金属锻焊增材制造装置及锻造方法与流程

本发明属于金属增材制造领域，尤其涉及一种金属锻焊增材制造装置及锻造方法。

背景技术：

目前，实现金属材料冶金结合的主流增材制造方式通常为“熔化-凝固”，其特点是采用热源熔化同步送进的金属材料，如金属丝材、粉末等，层层堆积，以堆焊的形式实现结构的制造，且制备的金属材料内部显微组织为凝固组织。为了提高材料的力学性能、减少内部缺陷，后来又发展出了将熔化沉积增材与热机械加工复合的方法，即通过熔化实现材料沉积与冶金结合，再增加滚压、锻造或冲击工艺以细化晶粒，提高内部质量，如CN103962560A提供的“一种熔锻复合的金属增材制造装置”，但其基本原理仍属于“熔化-凝固”范畴，只是在此基础上通过增加锻造使材料变形以改善性能。

以上采取“熔化-凝固”的方案获得的金属零件内部组织相对于锻造组织而言十分粗大，且具有明显的方向性，虽然有部分材料成形后的力学性能较好，但从普遍意义而言，熔化成形的材料很难达到与锻造材料相当的综合性能。另外，熔化堆焊过程中还可能出现气孔、裂纹、未熔合等焊接缺陷。虽然熔化结合锻造方法可以对内部质量和性能进行改善，但在这种复合加工方法中，熔化和锻造分别由两个不同的加工单元完成，两者具有空间上的距离和时间上的滞后，使得工艺和装备复杂程度高；另外，由于熔池小，凝固和冷却速度快，使得锻造温度无法得到有效控制，影响材料的适用范围和锻造的效果。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提出一种金属锻焊增材制造装置及锻造方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属锻焊增材制造装置，该装置包括工作舱，以及与工作舱相连的控制单元，工作舱内设置有可放置工件的锻造基板，加工单元，以及可带动加工单元的运动单元，运动单元设置于锻造基板的侧部，加工单元位于运动单元的一侧，且加工单元在加工工件时位于锻造基板的上方，其中，加工单元包括自运动单元至锻造基板的方向上顺次布设的用于为工件表面提供预热温度的预热单元、锻打单元、送丝器和储丝器，其中，锻打单元包括可上下往复运动的锻锤，锻锤下方与工件表面之间形成有锻打区，送丝器用于将储存在储丝器中的金属丝输送至锻打区，锻锤在锻打区内往复运动，以对工件和金属丝进行连续锻打。

作为优选，工作舱内包括可测量工件表面的预热温度的红外测温仪。

作为优选，工作舱内包括可加热送丝器输出的金属丝的热丝器。

作为优选，工作舱内还包括可测量加热后的金属丝的温度的测温仪。

作为优选，工作舱为内部充满有惰性气体的密闭舱室或真空室。

一种利用如上述任一项技术方案所述的金属锻焊增材制造装置的锻造方法，包括以下步骤：

设计加工路径：生成工件的三维模型，将三维模型切片分层，并由起始单层至终止单层依次读取每一单层的二维轮廓信息，以将工件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，形成加工路径；

沉积制造过程：控制单元将起始单层的二维轮廓信息转化为移动指令，运动单元带动加工单元按加工路径运动，利用预热单元将工件表面局部加热至设定温度T₁，同时利用热丝器将金属丝加热至设定温度T₂，通过送丝器将加热后的金属丝送至锻锤下方与工件表面之间形成的锻打区，其中，锻打区的温度高于设定温度T₁，锻锤在锻打区内往复运动对工件和金属丝进行连续锻打，以使该单层的二维轮廓被逐渐填充，直至单层沉积完成；

移动至下一单层，然后控制单元将下一单层的二维轮廓信息转化为移动指令，重复沉积制造过程步骤，直至完成终止单层的沉积。

作为优选，调节设计加工路径步骤中的送丝器的送丝速度和运动单元的运动速度，使锻打区内的金属丝和工件的温度处于设定的锻打温度区间T₀中，使金属丝和工件的温度趋近相同。

作为优选，在对工件及金属丝进行连续锻打形成锻造组织的过程中，锻打温度区间T₀设定为与工件或金属丝相同材料的高温锻造温度，锻打温度区间T₀的上限温度不高于工件或金属丝内部合金组织急剧长大的相变温度，下限温度不低于产生有害组织的相变温度。

作为优选，锻锤锻打金属丝时，将金属丝离断，送丝机带动金属丝反抽预设距离，以避开锻锤的上下往复运动。

作为优选，锻锤的击打频率为1～1000Hz，其中，送丝方法有两种方式，一是采用恒定周期，送丝机在工件与金属丝被1次或多次击打后锻锤上升的间隙进行送丝；二是采用在连续恒定周期多次击打后，根据送丝频率增设一个延迟时间，以完成送丝动作。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、该制造方法获得的材料内部显微组织为锻造组织(变形组织)，晶粒细，力学性能优良，且不会出现气孔等焊接常见的冶金缺陷，能够大大提高金属增材制造零件性能的可靠性和一致性；

2、该制造方法无需将材料熔化，直接通过连续锻打实现送进的金属材料与工件形成原子间结合，从而在使机床结构简化，大大降低机床成本的同时，能够显著降低热输入，减小应力与变形；

3、与锻造的原材料整体锻坯相比，本方法中采用同步连续补充的方式将金属材料输送至锻打区与工件进行连续锻打。

附图说明

图1为本发明提供的金属锻焊增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明提供的加工区域的侧视图；

以上各图中：

1、控制系统，2、工作舱，3、X向运动机构，4、工作台，5、Z向运动机构，6、Y向运动机构，7、红外测温仪，8、预热单元，9、锻打单元，10、储丝器，11、送丝机，12、热丝器，13、测温仪，14、送丝导管，15、锻锤，16、金属丝，17、工件，18、锻造基板，19、已加工路径，20、直接加热区，21、高温区，22、锻打区。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，本发明提供了一种金属锻焊增材制造装置，该装置包括工作舱2，以及与工作舱2相连的控制单元1，工作舱2内设置有可放置工件17的锻造基板18，加工单元，以及可带动加工单元的运动单元，运动单元设置于锻造基板18的侧部，加工单元位于运动单元的一侧，且加工单元在加工工件17时位于锻造基板18的上方，其中，加工单元包括自运动单元至锻造基板18的方向上顺次布设的用于为工件17表面提供预热温度的预热单元8、锻打单元9、送丝器10和储丝器10，其中，锻打单元9包括可上下往复运动的锻锤15，锻锤15下方与工件17表面之间形成有锻打区，送丝器10用于将储存在储丝器10中的金属丝输送至锻打区，锻锤15在锻打区内往复运动，以对工件17和金属丝进行连续锻打。

在上述装置中，控制单元1可根据人机交互指令或自动运行程序控制整个装置的运行。该装置中包括一运动单元，该运动单元是由X向运动机构3、Y向运动机构6和Z向运动机构5构成的三维运动单元。该三维运动单元上载有加工单元，通过控制单元1的控制，三维运动单元可带动加工单元进行空间运动，从而对工件17和金属加工原料进行操作。

在上述装置中，加工单元包括预热单元8、锻打单元9、送丝器10和储丝器10等若干部分，在加工时，加工单元位于工件17的上方，在非加工时，则对加工单元的位置没有固定要求。加工单元8包括的若干部分中，预热单元可对工件17表面的局部待加工区域进行预热，加热的方式可以是通过电磁感应，也可以通过电子束、激光、电弧、等离子弧等。锻打单元9可提供高频率的可控锻打力，通过锻锤作用工件17和金属加工原料，例如金属丝上。锻打单元9的驱动方式有很多种，例如电磁力、液压、压缩空气、机械式、超声冲击等，驱动方式可根据不同的材料和工艺进行选择，从而提供相应的锻压力和锻打频率。储丝器10是储存金属丝的装置，其结构形式可为轮盘式、储料筒等。送丝机11则由电极驱动，通过辊轮夹持金属丝，驱动金属丝往复运动，并经由送丝导管14实现精确定量进料；送丝方式为脉动式，需要与锻锤的击打运动相协调。

这里需说明的是，装置中使用的锻造基板是实施增材的支撑体，其承接堆积成形的金属，与金属丝为同种材质，同时锻造基板也可是工件17本体的一部分。

在上述装置中，为了能够更好地测量工件17表面接收的预热温度，在工作舱2内包括可测量工件17表面接收的预热温度的红外测温仪7。这里说明的是，在本装置中，预热单元、红外测温仪7与控制单元三者组合可以实现对工件17预热部位温度的闭环控制，例如可通过控制单元先设置需要保持的温度区间，然后红外测温仪7可实时检测预热区的温度，当检测到的温度低于设置的最低温度时，预热单元持续预热；当检测到的温度高于设置的最高温度时，预热单元停止预热。

为了能够使送丝器输送的金属丝的温度与预热后的工件17表面局部温度相适应，并处于合适的锻打温度范围内，在工作舱2内包括可加热送丝器10输出的金属丝的热丝器12。需要说明的是，在本装置中，热丝器的核心部件为电磁感应线圈，其可将线圈内部的金属丝加热，加热后的金属丝可经由耐高温的陶瓷或铜制送丝导管导出，以与工件17在锻锤下方与工件17表面之间形成的锻打区内进行连续锻打。

在上述装置中，为了能够更好地检测金属丝的温度，工作舱2内还包括可测量加热后的金属丝的温度的测温仪13。需要说明的是，热丝器、测温仪13与控制单元三者组合可以实现对金属丝温度的闭环控制，例如可通过控制单元先设置需要保持的温度区间，然后测温仪13可实时金属丝的温度，当检测到的温度低于设置的最低温度时，热丝器持续加热；当检测到的温度高于设置的最高温度时，热丝器停止加热。

在上述装置中，为了能够防止金属材料发生氧化、氮化等有害化学反应，工作舱2为内部充满有惰性气体的密闭舱室，这样可对高温态的金属起到良好的保护作用，从而为整个制造装置提供防护功能。

本发明还提供了一种利用如上述实施例所述的金属锻焊增材制造装置的锻造方法，包括以下步骤：

S1设计加工路径：生成工件的三维模型，将三维模型切片分层，并由起始单层至终止单层依次读取每一单层的二维轮廓信息，以将工件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，形成加工路径；

S2沉积制造过程：控制单元将起始单层的二维轮廓信息转化为移动指令，运动单元带动加工单元按加工路径运动，利用预热单元将工件表面局部加热至设定温度T₁，同时利用热丝器将金属丝加热至设定温度T₂，通过送丝器将加热后的金属丝送至锻锤下方与工件表面之间形成的锻打区，其中，锻打区的温度高于设定温度T₁，锻锤在锻打区内往复运动对工件和金属丝进行连续锻打，以使该单层的二维轮廓被逐渐填充，直至单层沉积完成；

S3移动至下一单层，然后控制单元将下一单层的二维轮廓信息转化为移动指令，重复步骤S2，直至完成终止单层的沉积。

在上述沉积制造过程中，参照图2，工件表面的局部，即直接加热区20在被预热单元加热至温度T₁，由于工件移动及热传导，在其后方形成高温区21，锻打区22处于高温区21内，并在工件的锻打区22与加热后的金属丝(初始预热温度T2)在铁锤的往复运动下被连续锻打。其中，直接加热区20的温度会高于高温区21的温度，这主要是由于直接加热区20和热丝器的位置与锻打区有一定距离，因此，需要将直接加热区20的温度设置为高于高温区21的温度，并与工件热物理特性及运动参数配合，从而保证锻打区内的金属丝和工件的温度处于合理的锻打温度区间T₀内。

在上述方法中，调节设计加工路径步骤中的送丝器的送丝速度和运动单元的运动速度，使锻打区内的金属丝和工件的温度处于设定的锻打温度区间T₀中。具体的，在对工件及金属丝进行连续锻打形成锻造组织的过程中，锻打温度区间T₀可以参考与工件或金属丝相同材料的高温锻造温度区间。

在上述方法中，本申请对锻打温度区间T₀的上限温度和下限温度进行了限定，在该锻打温度区间更有利于工件表面局部与金属丝的锻打操作，以形成原子间结合。以两相钛合金为例，对锻打温度区间T₀进行说明：为了得到细晶组织，避免高温下工件或金属丝内部合金组织晶粒急剧长大，锻打温度区间T₀的上限温度应不高于β相相变温度，即α+β相区上限温度；T₀的下限温度应不低于产生有害组织的相变温度，即高于α+β相区的下限温度。T₀通常应处于α+β相区温度的上部。进一步需要说明的是，工件的直接加热区20的温度T₁、以及金属丝的加热温度T₂不应超过β相相变温度。

在上述方法中，锻锤锻打金属丝时，将金属丝离断，送丝机带动金属丝反抽预设距离，以避开锻锤的上下往复运动。其中，预设距离并不是一固定距离，而是根据锻锤上下往复运动的频率以及锻锤下方距离工件表面的距离所设定的，目的是为了使金属丝在不与工件进行连续锻打的情况下，能够避开锻锤的上下往复运动。

此外，还应考虑的是金属丝的送丝时间以及送丝方法，通常情况下，锻锤的击打频率在1～1000Hz范围内，其中，送丝方式有两种，一是采用恒定周期，送丝机在工件与金属丝被1次或多次击打后锻锤上升的间隙进行送丝；二是采用在连续恒定周期多次击打后，根据送丝频率增设一个延迟时间的方式，以完成送丝动作。其中，所提到的延迟时间并非恒定周期，而是在多个恒定周期之间增设的一个时间段，该时间段可根据情况进行调节，只要能够完成送丝动作即可。