一种大尺寸结构复杂金属构件的叠层制造方法与流程

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：

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日益复杂，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时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时，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。

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打印时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。同时，3D打印方法的生产效率很低，往往需要数月甚至更长时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。

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。如公开号为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“Development 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。

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。同时，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。

技术实现要素：

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。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

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：

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；

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；

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；

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

本发明的有益效果是：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结构的成形，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。

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时保证成形的效率。

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铣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。

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铣床，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。

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。

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时，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。

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。

附图说明

图1为本发明用于示意成形原理的大尺寸复杂金属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结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板材的示意图，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。

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。

具体实施方式

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：

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，打开定位约束夹具4，得到所需的大尺寸结构复杂金属构件1。

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成形难度，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。

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。

成形板材2-1的内腔边缘和外围边缘都可以利用铣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。

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板材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时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。

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。

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叠放时各向异性成形板材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叠放时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。

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。

参见图1和图8说明，步骤一中的大尺寸结构复杂构件1的模型在进行分层时，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时，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时保证成形的效率。

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。