[发明专利]一种基于增材和强化的零件加工系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于增材和强化的零件加工系统及方法，系统包括：双轴变位机，用于承载待加工零件，并带动所述待加工零件绕Y轴转动和绕Z轴转动；增材强化加工头组件，基于激光束将粉末熔化并沉积至所述双轴变位机上，进行零件增材成形，同时所述增材强化加工头组件对所述待加工零件进行层间表面强化和整体表面强化；机械臂组件，对所述待加工零件的三维模型进行切片，得到控制信号，并基于所述控制信号带动所述增材强化加工头组件工作。本发明解决了传统激光金属沉积制造的零件残余拉应力大，内部有未熔合、微裂纹和气孔等缺陷导致的力学性能差，柱状晶粒导致的增材零件的各向异性，增材后零件表面粗糙度大等问题。

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，特别是涉及一种基于增材和强化的零件加工系统及方法。

背景技术

激光金属沉积(LaserMetal Deposition，LMD)技术是一种增材制造技术，利用高能量激光束将同轴或旁轴输送的粉末熔化并且快速凝固直接沉积在基板上，通过粉末喷嘴和激光束的移动能够形成线型熔道，多道熔道搭接能够形成面型熔覆面，面面叠加最终形成所需零件。与其他增材方式相比，LMD具有热影响区小、沉积效率高和不受密闭环境限制的优点，能够制造中型和大型复杂结构零件，精度较高，易于集成自动化控制。在航天航空、医疗和船舶等多个领域得到广泛应用。

但是在增材制造过程中，由于工艺控制难度大，影响因素复杂，增材成形的零件质量难以把控。激光的快速加热和冷却虽然带来较高的温度梯度和较大冷却速率，理论上可以获得细小晶粒，提升零件力学性能，但是快热快冷也会导致零件有较大的残余应力，甚至出现裂纹。成形零件往往伴随着未熔合、气孔和微裂纹等缺陷。这些缺陷的存在会对材料的拉伸和疲劳等各种力学性能产生较大影响。研究发现，由于散热条件的影响，晶粒生长通常会延续伸长，形成柱状晶粒，导致零件的各向异性。成形零件由于工艺参数的不稳定，表面通常不平整，表面粗糙度较大。这些成形过程中产生的问题都制约了增材制造的发展与应用。

目前常用提高增材质量的技术主要有热处理技术、热等静压技术和表面强化技术等。通过热处理手段可以有效减少零件不均匀且有害的内应力；通过热等静压技术可以通过高温高压环境闭合零件内的孔隙，均匀化微观结构，提高零件致密度；通过表面强化技术可以在零件表面诱导压缩应力，闭合近表面缺陷，提高硬度、强度、塑性和疲劳性能。但是传统后期热处理工艺对激光增材制造质量的提升有限；热等静压会导致晶粒长大，位错密度降低，从而屈服强度和疲劳寿命都会下降；表面强化只能在零件表面处理，零件内部的缺陷仍然无法把控。因此，现有的增材制造方式和质量提高技术仍然有局限性。

还有增材强化复合制造装置和加工方法也被提出，基本都在粉末床增材或电弧增材和激光冲击强化上，虽然能够在一定程度上解决增材过程中的问题，但也有制约。粉末床增材精度较高但是制造空间受限，难以应用于大型零部件制造；电弧增材效率较高，能够制造大型零部件，但是精度较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于增材和强化的零件加工系统及方法，能够有效解决传统激光金属沉积制造的零件残余拉应力大，内部有未熔合、微裂纹和气孔等缺陷导致的力学性能差，柱状晶粒导致的增材零件的各向异性，增材后零件表面粗糙度大等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于增材和强化的零件加工系统，包括：

双轴变位机，用于承载待加工零件，并带动所述待加工零件绕Y轴转动和绕Z轴转动；

增材强化加工头组件，基于激光束将粉末熔化并沉积至所述双轴变位机上，进行零件增材成形，同时所述增材强化加工头组件对所述待加工零件进行层间表面强化和整体表面强化；

机械臂组件，对所述待加工零件的三维模型进行切片，得到控制信号，并基于所述控制信号带动所述增材强化加工头组件工作。