一种大型金属零件的增材制造方法及装置与流程

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种大型金属零件的增材制造方法及装置。

背景技术

目前，大型金属零部件的制造方法主要有锻造、铸造、机械加工等，或使用锻造、铸造工艺将零件分段成形，再辅以焊接工艺或者机械连接成整个零件。经过多年的发展，国内外铸造工艺和大型锻压设备取得长足的发展，所加工的金属零件无论从体积或质量均不断提高。但是，大形零件在铸造过程中易产生疏松、缩孔、夹杂等缺陷；锻造大型零件时存在锻压机吨位不足、模具加工费用过高等，再加上制造工序繁琐、加工周期过长等问题，长期困扰着相关装备的制造，已成为限制行业进一步发展的瓶颈。以核电主管道为例，使用自由锻造工艺加工时，首先采用实心毛坯进行锻造，然后再通过镗孔成形管道结构，主管道零件成品重量仅为9吨左右，而所采用的钢锭重量则达到70吨至100吨。超低的材料利用率以及超大的加工量导致成本高昂，且交货期往往长达一年，甚至更长。因此，如何快速、高质量、低成本的完成大型零部件的制造是本领域亟待解决的问题。

增材制造技术是随着计算机图形处理、数字化信息和控制、激光、机电、材料、焊接等技术的发展而出现的一种全新的制造技术。它是基于零件的三维模型分层切片数据，利用特殊的能量源将填充材料熔化，堆积成所希望形状零件的技术。与传统的加工方法相比，增材制造技术无需模具，成形后只需要少量机械加工甚至不需要加工就可以完成零件的制造，可制作传统工艺无法加工的复杂零件。因此，具有非常明显的技术优势。

当前，金属增材制造技术主要有激光选区熔化技术、激光熔化沉积技术、电弧熔丝增材制造技术、电子束增材制造技术等，均可快速获得高致密度、高性能的零件，显著缩短产品的研发周期。增材制造技术因其所展现的技术优势，已在航空、航天、机械、医疗等行业取得了实际应用，在制造业中拥有广阔的应用前景，给大型金属零件的制造带来了无限的想象空间。但是，上述技术在面对数百公斤乃至数吨重的大型零件时，其加工周期动辄一个月，甚至耗时一个季度，显然无法满足当前的行业需求。因此，如何显著提高大型构件以及超大型构件的增材制造效率，成为决定该技术生命力的关键所在。

目前主要有以下技术方案：例如，cn103212695a公开的一种基于金属3d打印的新型异种材料复合铸造方法，该方法使用3d打印技术制作复杂形状的且具有空腔的薄壁零件，然后往空腔内注入熔炼好的金属，待填充金属冷却后形成整个零件。该方法在一定程度上提高了零件的加工效率，然而该方法采用的是一次铸造成形，在制作大型复杂零件时，容易产生缩松、缩孔、偏析等缺陷，同时3d打印薄壁零件金属壁的激冷作用也增加了冷隔缺陷产生的机率。此外，该方法加工的零件为铸造组织，零件的综合性能不高，无法加工对使用性能有较高要求的零件(如核电管道等)。再如，cn101817121a公开的零件与模具的熔积成形复合制造方法及其辅助装置，其使用3d打印技术逐层沉积填充材料，同时在熔融软化的区域使用微型轧辊对熔积区进行挤压，最终获得高性能的零件。然而该方法中零件采用整体熔积成形，大面积的熔积填充材料，导致熔积成形周期过长，在加工大型零件时，其效率仍然无法满足加工要求。

综上所述，现有的增材制造技术以及增材制造技术结合铸造或锻造技术的复合制造方法在加工大型金属零件时，无法真正意义上的同时实现高性能、高效率的制造。因此，研究发明一种大型金属零件的高效、高性能、低成本的制造方法具有重要意义。

技术实现要素：

针对大形金属零件采用传统铸造工艺制作时，存在工序繁琐、加工周期过长、冶金缺陷控制困难，采用锻造成形时，存在对锻压机吨位要求高，模具制造费用高，加工周期长和无法制造复杂金属构件的困难，以及现有增材制造技术存在的成形效率不足等难题，本发明提出了一种结合增材制造技术、铸造技术和锻压技术的大型金属零件高性能、高效率的复合增材制造方法和装置，可实现大型金属零件的高性能、高效、低成本制造，具有成形效率高，成形质量好等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大型金属零件的增材制造方法，其包括如下步骤：

s1获取待成形零件的三维cad模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；

s2采用增材制造方法按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；

s3将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；

s4当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，使用轧辊或挤压装置沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理；

s5轧制完成后，重复步骤s2～s4以完成整个零件的制造。

作为进一步优选的，所述金属腔体成形的增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光送粉增材制造或激光送丝增材制造。

作为进一步优选的，电弧熔丝增材制造的工艺优选为：焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200a、电压为20v，焊接速度为4.5mm/s。

作为进一步优选的，沉积金属腔体的材料和浇铸的填充材料为同种或异种材料。

作为进一步优选的，当填充材料和金属腔体材料为同种材料时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点50～150℃；当填充材料和金属腔体材料为异种材料时，填充材料的熔点高于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点20～60℃，填充材料的熔点低于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于金属腔体材料熔点70～200℃。

作为进一步优选的，金属腔体的材料为不锈钢焊丝，浇铸的填充材料为碳钢材料，以制备获得芯部强度高且表面具有耐腐蚀性能的零件。

作为进一步优选的，所述金属腔体的厚度优选为5-20mm，进一步优选为10mm，高度优选为10-70mm，进一步优选为50mm。

作为进一步优选的，步骤s2中，增材制造方法还用于在金属腔体内部制造加强型结构，以提高零件整体强度；所述加强型结构的材料与浇注的材料不同，形成异种金属结构。

作为进一步优选的，在注入液态金属前使用机械加工对所沉积的金属腔体进行修整；在使用轧辊或挤压装置对填充金属进行多次碾压时，金属的表面温度不低于材料回复再结晶温度，以避免因碾压而出现裂纹。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现所述方法的装置，其包括：

数据获取模块，用于获取待成形零件的三维cad模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；

增材制造模块，用于按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，以形成具有所需厚度和高度的金属腔体；

浇铸模块，用于将已经熔炼好的液态金属注入金属腔体内，直至充满整个金属腔体；

轧制模块，用于当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提出的增材制造方法，具有高性能、高效、低成本的特点，可快速制备大型金属零件，与当前的增材制造工艺普遍采用整体增材成形相比，本发明仅需采用增材制造工艺沉积零件的壳体，其余的部分采用铸造工艺完成，通过轧制或挤压等工艺对零件进行碾压处理，减小成形件的晶粒尺寸和残余应力状态，提升零件的性能。

2.本发明整个工艺不仅可以显著提高零件的沉积效率，同时保证了零件具有优异的力学性能以及成形精度。与传统铸造工艺相比，无需模具，简化了铸造工艺，缩短了加工周期，同时由于零件分为多层铸造完成，以及经过碾压处理，可以显著减少因整体铸造而造成缩松、缩孔、偏析、冷隔等缺陷，通过轧制或挤压产生塑性变形，减小大型零件内的残余应力和变形开裂倾向，同时细化晶粒，改善零件的组织性能。

3.本发明中沉积金属腔体的材料和铸入的金属为异种材料时，可获得表面和芯部不同性能的零件，例如采用不锈钢焊丝沉积金属腔体，然后往腔体内注入高强钢材料，可获得芯部具有一定强度且表面具有耐腐蚀性能的零件。

4.本发明中金属腔内通过注入熔融金属，可以制作整体增材制造工艺难以加工的材料(如焊接性不好的材料)，本发明还可在铸造或锻造制作的零件基体上进行二次制造，可降低对铸造工艺以及锻压设备的技术要求，以成形更大、更为复杂的金属零件。

5.本发明对金属腔体的厚度及高度参数进行了研究与设计，金属腔体的厚度优选为5-20mm，进一步优选为10mm，高度优选为10-70mm，进一步优选为50mm，使得制备的金属腔体的整体结构性能最优，一方面可以保证在浇铸过程中金属腔体不被注入的液态金属熔化穿透，另一方面在浇铸液态金属后腔体仍具有足够厚度，保证腔体仍具有足够的性能。

6.本发明通过分层沉积结合分层铸造的方式逐层制备获得金属零件，在各层铸造后还进行轧制(碾压)处理，使得制备出的零件具有良好的表面质量，可减少内部缩松、缩孔、偏析、冷隔等缺陷，残余应力小，晶粒细小。

7.本发明还对铸造工艺进行了研究与设计，当填充材料和金属腔体材料为同种材料时，使液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点50～150℃；当填充材料和金属腔体材料为异种材料时，填充材料的熔点高于金属腔体材料熔点时，使液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点20～60℃，填充材料的熔点低于金属腔体材料熔点时，使液态金属的浇铸温度高于金属腔体材料熔点70～200℃，通过上述铸造工艺搭配金属腔体的厚度及高度参数，一方面使得注入金属腔体的液态金属熔化部分金属腔体，以实现铸造材料与金属腔体的可靠冶金结合，另一方面保证在浇铸过程中金属腔体不被注入的液态金属熔化穿透。

附图说明

图1为大型不锈钢管形零件第一层增材制造过程示意图；

图2为大型不锈钢管形零件第一层浇铸过程示意图；

图3为大型不锈钢管形零件第一层轧制过程示意图；

图4为大型不锈钢管形零件第五层浇铸过程示意图；

图5为大型不锈钢管形零件第五层轧制过程示意图；

图6为大型球形零件第五层浇铸过程示意图；

图7为大型带轴齿轮件结构示意图；

图8为齿轮浇铸过程示意图；

图9为齿轮轧制过程示意图；

图10为齿轮轴轧制过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种大型金属零件的增材制造方法，其包括如下步骤：

s1获取待成形零件的三维cad模型，对所述模型进行切片处理，然后提取各层的内外轮廓数据，并根据各层的内外轮廓数据生成各层对应的轮廓沉积路径；

s2采用增材制造方法按照轮廓沉积路径进行一层或多层沉积，制备获得所需厚度和高度的金属腔体，即金属腔体可通过沉积一层获得，也可通过沉积多层获得，只沉积一层时，金属腔体的高度即为该层的高度，沉积多层时，金属腔体的高度为多层叠加后的总高度，各层按照各自对应的轮廓沉积路径进行沉积，例如金属腔体由沉积三层获得，那么沉积第一层金属腔体时，首先根据第一层轮廓沉积路径沉积获得第一层零件轮廓(第一层零件轮廓沉积在基板上)，然后根据第二层轮廓沉积路径在第一层零件轮廓上沉积获得第二层零件轮廓，再根据第三层轮廓沉积路径在第二层零件轮廓上沉积获得第三层零件轮廓，该三层零件轮廓叠加获得的整体即为第一层金属腔体。沉积第二层金属腔体时，同理，依次沉积第四层零件轮廓、第五层零件轮廓和第六层零件轮廓，另外，每一层零件轮廓可通过沉积单道或多道获得，如图1所示，沉积设备3中的增材制造运动机构4按照生成的沉积路径在基板2上进行沉积，形成具有一定厚度和深度的金属腔体1；

s3将已经熔炼好的液态金属注入(即浇铸)金属腔体内，直至充满整个金属腔体，如图2所示，浇铸运动机构7将浇铸设备6移动至金属腔体上方，将熔炼好的液态金属5注入金属腔体1内，填满整个金属腔体1，然后待其冷却；

s4当注入的金属处于凝固或者半凝固状态时，使用轧辊或挤压装置沿已经凝固或半凝固的零件表面进行轧制或碾压、挤压、锤击，如图3所示，待金属腔体内浇铸的金属凝固或为半凝固状态时，轧辊运动机构9将轧辊8移动至铸造金属上，沿着零件上表面进行若干次碾压处理；

s5轧制完成后，重复步骤s2～s4以完成整个零件的制造，即在步骤s4制备的零件上按照轮廓沉积路径继续沉积一层或多层，形成新的具有一定厚度和深度的金属腔体，然后注入液态金属并进行轧制处理，以此完成整个零件的增材制造，如图4-5所示。

具体的，金属腔体成形的增材制造方法为电弧熔丝增材制造、激光送粉增材制造或激光送丝增材制造。增材制造方法除了用于金属腔体结构的成形，还可在腔体内部制造加强型结构，包括拓扑结构，再进行后续的液态金属浇注过程，以进一步提高零件整体强度，所制造的加强型结构的材料可以与浇注的材料不同，以形成异种金属结构。当为电弧熔丝增材制造时，其焊接工艺优选为：焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200a、电压为20v，焊接速度为4.5mm/s，可获得效率和表面质量俱佳的金属腔体。

进一步的，沉积金属腔体的材料和浇铸的填充材料为同种或异种材料，当填充材料和金属腔体材料为同种材料时，液态金属的浇铸温度(即注入金属腔体时的温度)高于填充材料熔点50～150℃；当填充材料和金属腔体材料为异种材料时，填充材料的熔点高于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于填充材料熔点20～60℃，填充材料的熔点低于金属腔体材料熔点时，液态金属的浇铸温度高于金属腔体材料熔点70～200℃。在注入液态金属前可使用机械加工对所沉积的金属腔体进行修整，以提高零件的精度。在使用轧辊或挤压装置对填充金属进行多次碾压时，注入金属表面温度不低于材料回复再结晶温度，以避免因碾压而出现裂纹。

具体的，金属腔体的厚度及高度参数直接决定了零件的成形效率和成形性能，因此其至关重要，经过不断的研究与探索发现，金属腔体的厚度优选为5-20mm，进一步优选为10mm，高度优选为10-70mm，进一步优选为50mm，使得制备的金属腔体的整体结构性能最优，一方面可以保证在浇铸过程中金属腔体不被注入的液态金属熔化穿透，另一方面在浇铸液态金属后腔体仍具有足够厚度，保证腔体仍具有足够的性能。

以下为具体实施例：

实施例1

超大型304不锈钢管形零件的制作，零件外径1500mm、内径1200mm，长为3000mm，具体步骤为：

(1)获取零件的三维cad模型，对该模型进行切片处理，然后提取各层内外轮廓的数据，据此生成沉积路径；

(2)采用电弧增材制造技术，按照生成的沉积路径在基板上沉积若干层，形成壁厚10mm、高50mm的金属腔体，其中电弧增材制造所使用的焊丝为直径1.2mm的304不锈钢焊丝，焊接电流为200a、电压为20v，焊接速度为4.5mm/s；

(3)浇铸运动机构将浇铸设备移动至金属腔体上方，将熔炼好的304不锈钢注入金属腔体内，直至充满整个腔体，其中液态金属浇铸温度高于304不锈钢熔点90℃；

(4)待腔体内的填充金属凝固后，轧辊运动机构将轧辊移动至填充金属上，沿着零件的表面连续碾压三道，最后一次碾压使零件表面温度不低于900℃，即轧制的温度最低为900℃，轧制完成后，清除表面的氧化渣皮；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，在零件上方按照生成的沉积路径继续沉积，形成新的金属腔体，注入金属，再进行轧制，直至完成整个零件。

实施例2

超大型管形零件的制作，零件外径1500mm、内径1200mm，长为3000mm，零件表层为304不锈钢，芯部为q235，具体步骤为：

(1)获取零件的三维cad数据模型，对该模型进行切片处理，然后提取各层内外轮廓的数据，并生成沉积路径；

(2)采用电弧增材制造技术，按照生成的沉积路径在基板上沉积若干层，形成壁厚5mm、高10mm的金属腔体，其中电弧增材制造所使用直径1.2mm的304不锈钢焊丝，焊接电流为200a、电压为20v，焊接速度为4.5mm/s；

(3)浇铸运动机构将浇铸设备移动至金属腔体上方，将熔炼好的q235钢液注入金属腔体内，直至充满整个腔体，其中液态金属浇铸温度高于q235熔点50℃；

(4)待腔体内的填充金属凝固后，轧辊运动机构将轧辊移动至填充金属上，沿着零件的上表面连续碾压三道，最后一次碾压时零件表面的温度不低于900℃，即轧制的温度最低为900℃，轧制完成后，清除表面的氧化渣皮；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，以在零件上方按照生成的沉积路径继续沉积，形成新的金属腔体，注入金属，再进行轧制，直至完成整个零件。

实施例3

如图6所示，大型球形零件的制作，零件外球径为1400mm、内球径1000mm，零件材料为316不锈钢，具体步骤为：

(1)获取零件的三维cad数据模型，对该模型进行切片处理，然后提取各层内外轮廓的数据，并生成沉积路径；

(2)采用电弧增材制造技术，按照生成的沉积路径在基板上沉积若干层，形成壁厚20mm、高70mm的金属腔体，其中电弧增材制造所使用的焊丝为直径1.2mm的316不锈钢焊丝，焊接电流为185a、电压为20v，焊接速度为5.4mm/s；

(3)浇铸运动机构将浇铸设备移动至金属腔体上方，将熔炼好的316不锈钢液注入金属腔体内，直至充满整个腔体，其中液态金属浇铸温度高于316不锈钢熔点120℃；

(4)待腔体内的填充金属冷却至半固态时，轧辊运动机构将轧辊移动至填充金属上，沿着零件的上表面连续碾压多次道，直至表面温度降至920℃，即轧制的温度最低为920℃，轧制完成后，清除表面的氧化渣皮；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，在零件上方按照生成的沉积路径继续沉积，形成新的金属腔体，注入金属，再进行轧制，直至完成整个零件。

实施例4

大型管形零件的制作，零件外径1000mm、内径700mm，长3000mm，零件的表面为316不锈钢材料，芯部为q690钢材料，具体步骤为：

(1)根据零件的三维cad模型提取零件的外部表面，并对外部表面进行切片处理，生成外部表面的沉积路径；

(2)采用激光送粉增材制造技术，按照生成的沉积路径在基板上沉积若干层，形成壁厚10mm、高20mm的金属腔体，激光功率为3600w；

(3)浇铸运动机构将浇铸设备移动至金属腔体上方，将熔炼好的q690钢液注入金属腔体内，直至充满整个腔体，其中液态金属浇铸温度高于q690熔点50℃；

(4)待腔体内的填充金属凝固后，轧辊运动机构将轧辊移动至填充金属上，沿着零件的表面进行轧制，最低轧制温度为950℃，即轧制的温度最低为950℃，轧制完成后，清除表面的氧化渣皮；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，在零件上方按照生成的沉积路径继续沉积，形成新的金属腔体，注入金属，再进行轧制，直至完成整个零件。

实施例5

大型带轴齿轮零件的制作，齿跟圆直径为2000mm、厚150mm、齿数为16，轴内径为820mm、外径为1000mm，高为300mm，齿轮内部分布着四个扇形孔，如图7所示，零件材料为304不锈钢，具体步骤为：

(1)获取零件的三维cad数据模型，对该模型进行切片处理，然后提取各层内外轮廓的数据，并生成沉积路径；

(2)采用电弧增材制造技术，按照生成的沉积路径在基板上沉积若干层，形成壁厚15mm、高30mm的金属腔体，其中电弧增材制造所使用直径1.2mm的304不锈钢焊丝，焊接电流为200a、电压为20v，焊接速度为4.5mm/s；

(3)浇铸运动机构将浇铸设备移动至金属腔体上方，如图8所示，将熔炼好的304不锈钢液注入金属腔体内，直至充满整个腔体，其中液态金属浇铸温度高于304不锈钢熔点80℃；

(4)待腔体内的填充金属凝固后，轧辊运动机构将轧辊移动至填充金属上，如图9所示，沿着零件的上表面连续碾压三道，最后一次碾压时表面的温度不低于900℃，即轧制的温度最低为900℃，轧制完成后，清除表面的氧化渣皮；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，在零件上方按照生成的沉积路径继续沉积，形成新的金属腔体，注入金属，再进行轧制，直至完成整个零件。

总之，本发明首先使用增材制造技术，按照零件的数据模型的切片数据生成沉积路径，在基板上制作所需厚度和深度的金属腔体，然后再将熔炼好的金属注入金属腔体内，待其凝固或为半凝固状态时，对零件进行轧制处理，完毕后继续在零件上沉积新的金属腔体，不断重复上述步骤直至完成整个零件。本发明解决了当前大型金属零件整体采用增材制造工艺效率不足、容易开裂，采用铸造工艺存在缩松缩孔加工、周期过长，采用锻造工艺存在锻压机吨位限制、周期过长等问题，可以快速、低成本制造高性能的零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。