ZHANG KUN (CN)
ZHU HAIHUI (CN)
YUAN SHIJIAN (CN)
CN103909268A | 2014-07-09 | |||
CN104325264A | 2015-02-04 | |||
CN105537519A | 2016-05-04 | |||
US20100244333A1 | 2010-09-30 |
权利要求书 [权利要求 1] 一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法, 其特征在于: 该方法 是按照以下步骤实现的: 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; 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) ; 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; 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) 。 [权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法 , 其特性在于: 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板 材 (2-1) 间隔布置。 [权利要求 3] 根据权利要求 1所述的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法 , 其特征在于: 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。 [权利要求 4] 根据权利要求 1、 2或 3所述的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制 造方法, 其特征在于: 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。 [权利要求 5] 根据权利要求 4所述的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法 , 其特征在于: 步骤二中成形板材 (2-1) 为装配面坎合结构板材。 [权利要求 6] 根据权利要求 1、 2、 3或 5所述的一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层 制造方法, 其特征在于: 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。 |
[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。
Next Patent: METHOD FOR CONTROLLING ELEVATOR WITH VOICE AND ELEVATOR CONTROL DEVICE