高温合金机匣工整体为环状结构，其上有凸台与小孔，结构复杂，传统制造方法虽基本满足力学性能等需求，但存在加工工具可达性差、干涉严重、内腔类表面控形能力差、材料利用率低、制造效率低等问题。

而增材制造技术采用材料逐层累加的方法制造零件，金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，其中的高能束金属熔融沉积技术具有效率高、成本低等特点，然而堆积出的金属零件一方面易产生晶粒粗化、变形开裂，内部形成残余应力及气孔、裂纹等缺陷，严重降低零件的组织性能；另一方面，由于固有的台阶效应，零件表面精度低，无法直接应用，往往需要进行后续加工，降低了加工效率且增加了操作的复杂性，无法体现增材制造的优势。

针对上述问题，现有研究采用增材制造与轧制挤压工艺、超声强化工艺和铣削减材工艺相结合，从而提高金属零件打印后的组织性能和表面质量。例如，CN10181712A公开了零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置，其通过在与熔融软化的区域相接触处安装微型轧辊或挤压装置，随熔积成形区域同步移动，进行压缩成形与加工，从而改善组织性能，但是，该工艺无法改善零件的表面精度；CN107598162A公开了增材减材与超声处理结合的金属零件复合制造系统与方法，其在金属增材制造过程中同时耦合超声表面强化和减材切削技术，提高表面质量和改善微观组织，但是此制造工艺中的超声强化作用深度有限，只能改善亚表面的微观组织，且效率低，不能有效大幅提高零件的组织性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统及方法，其在金属零件加工制造过程中采用了微铸锻，即在金属熔融沉积过程中同步进行辊压轧制，同时结合了铣削和磨削工艺，可解决增材制造金属零件时存在的组织不均匀、变形严重、残余应力大、组织性能差和表面质量差的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件制造系统，其包括微铸锻模块、铣削模块、五轴联动工作台和控制装置，其中：

所述微铸锻模块与所述铣削模块相连，其包括熔融沉积子模块和辊压轧制子模块；所述五轴联动工作台位于所述微铸锻模块和铣削模块下方，其用于放置待成形金属零件；所述控制装置分别与所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块、铣削模块和五轴联动工作台相连，加工时，所述熔融沉积子模块、辊压轧制子模块和铣削模块在控制装置的协调控制下完成切换和工作，以同步进行熔融沉积和辊压轧制，并在预设的铣削工艺下完成待成形金属零件的复合加工制造。

作为进一步优选的，所述熔融沉积子模块包括依次相连的送料机构、熔融热源和喷嘴，加工时，金属原材料通过所述送料机构送入熔融热源中获得熔融的金属，熔融的金属通过所述喷嘴逐层沉积于所述五轴联动工作台上得到半凝固金属。