[0001] 本发明涉及一种零件制造方法， 具体涉及一种采用金属板材通过叠层方式制造 大尺寸复杂构件的方法。

背景技术

[0002] 近年来， 随着科学技术的不断发展与进步， 机械装备或装置的结构和功能曰益 复杂， 要求构件大型化、 轻量化、 结构功能一体化， 这对制造技术提出了更高 要求和新的挑战。 其中， 大尺寸 （某一方向尺寸超过 1000mm) 结构复杂金属构 件如具有复杂内孔的承力构件、 具有复杂筋结构的轻体构件的制造已成为现代 制造技术发展的重点。 对于大尺寸结构复杂金属构件， 采用机械加工的方法需 要进行大量的切削， 当构件存在深腔内孔结构吋则无法采用机械加 工的方法进 行制造。 采用整体塑性成形的方式成形大尺寸复杂构件 吋， 因金属变形抗力大

、 局部流动阻力大， 往往需要较大吨位的设备才有可能完成大尺寸 构件的成形

。 虽然可以采用局部加载局部成形的方法来降低 成形需要的载荷， 但是由于金 属的变形流动规律复杂， 采用该方法无法实现深腔内孔结构的直接成形 。 此外

， 大尺寸原始坯料 （常重达几十甚至上百吨） 难以制备也是限制大尺寸复杂构 件整体塑性成形的主要因素。

[0003] 为了实现结构复杂构件的高效率、 高精度制造， 出现了一些新的制造方法， 如 增材制造技术。 传统的增材制造技术有立体光固化成形法、 薄片分层堆层成形 法、 熔融沉积法等， 成形材料主要为塑料和纸质。 因塑料和纸质材料具有低强 度、 低塑性、 低韧性的缺点， 往往不能满足实际结构件的使用要求。 近年来， 一种用于成形金属材料的增材制造技术逐渐发 展并得到应用， 即金属 3D打印技 术。 其成形原理为： 利用电子束或激光束对基体材料进行选区 （依据零件的数 模） 加热熔化形成小的熔池， 金属粉末材料被熔池吸入而后与基体连接， 通过 逐层堆积金属沉积得到零件。 利用该方法可以成形出具有复杂结构的构件， 如 航空发动机的钛合金隔框等。 但是由于 3D打印吋金属材料不断被加热和冷却， 使得成形后的零件内部存在较大的残余应力， 所得零件的机械性能达不到设计 要求。 同吋， 3D打印方法的生产效率很低， 往往需要数月甚至更长吋间才能完 成一个大尺寸复杂构件的成形。 此外， 该方法成形的零件表面质量较差， 需要 对成形后的零件进行机械加工， 但是对于具有深腔内孔的复杂结构制件， 无法 进行后续切削加工。

[0004] 近来， 在传统薄片分层堆层成形方法的基础上， 出现了一种新的金属构件增材 制造方法， 即超声波增材制造方法。 如公幵号为 CN103600166A的发明专利申请 所提出的辅助加热式超声快速成型方法及装置 、 文献"基于超声波焊接技术的快 速成型方法研究" （期刊： 机床与液压， 2007年第 3卷 35期） 、 文献 "Effect of Process Parameters on Bond Formation During Ultrasonic Consolidation of Aluminum Alloy 3003； Journal of Manufacturing systems , 第 25卷第 3期，， （工艺参数对 3003 铝合金超声连接键合过程的影响； 制造系统， 第 25卷第 3期） 以及文献" Develop ment of Functionally Graded Materials by Ultrasonic

Consolidation; doi:10.1016/j.cirpj.2010.07.006" (超声波连接制备功能梯度材料的 研究进展； doi: 10.1016/j.cirpj.2010.07.006) 等所研究的内容均为采用超声波连接 箔材的方式实现三维固态块状实体零件成形。

[0005] 上述采用超声波连接箔材的方式成形三维固态 块状实体零件的原理为： 利用超 声振动将一层金属箔材 （厚度通常为 0.1~0.2mm) 与下层基体材料进行连接， 连 接后按照数模将该层金属箔材多余的部分切除 ， 然后在该层金属箔材上再铺上 一层金属箔材并利用超声振动进行连接， 如此进行多次即可得到所需要的零件 。 该成形方法目前已用于小尺寸金属零件或微型 零件的成形。 但是， 由于所采 用的是厚度很薄的金属箔材且一层一层连接， 生产效率很低， 无法用于厚度或 高度较大的大尺寸构件的制造。 同吋， 由于金属箔材的力学性能较差、 相邻层 之间的连接可靠性较差， 无法满足大尺寸构件的实际使用要求。 此外， 目前也 无法制备力学性能和厚度都较均匀的大幅面 （长度和宽度） 金属箔材。 为解决 传统的机械加工、 整体塑性成形及现有增材制造方法难以获得具 有复杂异形结 构及高性能要求的大尺寸金属构件的问题， 需要建立大尺寸结构复杂金属构件 的新型制造方法。 技术问题

[0006] 本发明是为解决传统机械加工、 整体塑性成形及现有增材制造方法难以制造具 有复杂异形结构及高性能要求的大尺寸金属构 件的问题， 提出了一种大尺寸结 构复杂金属构件的叠层制造方法。

问题的解决方案

技术解决方案

[0007] 本发明的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层 制造方法是按照以下步骤实现的

[0008] 步骤一、 获取大尺寸结构复杂金属构件的三维数字模型 ， 根据服役特点及大尺 寸结构复杂构件的结构特征在模型上选定一个 方向， 垂直于选定的方向将模型 分成若干片层， 各片层的厚度根据大尺寸结构复杂金属构件的 特征及实际可用 的金属板材的厚度进行选取， 厚度为毫米级；

[0009] 步骤二、 选取与步骤一所分割的各片层厚度对应的实际 可用的金属板材， 对各 金属板材进行机械加工以得到与步骤一中各片 层的模型相一致的成形板材；

[0010] 步骤三、 将步骤二中加工得到的多块成形板材按照步骤 一所对应片层的顺序进 行叠放， 在相邻两块成形板材之间放置连接剂， 利用定位约束夹具对所有成形 板材进行位置约束并在垂直于成形板材板面方 向上施加一定的压力， 利用连接 剂使所有的成形板材连接在一起；

[0011] 步骤四、 待所有成形板材连接成整体后， 打幵定位约束夹具， 得到所需的大尺 寸结构复杂金属构件。

发明的有益效果

有益效果

[0012] 一、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件构建三维数 字模型并分割成片层， 按照 构建的三维数字模型及分层原理对实体大尺寸 结构复杂构件进行板材分层精密 加工然后连接成整体， 每一层板材可以利用现有的机械加工设备实现 高效、 精 确加工， 通过"化整为零"的方案实现了深腔内孔等复杂� ��构的成形， 解决了具有 复杂异形结构及高性能要求的大尺寸金属构件 的成形问题。

[0013] 二、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 每 一层所采用的是具有相同或不同厚度 （毫米级或更厚） 的金属成形板材， 大大 减少了构件分解的层数， 从而可以实现厚度或高度较大的复杂构件的高 效率成 形， 不同厚度的成形板材可以适应所成形构件的局 部特征， 从而使得局部特征 的机械加工过程简单同吋保证成形的效率。

[0014] 三、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 每 一层成形板材的内腔边缘和外围边缘都可以利 用銑床等机械加工设备快速加工 成与片层模型完全一致的斜面或曲面， 在将相邻层叠加后不会在内腔边缘和外 围边缘产生不连续的台阶， 所以零件表面光滑， 无需在连接后再进行内表面和 外表面的加工。

[0015] 四、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 所 采用的金属板材可以是宽度达 2000~4000mm、 长度方向更长的标准金属板材， 所采用的机械加工设备是台面较大但功能并不 复杂的銑床， 将各层进行整体一 次连接也无需特殊的设备， 因此与传统整体机械加工、 整体塑性成形和现有增 材制造方法相比成本很低。

[0016] 五、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 所 采用的金属板材的力学性能明显优于传统的铸 态甚至锻态坯料， 也比 3D打印的 材料性能稳定、 均匀、 可靠， 成形过程中始终保持制件的组织为板材的原始 组 织， 因此成形后的制件具有优良的力学性能。

[0017] 六、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 所 使用的金属板材为各向异性板材吋， 可以通过成形板材摆放方向来调整所制造 零件的某个方向的机械性能或调整零件的整体 机械性能。

[0018] 七、 本发明将大尺寸结构复杂金属构件进行分层精 密加工然后连接成整体， 可 以采用不同材质的金属板材进行叠层制造， 这为制造具有功能梯度要求的金属 构件提供了可能。

对附图的简要说明

附图说明

[0019] 图 1为本发明用于示意成形原理的大尺寸复杂金� �构件的三维数字模型的轴测 图， 图 2为本发明采用板材叠层制造方法成形大尺寸� �构复杂金属构件的原理图 ， 图 3为本发明由所分解的片层模型加工出对应的� �材的示意图， 图 4为本发明 采用两种不同材质板材进行间隔布置进行叠层 制造的示意图， 图 5为本发明各片 层厚度对应的实际可用的金属板材的材质互不 相同进行叠层制造的示意图， 图 6 为本发明各向异性板材不同摆放方向的示意图 ， 图 7为本发明板材装配面之间采 用坎合结构实现连接的示意图， 图 8为本发明采用不同厚度成形板材进行叠层制 造的示意图。

[0020] 其中， 1为大尺寸结构复杂金属构件， 2为实际可用的金属板材， 2-1为成形板 材， 4为定位约束夹具， 5为模型分成的片层。

本发明的实施方式

[0021] 参见图 1-图 8说明， 一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法 是按照以下 步骤实现的：

[0022] 步骤一、 获取大尺寸结构复杂金属构件 1的三维数字模型， 根据服役特点及大 尺寸结构复杂构件 1的结构特征在模型上选定一个方向， 垂直于选定的方向将模 型分成若干片层 5， 各片层 5的厚度根据大尺寸结构复杂金属构件 1的特征及实际 可用的金属板材 2的厚度进行选取， 厚度为毫米级；

[0023] 步骤二、 选取与步骤一所分割的各片层 5厚度对应的实际可用的金属板材 2， 对 各金属板材 2进行机械加工以得到与步骤一中各片层 5的模型相一致的成形板材 2- 1；

[0024] 步骤三、 将步骤二中加工得到的多块成形板材 2-1按照步骤一所对应片层 5的顺 序进行叠放， 在相邻两块成形板材 2-1之间放置连接剂， 利用定位约束夹具 4对所 有成形板材 2-1进行位置约束并在垂直于成形板材 2-1板面方向上施加一定的压力 ， 利用连接剂使所有的成形板材 2-1连接在一起；

[0025] 步骤四、 待所有成形板材 2-1连接成整体后， 打幵定位约束夹具 4， 得到所需的 大尺寸结构复杂金属构件 1。

[0026] 本实施方式将三维数字模型的大尺寸复杂结构 金属构件 1进行分层后， 采用机 械加工的方式将各金属板材 2加工成与对应的所分片层 5形状一致的板材 2-1， 然 后再将加工好的板材 2-1通过一定的连接方式进行连接， 从而将若干板材 2-1连接 成整体件 1， "化整为零"大大简化了大尺寸结构复杂构件的� ��形难度， 解决了具 有复杂异形结构及高性能要求的大尺寸金属构 件的成形问题。

[0027] 每一层所采用的成形板材 2-1厚度较大 （毫米级或更厚） ， 大大减少了大尺寸 结构复杂金属构件 1分解的层数， 从而可以实现厚度或高度较大的复杂零件的高 效率成形。

[0028] 成形板材 2-1的内腔边缘和外围边缘都可以利用銑床等机 械加工设备快速加工 成与片层模型完全一致的斜面或曲面， 在将相邻层叠加后不会在内腔边缘和外 围边缘产生不连续的台阶， 所以构件表面光滑， 无需在连接后再进行内表面和 外表面的二次加工。 步骤二依据各片层 5的模型加工金属板材 2。

[0029] 参见图 1和图 4说明， 步骤二中实际可用的金属板材 2的材质为两种， 步骤三中 按照步骤一所对应片层 5的顺序进行叠放的两种不同材质的多块成形� �材 2-1间隔 布置。 如此设置， 采用的板材 2选用两种不同材质， 两种不同材质的板材 （1号 板材 2-2， 2号板材 2-3) 交互叠放， 成形后的构件 1具有多种属性， 可以满足多种 使用性能的要求。 另外， 当某种材质的板材 2-1之间不容易进行连接吋可以采用 不同材质板材 （1号板材 2-2， 2号板材 2-3) 间隔放置来提高成形板材 2-1之间的 连接强度。

[0030] 参见图 2和图 5说明， 步骤二中各片层 5厚度对应的实际可用的金属板材 2的材质 互不相同。 如此设置， 采用的板材 2可以选用不同材质， 不同材质的板材顺序叠 放， 成形后的大尺寸结构复杂构件 1具有多种属性， 可以满足多种使用性能的要 求。

[0031] 参见图 2和图 6说明， 步骤二中实际可用的金属板材 2为各向异性板材， 步骤三 中多块成形板材 2-1叠放吋各向异性成形板材 2-1沿不同异性方向摆放。 图 6中箭 头指示成形板材各向异性方向， 选用的金属板材 2为各向异性板材， 成形板材 2-1 叠放吋板材各向异性方向沿不同方向摆放可以 抵消成形板材 2-1各方向性能不同 带来的影响， 调整构件的整体机械性能， 使得大尺寸结构复杂构件 1各个方向性 能均一。 此外， 可以根据需要将成形板材 2-1性能较好的方向沿着某一方向放置 ， 使得成形后大尺寸结构复杂构件 1某一方向性能得到提高。

[0032] 参见图 2和图 7说明， 步骤二中成形板材 2-1为装配面坎合结构板材。 如此设置 ， 可以增加成形板材 2-1层与层间的抗剪切强度， 从而提高大尺寸结构复杂构件 1 的面层之间抗剪切强度。 装配面坎合结构涉及多峰结构， 包括矩形、 三角形等 锯齿形式。

[0033] 参见图 1和图 8说明， 步骤一中的大尺寸结构复杂构件 1的模型在进行分层吋， 每一个片层 5的厚度可以不同。 步骤一中的大尺寸结构复杂构件 1的三维数字模 型在进行分层吋， 每一层的厚度可以根据大尺寸结构复杂构件 1的局部特征进行 选取， 对于具有小特征的位置处应当减小分层的厚度 ， 在特征不明显的位置处 可以选取厚度较大的分层。 对应的步骤二中成形板材 2-1应该选取不同厚度的板 材 （厚一板材 2-7、 厚二板材 2-8、 厚三板材 2-9) 。 如此设置， 选用不同厚度的 成形板材 2-1可以适应所成形大尺寸结构复杂构件 1的局部特征， 从而使得局部特 征的机械加工过程简单同吋保证成形的效率。

[0034] 参见图 2、 图 4、 图 5、 图 7和图 8说明， 步骤三中相邻两块成形板材 2-1采用连接 剂的连接方式为钎焊连接或扩散连接。 如此设置， 连接稳定可靠， 操作简便易 行。