本發(fā)明屬于零件與模具的無模生長制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于零件與模具的復(fù)合增材制造方法。
背景技術(shù)：
高致密金屬零件或模具的無模熔積成形方法主要有大功率激光熔積成形、電子束自由成形、等離子弧與電弧熔積成形等方法。
其中，大功率激光熔積成形是采用大功率激光，逐層將送到基板上的金屬粉末熔化，并快速凝固熔積成形，最終得到近終成形件；該方法成形精度較高，工件的密度遠高于選擇性激光燒結(jié)件，但成形效率、能量和材料的利用率不高、不易達到滿密度、設(shè)備投資和運行成本高(參見文獻：A.J.Pinkkerton,L.Li,Effects of Geometry and Composition in Coaxial Laser Deposition of 316L Steel for Rapid Protyping,Annals of the CIRP,Vol.52,1(2003),p181-184)。
電子束自由成形方法采用大功率的電子束熔化粉末材料，根據(jù)計算機模型施加電磁場，控制電子束的運動，逐層掃描直至整個零件成形完成；該方法成形精度較高、成形質(zhì)量較好，然而其工藝條件要求嚴格，整個成形過程需在真空中進行，致使成形尺寸受到限制，設(shè)備投資和運行成本很高；且因采用與選擇性燒結(jié)相同的層層鋪粉方式，難以用于梯度功能材料零件的成形(參見文獻：Matz J.E.,Eagar T.W.Carbide formation in Alloy 718 during electron-beam solid freeform fabrication.Metallurgical and Materials Transactions A:Physical Metallurgy and Materials Science,2002,v33(8):p2559-2567)。
等離子熔積成形方法是采用高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步供給的金屬粉末或絲材，在基板上逐層熔積形成金屬零件或模具，該方法比前兩種方法成形效率和材料利用率高，易于獲得滿密度，設(shè)備和運行成本低，但因弧柱直徑較前兩者大，成形的尺寸和表面精度不及前兩者，故與大功率激光熔積成形方法相似，大都要在成形完后進行精整加工(參見文獻：Haiou Zhang,Jipeng Xu,Guilan Wang,Fundamental Study on Plasma Deposition Manufacturing，Surface and Coating Technology,v.171(1-3),2003,pp.112～118；以及張海鷗,吳紅軍,王桂蘭,陳競，等離子熔積直接成形高溫合金件組織結(jié)構(gòu)研究，華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，v 33,n 11,2005,p54-56)。
然而，直接成形的難加工材料零件因急冷凝固使表面硬度增大，導(dǎo)致加工非常困難；形狀復(fù)雜的零件還需多次裝夾，致使加工時間長，有時甚至要占整個制造周期的60％以上，成為高性能難加工零件低成本短流程生長制造的瓶頸。為此，出現(xiàn)了等離子熔積成形與銑削加工復(fù)合無?？焖僦圃旆椒?，即以等離子束為成形熱源，在分層或分段熔積成形過程中，依次交叉進行熔積成形與數(shù)控銑削精加工，以實現(xiàn)短流程、低成本的直接精確制造(參見文獻：專利號為ZL00131288.X，專利名稱為：直接快速制造模具與零件的方法及其裝置；張海鷗,熊新紅,王桂蘭,等離子熔積/銑削復(fù)合直接制造高溫合金雙螺旋整體葉輪，中國機械工程，2007，Vol18，No.14:P1723～1725)。
上述三種方法中，大功率激光熔積成形法和等離子電弧成形法皆為無支撐、無模熔積成形勻質(zhì)或復(fù)合梯度功能材料零件的方法。與電子束成形、選擇性激光燒結(jié)/熔化，以及采用熔點低的紙、樹脂、塑料等的LOM(Laminated Object Manufacturing紙疊層成形)、SLA(Stereolithography Apparatus光固化成形)，F(xiàn)DM(Fused Deposition Modeling熔絲沉積制造)、SLS(Selective Laser Sintering選擇性激光燒結(jié))等有支撐的無模堆積成形的方法相比，避免了成形時因需要支撐而須添加和去除支撐材料導(dǎo)致的材料、工藝、設(shè)備上的諸多不利，減少了制造時間，降低了成本，并可成形梯度功能材料的零件，但同時也因無支撐而在有懸臂的復(fù)雜形狀零件的成形過程中，熔融材料在重力作用下，可能產(chǎn)生下落、流淌等現(xiàn)象，導(dǎo)致難以熔積成形。等離子熔積銑削復(fù)合制造方法雖通過分層的成形和銑削精整，降低了加工復(fù)雜程度，但對于側(cè)面帶大傾角尤其是橫向懸角部分的復(fù)雜形狀零件，堆積成形時因重力產(chǎn)生的流淌甚至塌落仍不能避免，以至難以橫向生長成形。
為此，美國Michigan大學(xué)、Southern Methodist大學(xué)、新加坡國立大學(xué)等一些國外研究機構(gòu)研究采用變方向切片技術(shù)，選擇支撐條件最多的方向作為零件成形主方向，或?qū)?fù)雜形狀零件分解成若干簡單形狀的部件依次成形；或開發(fā)五軸無模成形加工設(shè)備和軟件，使熔融成形材料盡可能處于有支撐的條件下(參見文獻：P.Singh,D.Dutta,Multi-direction slicing for layered manufacturing,Journal of Computing and Information Science and Engineering,2001,2,pp:129–142；Jianzhong Ruan,Todd E.Sparks,Ajay Panackal et.al.Automated Slicing for a Multiaxis Metal Deposition System.Journal of Manufacturing Science and Engineering.APRIL 2007,Vol.129.pp:303-310；R.Dwivedi,R.Kovacevic,An expert system for generation of machine inputs for laser-based multi-directional metal deposition,International Journal of Machine Tools&Manufacture,46(2006),pp:1811-1822。)
采用五軸加工技術(shù)，可顯著改善生長成形的支撐條件，避免材料的下落，但對于復(fù)雜精細、薄壁形狀的零件，采用氣體保護的等離子弧/電弧、真空保護的電子束、熔渣保護的電渣焊與埋弧焊等熱源熔積成形，雖可提高效率、降低成本，但因這些熱源難以成形薄壁和精細形狀，可成形精度和薄壁程度不及大功率激光熔積成形法(參見文獻：Almeida P M S,Williams S,Innovative process model of Ti-6Al-4V additive layer manufacturing using cold metal transfer(CMT)[C].Proceedings of the 21th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium,Austin,Texas,USA,2010:25-26)，難以獲得比激光成形精細和壁薄的零件。
此外，航空航天、能源動力等行業(yè)對零部件的組織性能及其穩(wěn)定性的要求很高，現(xiàn)有無模增材制造方法因其急速加熱快速凝固和自由生長成形的特點，增材成形過程中的開裂、氣孔等難以避免，組織性能及其穩(wěn)定性尚不能滿足要求。以上諸問題已成為制約熔積直接增材成形技術(shù)能否進一步發(fā)展和實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用所急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難點和瓶頸問題。因此，需要開發(fā)可有效提高制造精度、改善成形性和零件組織性能的新方法。
總而言之，采用上述技術(shù)進行增材制造實質(zhì)上都是通過熱源輸入高熱量將金屬熔鑄成形的“熱成形加工過程”，鑄造和焊接過程中存在的缺陷，如氣孔、縮孔、未熔合、夾渣，以及稀釋、氧化、分解、相變、變形、開裂、流淌、坍塌等熱致不良影響難以完全避免。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種適用于零件與模具的復(fù)合增材成形加工方法，其將高速冷噴涂和銑削或壓力加工成形工藝巧妙的結(jié)合在一起，克服了現(xiàn)有技術(shù)中零件與模具的無模生長制造方法中，因采用熱成形加工存在的缺陷，還克服了單一采用高速冷噴涂造成的堆積成形缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于零件與模具的復(fù)合增材制造方法，其包括如下步驟：
S1：根據(jù)待成形工件的形狀、厚度以及尺寸精度的要求，將待成形工件的三維CAD模型進行分層切片處理，獲得多個分層切片的數(shù)據(jù)，每個分層切片的數(shù)據(jù)包括該分層切片的厚度、形狀以及尺寸精度，
S2：根據(jù)所述分層切片的數(shù)據(jù)進行成形路徑規(guī)劃，生成成形加工所需的各個分層切片數(shù)控代碼，
S3：根據(jù)步驟S2獲得的各個分層切片的數(shù)控代碼，在基板上將粉末材料逐層堆積成形，所述逐層堆積成形采用數(shù)控的高速冷噴涂槍將粉末材料噴涂至設(shè)定位置而堆積成形，
所述數(shù)控的高速冷噴涂槍工作時在基板涂層表面上移動，在所述數(shù)控的高速冷噴涂槍后面安裝有壓力加工成形裝置或/和銑削成形裝置，所述壓力加工成形裝置或/和銑削成形裝置與待加工區(qū)域緊密相鄰或者相隔若干層數(shù)(若干層可是一層、二層、三層、或者是根據(jù)實際工程需要的其他層數(shù))，在進行高速冷噴涂成形同時，銑削成形裝置或壓力加工成形裝置能隨著數(shù)控的高速冷噴涂槍移動，以用于堆積成形后的即時銑削減材成形或/和堆積成形后壓力加工等材成形，從而能提高堆積成形的成形性能和成形精度。
以上發(fā)明構(gòu)思中，所述壓力加工成形裝置或/和銑削成形裝置與待加工區(qū)域緊密相鄰或者相隔若干層數(shù)，當(dāng)壓力加工成形裝置或/和銑削成形裝置與待加工區(qū)域緊密相鄰時，在進行逐層堆積成形后能立刻對當(dāng)下堆積成形層進行壓力加工或者銑削加工；當(dāng)壓力加工成形裝置或/和銑削成形裝置與待加工區(qū)域相隔若干層數(shù)，能對當(dāng)先成形層之前的成形層進行加工，即隔開一層、二層、三層或者其他層數(shù)進行加工。
以上發(fā)明構(gòu)思中，與高速冷噴涂增材成形復(fù)合的銑削或壓力加工成形裝置可固定于高速冷噴涂槍上、數(shù)控加工頭上或機器人手腕上，在基體成形層表面上，隨高速冷噴涂槍或離開數(shù)控的高速冷噴涂槍一定距離移動，進行銑削減材成形或壓力加工等材成形。
以上發(fā)明構(gòu)思中，逐層或多層分段地將高速冷噴涂增材成形與銑削成形或壓力加工成形復(fù)合進行或分離進行，直至達到零件或模具的尺寸和表面精度、質(zhì)量的要求。
以上發(fā)明構(gòu)思中，在高速冷噴涂的無支撐、無模成形過程中，通過安裝在噴涂層后方的銑削成形或壓力加工成形工具，對涂層區(qū)域的材料進行壓力加工受迫變形，受迫成形產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變和壓縮應(yīng)力狀態(tài)，可避免開裂、減輕或消除殘余應(yīng)力、改善組織性能；此外，還可有效地減少成形體上表面的錐形和側(cè)表面階梯效應(yīng)，提高成形精度和表面質(zhì)量，從而僅需少量或省去銑削加工、而僅采用研磨或拋光加工即可達到零件的尺寸和表面精度的要求。
進一步的，在所述步驟S3中，在采用數(shù)控的高速冷噴涂槍將粉末材料噴涂至設(shè)定位置而堆積成形時，同步對基體和噴涂顆粒加熱，以同時軟化基體和噴涂顆粒，從而降低顆粒沉積所需的臨界速度。
進一步的，在所述步驟S3中，在采用數(shù)控的高速冷噴涂槍將粉末材料噴涂至設(shè)定位置而堆積成形時，同步對基體和噴涂顆粒加熱，以同時軟化基體和噴涂顆粒，所述噴涂顆粒選自金屬、金屬間化合物、陶瓷、金屬陶瓷、陶瓷復(fù)合物以及組織和成分可梯度變化的梯度功能材料，堆積成形時采用氮氣為保護氣體。
進一步的，還包括步驟S4，步驟S4：在待成形件達不到零件或模具的尺寸和表面精度要求時，則堆積成形過程中逐層或多層分段采用銑削、研磨或拋光工藝，對待成形體進行精整加工，直至達到零件或模具的尺寸和表面精度要求。本步驟中，為提高成形效率和成形精度，可安裝多個高速冷噴涂槍及復(fù)合的銑削或壓力加工成形裝置，進行復(fù)合增材成形加
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：
本發(fā)明保持了高速冷噴涂是一種低熱量輸入的“冷加工過程”，可有效避免熱噴涂和激光、電子束、電弧等熔化沉積“熱成形加工”過程中出現(xiàn)的熱致不良影響。采用本發(fā)明可以高質(zhì)量、快速、低成本地獲得金屬、金屬間化合物、金屬陶瓷、陶瓷及其復(fù)合梯度功能材料的零件或模具。
本發(fā)明方法解決了實際工程問題，采用本發(fā)明方法制備的零件或者模具沒有氣孔、縮孔、未熔合、夾渣、稀釋、氧化、分解、相變、變形、開裂、流淌、坍塌等熱致不良影響，也沒有組織力學(xué)性能不高的問題，還適用于硬質(zhì)材料，可噴涂材料范圍廣，本發(fā)明方法還克服了冷噴涂后涂層表面呈錐形而導(dǎo)致沉積速率呈線性下降、設(shè)備和運營成本較高的問題。
本發(fā)明還可用于零件或模具的表面修復(fù)或強化，克服現(xiàn)有方法在修復(fù)或強化完后對急冷硬化的修復(fù)和強化層進行后續(xù)精加工非常困難的技術(shù)瓶頸問題。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例中零件與模具的復(fù)合增材制造方法流程圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
本發(fā)明方法巧妙地結(jié)合了高速冷噴涂技術(shù)和銑削加工成形或壓力加工成形工藝，能夠充分利用高速冷噴涂的優(yōu)勢，使制備的產(chǎn)品既沒有熱加工成形的缺陷，也沒有高速冷噴涂工藝的缺陷。
為了更詳細的說明本發(fā)明方法的優(yōu)勢，下面仔細介紹高速冷噴涂技術(shù)：
高速冷噴涂技術(shù)是一種新型的涂層制備方法，并正在應(yīng)用于增材制造。該技術(shù)借助高壓氣體攜帶粒子經(jīng)Laval噴管產(chǎn)生超音速氣固雙相流，粒子在完全固態(tài)下撞擊基板，發(fā)生劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，是一種低熱量輸入的“冷成形加工過程”，可有效避免上述“熱成形加工過程”中出現(xiàn)的熱致不良影響。
然而，正是因為冷噴涂技術(shù)僅依靠高速飛行的顆粒撞擊基體，發(fā)生劇烈塑性變形而結(jié)合的，顆粒沉積所需的臨界速度較高，多適合噴涂塑性好的材料。近些年，隨著對其沉積機理的不斷研究，冷噴涂應(yīng)用范圍不斷擴大，但可噴涂材料范圍仍較熱噴涂、激光熔覆要小；對于硬質(zhì)材料，冷噴涂難以實現(xiàn)有效沉積；且致密度、塑性、韌性存在不足；持續(xù)噴涂后涂層表面呈錐形而導(dǎo)致尺寸和表面精度差、沉積速率呈線性下降；為制備高強度材料涂層，冷噴涂技術(shù)需要使用氦氣使噴涂顆粒達到有效結(jié)合所需的高碰撞速度，而使用氦氣的成本是使用氮氣成本的80多倍，即使對于一些塑性好、可以使用氮氣噴涂的材料，仍需要依靠高功率的氣體加熱器加熱氣體以提高顆粒速度。然而，這將同時增加設(shè)備和運營成本。因此，單一的冷噴涂技術(shù)在經(jīng)濟上與應(yīng)用范圍上同其他表面涂層技術(shù)相比競爭優(yōu)勢不是十分明顯。
本發(fā)明在高速冷噴涂過程中引入壓力加工或者銑削加工工藝，克服了高速冷噴涂的缺陷，同時保證了產(chǎn)品最終的精度和性能。
下面結(jié)合具體實施例，進一步詳細說明本發(fā)明方法在制備零件和模具中的應(yīng)用。
實施例1：
根據(jù)鐵-鎳-鉻合金零件的使用性能要求，采用鐵-鎳-鉻合金粉末進行高速冷噴涂成形。
在基板上，按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化增材成形加工路徑，采用高速冷噴涂槍在成形基體上移動進行金屬堆積成形；
在成形過程中，固定在高速冷噴涂槍之后的微型軋輥隨槍運動，同步進行高速冷噴涂成形與連續(xù)冷鍛滾壓壓力成形加工；若尺寸及表面精度達不到要求，則需在上述同步成形加工過程中或逐層或數(shù)層分段進行表面精整加工，因此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合進行研磨、拋光精整加工。
該精整加工過程與同步成形加工過程交替進行，直到模具型腔成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達到要求。對于高硬度的合金粉末材料成形，可采用高頻感應(yīng)加熱裝置對粉末成形區(qū)域同時進行加熱，軟化基體，提高成形性和涂層性能。
實施例2：
根據(jù)高溫合金零件的使用性能要求，采用高溫合金粉末進行高速冷噴涂成形。
在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化增材成形加工路徑，采用高速冷噴涂槍在成形基體上移動進行金屬堆積成形。
在成形過程中，固定在高速冷噴涂槍之后的旋壓成形裝置隨槍運動，同步進行高速冷噴涂成形與旋轉(zhuǎn)壓力成形加工；若尺寸及表面精度達不到要求，則需在上述同步成形加工過程中或逐層或數(shù)層分段進行表面精整加工，因此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合進行研磨、拋光精整加工。
該精整加工過程與同步成形加工過程交替進行，直到模具型腔成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達到要求。
實施例3：
根據(jù)鋁合金零件的使用性能要求，采用鋁合金粉末進行高速冷噴涂成形。
在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化增材成形加工路徑，采用高速冷噴涂槍在成形基體上移動進行金屬堆積成形；
在成形過程中，固定在高速冷噴涂槍之后的銑刀、激光或者電火花銑削加工裝置隨槍運動，同步進行高速冷噴涂成形與銑削減材成形加工；若尺寸及表面精度達不到要求，則需在上述同步成形加工過程中或逐層或數(shù)層分段進行表面精整加工，因此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合進行研磨、拋光精整加工。
該精整加工過程與同步成形加工過程交替進行，直到模具型腔成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達到要求。
實施例4：
根據(jù)陶瓷零件的使用性能要求，采用陶瓷粉末進行高速冷噴涂成形。
在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化增材成形加工路徑，采用高速冷噴涂槍在成形基體上移動進行堆積成形。
在成形過程中，固定在高速冷噴涂槍之后的壓力加工裝置隨槍運動，同步進行高速冷噴涂成形與等材成形加工；若尺寸及表面精度達不到要求，則需在上述同步成形加工過程中或逐層或數(shù)層分段進行表面精整加工，因此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合進行研磨、拋光精整加工。
該精整加工過程與同步成形加工過程交替進行，直到零件成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達到要求。對于高硬度、脆性的陶瓷粉末材料成形，可采用激光束對粉末成形區(qū)域同時進行加熱，軟化基體，提高成形性和涂層性能。
實施例5：
根據(jù)金屬和陶瓷梯度復(fù)合零件的使用性能要求，采用梯度功能材料送粉器和加速裝置進行梯度復(fù)合材料高速冷噴涂成形。
在基板上按照由零件三維CAD模型得到的數(shù)字化增材成形加工路徑，采用高速冷噴涂槍在成形基體上移動進行堆積成形。
在成形過程中，固定在高速冷噴涂槍之后的壓力加工裝置隨槍運動，同步進行高速冷噴涂成形與等材成形加工；若尺寸及表面精度達不到要求，則需在上述同步成形加工過程中或逐層或數(shù)層分段對表面進行加工，因此，按照與同步成形加工路徑復(fù)合的表面激光銑削、研磨、拋光路徑規(guī)劃，在同步成形加工過程中逐層或數(shù)層分段復(fù)合進行表面精整加工。
該精整加工過程與同步成形加工過程交替進行，直到零件成形加工結(jié)束，尺寸和表面精度達到要求。對于高硬度、脆性的陶瓷粉末材料成形，可采用激光束對粉末成形區(qū)域同時進行加熱，軟化基體，提高成形性和涂層性能。
本發(fā)明提供一種零件與模具的復(fù)合增材成形加工方法，可有效解決現(xiàn)有零件與模具的無模生長制造方法的一些缺陷，比如，因采用金屬熔化堆積“熱成形加工”而存在的氣孔、縮孔、未熔合、夾渣，以及稀釋、氧化、分解、相變、變形、開裂、下落、流淌、坍塌等熱致不良影響。又比如，采用單一高速冷噴涂堆積成形的噴涂層的致密度、塑性、韌性等組織力學(xué)性能不高、硬質(zhì)材料難以實現(xiàn)有效沉積而噴涂材料范圍小、持續(xù)冷噴涂后涂層表面呈錐形而導(dǎo)致沉積速率呈線性下降、表面和尺寸精度不高、設(shè)備和運營成本較高的問題。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。