空腔零件激光3d成形工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及空腔零件激光3D成形工艺，包括如下步骤：1)建立零件几何模型；将模型分成定向成形区域和法向成形区域；会发生干涉的部分为定向成形区域，其余为法向成形区域；2)出射激光束，激光光斑与被送入的金属粉末结合，完成一层材料的成形；在定向成形区域，光头的轴线与竖直方向呈一固定的角度进行扫描，若在法向成形区域，光头的轴线与成形面的法线平行；3)使光头移动一层材料的距离，重复步骤2)，至加工完成，这消除了干涉现象，获得了更高的表面精度。在加工零件封口段时，将待加工面沿其轨迹分为多段，加工一段，冷却一段时间，再继续加工下一段，直至一层材料的成形，这解决了热量的堆积问题，能够实现封口段正常成形。
【专利说明】
空腔零件激光3D成形工艺
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种激光3D成形的工艺，特别是一种空腔零件激光3D成形工艺。
【背景技术】
[0002]激光立体成形技术是由快速成形技术和激光熔覆技术结合形成的一种先进制造技术，根据送粉方式的不同，分为两种，一种是激光熔化沉积技术，简称LMD技术;另一种是选择性激光熔化技术，简称SLM技术。
[0003]LMD采用的是自动送粉，在加工成形过程中，金属粉末从储粉斗中通过喷嘴同步喷射到熔池中。由于金属粉末是从喷嘴中动态喷出的，所以LMD技术中的激光光斑不能太小，否则大部分粉末不能被激光光斑捕捉。由于LMD技术中的激光光斑直径较大，所制造的零件形状相对比较简单，成形线宽比较宽，成形件精度较差，需要较多的后续加工。LMD技术通常结合机床，制造大尺寸的零件。
[0004]SLM则采用预先铺粉的方式，即预先铺设一层金属粉末，然后通过激光对金属粉末实现选择性熔化。由于金属粉末处于静止状态，因此采用很小的激光光斑也能够捕捉金属粉末。SLM技术采用扫描振镜实现激光与工件的相对运动。加工的零件成形精度较高，一般用于制造中小零件。
[0005]现有技术中，在加工零件的整个过程中时，特别是口径较小的部位，容易发生激光光头的下端或者激光光束与已经成形的面发生干涉的现象，导致零件成形困难，零件成形表面精度低。此外对于制造中小尺寸的封闭空腔零件，在封口段，由于热量累计严重，容易造成塌陷的情况，导致零件封口段表面精度低，甚至不能完全封口。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种能在加工过程中消除激光干涉现象、并且封口段加工效果好的空腔零件激光3D成形工艺。
[0007]本发明的空腔零件激光3D成形工艺，包括如下步骤:
[0008]I)建立空腔零件的三维几何模型;根据计算激光光头的下端或者激光光束是否会与空腔零件的已成形部分发生干涉，将三维模型分成定向成形区域和法向成形区域;激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉的部分设置为定向成形区域，其余为法向成形区域；
[0009]2)激光光头出射激光束，沿预先设定的路径扫描;激光光斑与被送入的金属粉末结合，完成一层材料的成形;其中，若在定向成形区域，激光光头的轴线与竖直方向呈一固定的角度进行扫描，选择的上述角度能够使得激光光头的下端或者激光光束不会与空腔零件的已成形部分发生干涉;若在法向成形区域，激光光头的轴线与成形面的法线平行；
[0010]3)使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤2)，直至零件加工完成。
[0011 ]进一步地，上述零件若为需要封口的零件，则在加工至零件封口段时，包括如下步骤:
[0012]I)将待加工面沿其轨迹分为多段，激光光束每熔覆一段后，关闭一段时间，再继续熔覆下一段，直至一层材料的成形；
[0013]2)然后使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤I)进行下一层材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。
[0014]进一步地，所述激光光头采用光内送粉的方法。
[0015]进一步地，加工较大曲率半径的曲面时，激光光头的轴线与竖直方向夹角为0°—60°，激光光头的轴线与成形面切线的夹角不超过30°。
[0016]进一步地，加工过程中，利用视觉控制系统测量、控制零件的层高。
[0017]进一步地，所述激光光头为环锥形中空激光光头。
[0018]本发明的优点在于:
[0019]1.本发明将零件划分为定向成形区域和法向成形区域，法向成形区域的加工方式能够消除传统的零件表面存在阶梯效应的问题，提高零件表面的精度;但是，在加工到口径比较小的部位时，继续采用法向成形区域的加工方式，容易发生干涉现象，所以将激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉的部分设置为定向成形区域，消除了干涉现象。本发明的空腔零件激光3D成形工艺制造的零件相对于现有空腔零件激光3D成形工艺制造的零件，获得了更高的表面精度。
[0020]2.本发明在空腔零件封口段采用间歇式加工的方法，解决了现有的封口段加工过程中热量的堆积问题，能够实现封口段正常成形。也使得封口段获得更好的表面精度。
[0021]3.加工较大曲率半径的曲面时，激光光头的轴线与竖直方向夹角为0° — 60°，上述角度范围内，可避免发生激光光头的下端或者激光光束与已经成形的面发生干涉的现象。激光光头的轴线与成形面切线的夹角不超过30°，此时零件成形效果较好。
[0022]4.所述激光光头采用光内送粉的方法，并且激光光头为环锥形中空激光光头。单根粉管置于中心，在空间多角度送粉过程中外层环状准直气对于单根粉束的汇聚效果明显，使其在空间变姿态激光熔覆成形过程中具有指向性好、无干涉，光、粉、气一体同轴等优点。送粉喷嘴在较大倾斜角度下仍能保持粉束的挺度，光头轴线与竖直方向夹角120°时仍能进行熔覆成形。有利于实现大角度倾斜结构法向无错层堆积成形，加工的零件尺寸准确，表面粗糙度小。
【附图说明】
[0023]图1是本发明法向成形区域的加工示意图；
[0024]图2是本发明定向成形区域的加工示意图。
[0025]其中，图中α为光头轴线与竖直方向之间的夹角，β为光头轴线与成形面切线之间的夹角。
【具体实施方式】
[0026]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0027]实施例1:当所述空腔零件不是封闭的空腔零件时，即空腔零件不需要封口时，空腔零件激光3D成形工艺，包括如下步骤:
[0028]I)建立空腔零件的三维几何模型;根据计算激光光头的下端或者激光光束是否会与空腔零件的已成形部分发生干涉，将三维模型分成定向成形区域和法向成形区域;激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉的部分设置为定向成形区域，其余为法向成形区域；
[0029]2)激光光头采用光内送粉的方法，所述激光光头为环锥形中空激光光头。激光光头出射激光束，沿预先设定的路径扫描;激光光斑与被送入的金属粉末结合，完成一层材料的成形;其中，若在定向成形区域，如图2所示，激光光头的轴线在一层材料的每一个加工位置都与竖直方向呈同一角度α进行扫描，选择的上述角度α能够使得激光光头的下端或者激光光束不会与空腔零件的已成形部分发生干涉;若在法向成形区域，如图1所示，激光光头的轴线在每一个加工位置都与成形面的法线平行；
[0030]3)使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤2)，直至零件加工完成。加工过程中，利用视觉控制系统测量、控制零件的层高。
[0031 ]上述加工过程中，激光光斑功率密度为80w/mm2，扫描速度为5mm/s。
[0032]其中，加工较大曲率半径的曲面时，激光光头的轴线与竖直方向夹角α为0°— 60°，激光光头的轴线与成形面切线的夹角β不超过30°。
[0033]实施例2:当所述空腔零件是封闭的空腔零件时，空腔零件激光3D成形工艺，包括如下步骤:
[0034]I)建立空腔零件的三维几何模型;根据计算激光光头的下端或者激光光束是否会与空腔零件的已成形部分发生干涉，将三维模型分成定向成形区域和法向成形区域;激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉的部分设置为定向成形区域，其余为法向成形区域；
[0035]2)激光光头采用光内送粉的方法，所述激光光头为环锥形中空激光光头。激光光头出射激光束，沿预先设定的路径扫描;激光光斑与被送入的金属粉末结合，完成一层材料的成形;其中，若在定向成形区域，如图2所示，激光光头的轴线在一层材料的每一个加工位置都与竖直方向呈同一角度α进行扫描，选择的上述角度α能够使得激光光头的下端或者激光光束不会与空腔零件的已成形部分发生干涉;若在法向成形区域，如图1所示，激光光头的轴线在每一个加工位置都与成形面的法线平行；
[0036]3)使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤2)，直至零件加工完成。加工过程中，利用视觉控制系统测量、控制零件的层高。
[0037]4)在加工至零件封口段时，由于封口段处，激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉，所以封口段处设置为定向成形区域，步骤如下:
[0038]a)首先使激光光头的轴线与竖直方向呈一固定的角度进行扫描，选择的上述角度能够使得激光光头的下端或者激光光束不会与空腔零件的已成形部分发生干涉;将待加工面沿其轨迹分为多段，激光光束每熔覆一段后，关闭一段时间，再继续熔覆下一段，直至一层材料的成形；
[0039]b)然后使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤a)进行下一层材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。
[0040]上述加工过程中，激光光斑功率密度为80w/mm2，扫描速度为5mm/s。
[0041]其中，加工较大曲率半径的曲面时，激光光头的轴线与竖直方向夹角α为0°— 60°，激光光头的轴线与成形面切线的夹角β不超过30°。
[0042]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，上述的实施例仅仅是示范性的，是非限制性的。说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，并且基于本发明公开的内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:包括如下步骤: 1)建立空腔零件的三维几何模型;根据计算激光光头的下端或者激光光束是否会与空腔零件的已成形部分发生干涉，将三维模型分成定向成形区域和法向成形区域;激光光头的下端或者激光光束会与空腔零件的已成形部分发生干涉的部分设置为定向成形区域，其余为法向成形区域； 2)激光光头出射激光束，沿预先设定的路径扫描;激光光斑与被送入的金属粉末结合，完成一层材料的成形;其中，若在定向成形区域，激光光头的轴线与竖直方向呈一固定的角度进行扫描，选择的上述角度能够使得激光光头的下端或者激光光束不会与空腔零件的已成形部分发生干涉;若在法向成形区域，激光光头的轴线与成形面的法线平行； 3)使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤2)，直至零件加工完成。2.根据权利要求1所述的空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:上述零件若为需要封口的零件，则在加工至零件封口段时，包括如下步骤: 1)将待加工面沿其轨迹分为多段，激光光束每熔覆一段后，关闭一段时间，再继续熔覆下一段，直至一层材料的成形； 2)然后使激光光头与刚成形的表面之间拉开一层材料的距离，重复步骤I)进行下一层材料的成形，直至零件封口段全部加工完成。3.根据权利要求1所述的空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:所述激光光头采用光内送粉的方法。4.根据权利要求1所述的空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:加工较大曲率半径的曲面时，激光光头的轴线与竖直方向夹角为0° — 60°，激光光头的轴线与成形面切线的夹角不超过30°。5.根据权利要求1所述的空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:加工过程中，利用视觉控制系统测量、控制零件的层高。6.根据权利要求3所述的空腔零件激光3D成形工艺，其特征在于:所述激光光头为环锥形中空激光光头。
【文档编号】B22F5/10GK105834426SQ201610347935
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】傅戈雁, 方琴琴, 王聪, 石世宏, 邓志强, 周斌
【申请人】苏州大学