一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，可以根據(jù)相鄰熔覆道的臨界理想搭接模型推導(dǎo)出有關(guān)于熔覆線寬和線高的公式，通過(guò)公式可以計(jì)算出相鄰熔覆道的理想搭接率（最佳掃描間距），以此作為工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行熔覆線搭接成面的平面掃描過(guò)程。通過(guò)該模型可以科學(xué)高效的確定出最佳掃描間距，從而提高搭接面的成形平整度，避免了重復(fù)繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)摸索過(guò)程，同時(shí)又節(jié)省了原材料與設(shè)備損耗等制造成本，適于推廣應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及快速成形與快速制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光直接快速成形技術(shù)是在80年代末期出現(xiàn)的快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送料激光熔覆技術(shù)所發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，它利用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池，同時(shí)將金屬原材料同步送入熔池而形成與基體金屬冶金結(jié)合且稀釋率很低的新金屬層，加工過(guò)程中采用數(shù)控系統(tǒng)控制工作臺(tái)根據(jù)CAD模型給定的路徑往復(fù)掃描，便可在沉積基板上逐線、逐層地熔覆堆積出任意形狀的功能性三維金屬實(shí)體零件或僅需少量精加工的近形件，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制下的三維激光熔覆。它的出現(xiàn)給裝備制造業(yè)帶來(lái)了全新的技術(shù)理念。該技術(shù)融合了 CAD、激光加工、材料科學(xué)、數(shù)控加工等相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，以“離散+堆積”為成形理念，能夠在無(wú)工模具的情況下由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)直接沉積成形金屬零件，因此，在很大程度上節(jié)省了制造周期和開(kāi)銷(xiāo)。雖然該技術(shù)將現(xiàn)有的快速成形技術(shù)推進(jìn)到直接成形全密度高強(qiáng)度功能性金屬零件的新高度，但零件的形狀和尺寸精度一直是限制其廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展的制約因素，所以應(yīng)從該技術(shù)成形原理為切入點(diǎn)考慮解決方法。由于該技術(shù)是一個(gè)由線到面、由面到體的三維實(shí)體零件成形過(guò)程，所以應(yīng)從成形實(shí)體的單元或基礎(chǔ)入手來(lái)解決問(wèn)題。也就是說(shuō)，只有沉積過(guò)程中產(chǎn)生的熔覆線線形連續(xù)規(guī)整、等寬等高，相鄰熔覆線的搭接面光滑平整，才能從根本上提高最終生成的三維實(shí)體零件的尺寸與形狀精度。連續(xù)規(guī)整熔覆線可以采用工藝參數(shù)常用值的不同組合來(lái)進(jìn)行多次熔覆實(shí)驗(yàn)從而找出并確定，而相鄰熔覆線的搭接面如何達(dá)到光滑平整，需要相關(guān)科學(xué)便捷、行之有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0003]搭接率是激光直接成形金屬零件技術(shù)中的一個(gè)重要工藝參數(shù)，搭接率的大小將直接影響到成形表面的宏觀平整程度和質(zhì)量精度。如果搭接率選擇不當(dāng)將導(dǎo)致成形表面出現(xiàn)凹凸不平。一旦出現(xiàn)這種情況，在成形各條熔覆道時(shí)的各工藝參數(shù)的實(shí)際值將不再保持一致，成形表面的平整度將很難得到保證，而且這種不平整度會(huì)隨著加工過(guò)程的層層沉積而加重，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致激光直接成形過(guò)程無(wú)法進(jìn)行下去。所以，在成形過(guò)程中要保證合適穩(wěn)定的搭接率，使相鄰熔覆道高度相同且其間的表面平整，搭接率過(guò)小會(huì)導(dǎo)致相鄰熔覆道之間的凹陷，而過(guò)大又會(huì)產(chǎn)生后一熔覆道在前一熔覆道上的堆積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:
[0005]為了解決激光快速成形零件其尺寸與形狀精度難以控制的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，有效降低了制造成本，又提高了加工效率。
[0006]技術(shù)方案:[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，其特征在于:步驟如下:
[0009](I)針對(duì)鎳基合金和不銹鋼成形金屬粉末原材料，根據(jù)激光快速成形技術(shù)所涉及的激光功率、光斑直徑、送粉速率、掃描速度工藝參數(shù)的系統(tǒng)許用范圍，選取常用值的不同組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，確定獲得形狀最規(guī)整、尺寸最均勻的熔覆線的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，然后采用此參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆線的沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)此組參數(shù)下生成的熔覆線線寬和線高進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和記錄；
[0010](2)接著，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的單道熔覆線橫截面形狀，將熔覆道橫截面近似的看作圓的一部分，在搭接熔覆成形的過(guò)程中，只有搭接率選擇合適，兩相鄰熔覆道之間才能表面平整且兩熔覆道高度相同，此理想狀態(tài)下的搭接率稱(chēng)為臨界搭接率，建立臨界搭接率時(shí)的理想搭接模型，根據(jù)模型中的幾何圖形關(guān)系，推導(dǎo)出以熔覆線線寬和線高為變量的面積公式，然后根據(jù)優(yōu)化算法流程，確定最佳掃描間距，進(jìn)而算出臨界搭接率；把最佳掃描間距即臨界搭接率的理論計(jì)算值作為適合的最佳參考值來(lái)指導(dǎo)成形實(shí)驗(yàn)，在此參考值下成形的搭接面最為平整光滑。
[0011]將熔覆道橫截面近似的看作圓的一部分，搭接率為臨界搭接率的情況下，兩相鄰熔覆道之間表面視為平整且兩熔覆道高度相同。
[0012]兩相鄰熔覆道的理想搭接模型，是將兩相鄰圓的搭接重合部分面積視作恰好等于兩圓外輪廓與外公切線組成的凹陷部分面積。
[0013]根據(jù)優(yōu)化算法流程，通過(guò)計(jì)算確定最佳掃描間距和臨界搭接率的值，以此作為參考值提高成形金屬零件的表面平整度和幾何尺寸精度。
[0014]優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0015]本發(fā)明涉及一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，可以在減少實(shí)驗(yàn)量的基礎(chǔ)上，科學(xué)準(zhǔn)確地確定出最佳掃描間距，提高激光快速成形零件分層切片實(shí)際成形表面的平整度，從而改善層層堆積所生成的三維實(shí)體零件的形狀與尺寸精度。因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)嘗試摸索的方法來(lái)找出最佳掃描間距，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不經(jīng)濟(jì)不可靠。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0016]圖1是單道熔覆層橫截面的金相顯微組織照片；
[0017]圖2是不同搭接率對(duì)熔覆層橫截面形狀的影響對(duì)照?qǐng)D，其中圖2 (a)搭接率過(guò)小，圖2 (b)搭接率合適，圖2 (c)搭接率過(guò)大；
[0018]圖3是理想搭接狀態(tài)熔覆層橫截面形狀示意圖；
[0019]圖4是優(yōu)化算法流程圖；
[0020]圖5是多道搭接平面掃描實(shí)驗(yàn)示意圖；
[0021]圖6是平面掃描實(shí)驗(yàn)表面及截面形貌對(duì)照?qǐng)D，其中圖6 Ca)中S=2.1mm,圖6 (b)中 S=L 7mm,圖 6 (c)中 S=L 3mm。
[0022]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0023]1、基板，2、熔覆層。
【具體實(shí)施方式】:[0024]激光快速成形零件的形狀和尺寸精度一直是限制其應(yīng)用及發(fā)展的制約因素，所以應(yīng)從該技術(shù)成形原理為切入點(diǎn)考慮解決方法。即提高零件分層切片實(shí)際成形表面的平整度，從而改善層層堆積所生成的三維實(shí)體零件的精度。
[0025]本發(fā)明提供了一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，該方法可以在測(cè)量熔覆線高度、寬度的基礎(chǔ)上，根據(jù)相鄰熔覆道的臨界理想搭接模型推導(dǎo)出有關(guān)于熔覆線線寬和線高的公式，通過(guò)公式可以計(jì)算出相鄰熔覆道的理想搭接率，也就是最佳掃描間距，以此作為工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)行熔覆線搭接成面的平面掃描過(guò)程。該發(fā)明的核心思想和理論依據(jù)是臨界理想搭接模型，通過(guò)該模型可以科學(xué)高效的確定出最佳掃描間距，從而提高搭接面的成形平整度，避免了重復(fù)繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)摸索過(guò)程，同時(shí)又節(jié)省了原材料與設(shè)備損耗。因此，該發(fā)明對(duì)于激光快速成形技術(shù)來(lái)說(shuō)，既降低了制造成本，又提高了加工效率。
[0026]首先，針對(duì)鎳基合金和不銹鋼等成形金屬粉末原材料，根據(jù)激光快速成形技術(shù)所涉及的激光功率、光斑直徑、送粉速率、掃描速度等主要工藝參數(shù)的系統(tǒng)許用范圍，選取常用值的不同組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，即可確定獲得形狀最規(guī)整、尺寸最均勻的熔覆線的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，然后采用此參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆線的沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)此組參數(shù)下生成的熔覆線線寬和線高進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和記錄。接著，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的單道熔覆線橫截面形狀，將熔覆道橫截面近似的看作圓的一部分。在搭接熔覆成形的過(guò)程中，只有搭接率選擇合適，兩相鄰熔覆道之間才能表面平整且兩熔覆道高度相同，此理想狀態(tài)下的搭接率稱(chēng)為臨界搭接率。隨之可以建立臨界搭接率時(shí)的理想搭接模型，根據(jù)模型中的幾何圖形關(guān)系，可以推導(dǎo)出以熔覆線線寬和線高為變量的面積公式，然后根據(jù)優(yōu)化算法流程，確定最佳掃描間距，進(jìn)而算出臨界搭接率。這樣，就可以把最佳掃描間距(臨界搭接率)的理論計(jì)算值作為適合的最佳參考值來(lái)指導(dǎo)成形實(shí)驗(yàn)，在此參考值下成形的搭接面應(yīng)該最為平整光滑，申請(qǐng)者的相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證明了本發(fā)明所建立的理想搭接模型的正確性和可靠性。
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加做進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0028]在圖1中:表示單道激光熔覆橫截面的金相照片，由于激光熔覆時(shí)熔池中液態(tài)金屬的表面張力和重力作用，造成熔覆層團(tuán)聚，故熔覆道橫截面可以近似的看作圓的一部分。圖中H代表單道熔覆層的高度，W表示單道熔覆層的寬度，R代表圓的半徑。
[0029]在圖2中:表示在搭接熔覆成形的過(guò)程中，不同的搭接率可能導(dǎo)致相鄰熔覆道橫截面出現(xiàn)的三種情況:
[0030](I)搭接率太小，兩相鄰熔覆道之間有一條明顯的凹陷區(qū)，但兩熔覆道的高度相同，如圖2(a)；
[0031](2)搭接率選擇合適，兩相鄰熔覆道之間的表面平整且兩熔覆道高度相同，如圖2(b)；
[0032]( 3 )搭接率太大，后一熔覆道由于堆積作用高于前一熔覆道，如圖2 (C)。
[0033]在圖2所示的三種情況中，圖2(b)的情況最為理想，所得熔覆層表面平整，各熔覆道的高度基本一致，相鄰熔覆道間也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的凹陷或凸起，使得在層層堆積熔覆時(shí)不易在兩層之間形成氣孔缺陷；圖2(&)的成形情況比圖2(b)稍差，各熔覆道的總體高度一致，因此熔覆層總體來(lái)說(shuō)較為平整，但相鄰熔覆道之間的凹陷容易在上下熔覆層之間形成孔洞等缺陷，降低成形件的致密度，甚至造成熔覆層開(kāi)裂，這些都會(huì)惡化成形件的性能；圖2(c)的情況從成形的角度而言是應(yīng)該極力避免的，因?yàn)檎麄€(gè)熔覆層的表面呈現(xiàn)出凸起的斜坡，在進(jìn)行層層沉積熔覆時(shí)，由于熔池內(nèi)金屬液體的流動(dòng)，其傾斜角度將逐漸增大，最終將導(dǎo)致成形表面的尺寸精度完全無(wú)法保證。這種誤差累積作用將使成形件表面凹凸現(xiàn)象加重，由此引起成形過(guò)程的失敗。
[0034]在圖3中:表示獲得圖2(b)中熔覆效果時(shí)的搭接率Π。(即臨界搭接率)的理想搭接模型，圖3為兩相鄰熔覆道處于理想搭接狀態(tài)的橫截面圖，兩相鄰熔覆道的最高點(diǎn)高度和橫截面面積相等，前一道熔覆寬度為W，橫截面可以近似的看作圓C1的一部分，后一道的右半部分的形狀也可以近似看作圓C2的一段弧，而 、(:2之間的熔覆表面為平面。所得熔覆層表面平整，使得在左右相鄰熔覆道和上下相鄰熔覆層之間不易形成氣孔疏松等缺陷。面積A1代表熔覆道截面間的凹溝，面積A2代表熔覆道截面搭接部分，對(duì)于理想搭接狀態(tài)，面積A1和A2相等，此時(shí)搭接部分面積A2恰好填補(bǔ)到凹溝面積A1上，搭接熔覆表面平整光滑，此時(shí)的搭接率為臨界搭接率H。、掃描間距為最佳掃描間距S，所以確定nys是至關(guān)重要的。在這里根據(jù)理想搭接模型采用優(yōu)化算法來(lái)計(jì)算nys。
[0035]由圖3中的幾何關(guān)系可知，圓C1的圓心坐標(biāo)為(0，H-R)，因此可得圓C1方程，如式
(I)所示:
[0036]X2+ [y- (H-R) ]2 = R2(I)
[0037]其中:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，其特征在于:步驟如下: (1)針對(duì)鎳基合金和不銹鋼成形金屬粉末原材料，根據(jù)激光快速成形技術(shù)所涉及的激光功率、光斑直徑、送粉速率、掃描速度工藝參數(shù)的系統(tǒng)許用范圍，選取常用值的不同組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，確定獲得形狀最規(guī)整、尺寸最均勻的熔覆線的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，然后采用此參數(shù)組合來(lái)進(jìn)行單道熔覆線的沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)此組參數(shù)下生成的熔覆線線寬和線高進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和記錄； (2)接著，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的單道熔覆線橫截面形狀，將熔覆道橫截面近似的看作圓的一部分，在搭接熔覆成形的過(guò)程中，只有搭接率選擇合適，兩相鄰熔覆道之間才能表面平整且兩熔覆道高度相同，此理想狀態(tài)下的搭接率稱(chēng)為臨界搭接率，建立臨界搭接率時(shí)的理想搭接模型，根據(jù)模型中的幾何圖形關(guān)系，推導(dǎo)出以熔覆線線寬和線高為變量的面積公式，然后根據(jù)優(yōu)化算法流程，確定最佳掃描間距，進(jìn)而算出臨界搭接率；把最佳掃描間距即臨界搭接率的理論計(jì)算值作為適合的最佳參考值來(lái)指導(dǎo)成形實(shí)驗(yàn)，在此參考值下成形的搭接面最為平整光滑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，其特征是:將熔覆道橫截面近似的看作圓的一部分，搭接率為臨界搭接率的情況下，兩相鄰熔覆道之間表面視為平整且兩熔覆道高度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，其特征是:兩相鄰熔覆道的理想搭接模型，是將兩相鄰圓的搭接重合部分面積視作恰好等于兩圓外輪廓與外公切線組成的凹陷部分面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高激光快速成形金屬零件表面平整度的方法，其特征是:根據(jù)優(yōu)化算法流程，通過(guò)計(jì)算確定最佳掃描間距和臨界搭接率的值，以此作為參考值提高成形金屬零件的表面平整度和幾何尺寸精度。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK103433487SQ201310344910
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】張凱, 尚曉峰, 李妙妍, 劉偉軍, 張新敏 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)