一种大功率激光选区熔化3D打印高铁制动盘的方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种大功率激光选区熔化3d打印高铁制动盘的方法。

背景技术：

高铁制动盘是保障高速列车可靠运行的关键零部件，其内部存在复杂加强筋和散热筋结构；传统制造方法包括铸造、热处理、精密机械加工等，存在着生产周期长、工序复杂等问题，同时核心技术被国外垄断并形成了相关技术保护；激光选区熔化3d打印作为激光增材制造技术之一，由于采用铺粉方式，在制造具有复杂孔腔结构的零件方面具有独特优势，目前已经成为国内外重点发展的新型产业化技术；因此，如何利用激光选区熔化技术制造具有自主知识产权的高铁制动盘具有重大的科学研究与实际的应用价值。

在激光选区熔化3d打印制造高铁制动盘时，要解决的两个关键技术问题是制造过程的“控性”和“控形”问题；针对“控性”问题，在前期研究中，采用viga技术自主制备了球形度高，卫星球颗粒少，粒径分布均匀的24crnimore合金钢粉末；并以该粉末为原料，基于激光选区熔化技术批量制备了块状试样，系统的表征了试样的微观组织和拉伸力学性能，发现合金钢微观组织主要以贝氏体为主，抗拉强度达到1000mpa级别，断后延伸率接近17％，验证了制备的合金钢粉末具有良好的可打印性，并且力学性能基本满足了高铁制动盘零件的指标要求，有潜力应用到激光选区熔化制造高铁制动盘上来。

然而针对“控形”问题，激光选区熔化成形小尺寸块状样品和制造大尺寸制动盘零件则存在较大差异；这主要是因为高铁制动盘属于异形结构零件，零件中存在较多复杂散热筋和悬空结构，为了防止成形过程中出现的粉末塌陷和零件变形开裂问题，有必要在模型处理时对制动盘模型放置角度和附加支撑结构进行创新设计；另外，基于大功率激光器，为了实现在高的制造效率下同时具有良好的成形质量，有必要进一步研究大功率激光选区熔化的工艺参数；同时，由于激光快热快冷的特性，制造过程必然伴随着巨大的热应力和组织应力存在。在激光3d打印结束之后，有必要提出一种后处理方法来减小零件的残余应力，解决高铁制动盘零件在后续加工处理过程中出现的变形开裂问题，使最终制造的高铁制动盘零件形状尺寸等符合技术要求。

技术实现要素：

针对激光选区熔化3d打印技术制造大尺寸高铁制动盘复杂构件的“控形”问题，本发明提供一种大功率激光选区熔化3d打印高铁制动盘的方法，具体包括对制动盘模型创新设计，以及激光选区熔化3d打印24crnimore合金钢工艺和后处理；通过将制动盘模型旋转倾斜一定角度，解决添加支撑的问题；通过对添加支撑类型和结构的设计优化，解决制动盘悬空结构的成形以及控制整个零件变形开裂的问题；通过大功率激光选区熔化工艺参数的研究，在保证良好成形质量的前提下大幅度提高制造效率；通过后处理工艺，消除成形后制动盘零件的残余应力，解决高铁制动盘零件在后续加工过程中出现的变形开裂问题。

本发明的方法包括以下步骤：

1、将设计完成的制动盘模型导入3d打印软件中，设置制动盘模型的直径d为210mm，再设置制动盘模型倾斜，使制动盘模型的上下工作面与基板的夹角θ＝45°～55°；制动盘模型投影区域设置水平放置的基板模型；所述的制动盘模型是由环形上部、环形下部、加强筋以及连接在加强筋上的多个装配螺帽部分组成的一体结构；环形上部由上工作面板及其下部的上连接板组成；上工作面板的顶面称为上工作面，侧面称为上工作面侧边；上连接板的侧边称为上部外侧边；环形上部的内侧面称为上部内侧边；环形下部由下连接板及其下部的下工作面板组成；下工作面板的底面称为下工作面，侧面称为下工作面侧边；下连接板的侧边称为下部外侧边；环形下部的内侧面称为下部内侧面；

2、通过软件在制动盘模型和基板模型之间添加支撑模型，支撑模型分为圆柱形支撑模型、方块形支撑模型和薄壁形支撑模型；其中，多个圆柱形支撑模型的顶面与制动盘模型的装配螺帽部分的底面连接，每个装配螺帽部分的底面连接若干圆柱形支撑模型；全部圆柱形支撑模型的底面共同与一个方块形支撑模型的顶面连接，方块形支撑模型的底面与基板连接；薄壁形支撑模型分为上薄壁、下薄壁、内薄壁、外薄壁、第一中薄壁和第二中薄壁，上薄壁、下薄壁、外薄壁、第一中薄壁和第二中薄壁的底边与基板模型连接，内薄壁的底边与方块形支撑的顶面连接；其中上薄壁的顶边与上工作面侧边连接，下薄壁的顶边与下工作面侧边连接，内薄壁的顶边与下部内侧边连接，外薄壁的顶边与下部外侧边连接；第一中薄壁和第二中薄壁的顶边均与下工作面连接，并且第一中薄壁相对于第二中薄壁靠近外薄壁；

3、设定圆柱形支撑的直径为0.4～0.8mm；设定上薄壁和下薄壁的厚度为0.5～0.8mm，外薄壁和内薄壁的厚度为0.6～0.9mm，第一中薄壁的厚度为5～7mm，第二中薄壁的厚度为6～9mm，第一中薄壁和第二中薄壁之间的水平间隙为6～7mm，第一中薄壁与外薄壁的水平间隙为5～7mm；

4、采用3d打印软件对制动盘模型和全部支撑模型进行切片，切片厚度为0.05～0.07mm；

5、将切片完成之后的制动盘模型和全部支撑模型导入到快速成型制造系统中，开始进行激光选区熔化24crnimore合金钢成形，设定操作参数为：扫描制动盘模型的激光功率500～800w，扫描支撑模型的激光功率450～750w，扫描制动盘模型速度0.4～1.0m/s，扫描支撑模型的速度1.0～2.0m/s，搭接宽度0.025～0.045mm，粉末铺粉厚度0.05～0.07mm；进行3d打印；

6、将3d打印完成的制动盘和支撑的实体取出后，进行退火处理，再切割去除支撑部分并打磨，获得高铁制动盘。

上述的3d打印软件选用magics22.0。

上述的快速成型制造系统选用afs-m260。

上述方法中，上薄壁、下薄壁、内薄壁和外薄壁为弧板形；上薄壁的顶边与上工作面侧边连接时，上薄壁的顶边外沿与上工作面侧边的上沿连接，上薄壁与上工作面侧边连接的部分，占上工作面侧边周长的2/5～1/2；下薄壁的顶边与下工作面侧边连接时，下薄壁的顶边外沿与下工作面侧边的下沿连接，下薄壁与下工作面侧边连接的部分，占全部下工作面侧边周长的2/5～1/2；内薄壁的顶边与下部内侧边连接时，内薄壁的顶边与下部内侧边的下沿连接，内薄壁与下部内侧边连接的部分，占下部内侧边周长的2/5～1/2；外薄壁的顶边与下部外侧边连接时，外薄壁的顶边的外沿与下部内侧边的上沿连接，外薄壁与下部外侧边连接的部分，占下部外侧边周长的2/5～1/2；第一中薄壁和第二中薄壁为圆筒状。

上述的退火处理的步骤为：在保护气氛条件下，将制动盘和支撑的实体加热至550～650℃，保温4～6h，随炉冷却至常温；其中保护气氛为纯度99.9％的氩气气氛，加热时的升温速度为1～2℃/min。

上述的制动盘模型中，上连接板的直径与上工作面板的直径差为1mm。

上述方法中，切割去除支撑部分是采用线切割方式，先沿平行于基板的方向将制动盘和部分支撑分离，然后沿平行于制动盘的方向，将剩余支撑分离。

上述的打磨是指用磨床将制动盘的两个工作面磨削，至表面粗糙度ra≤2.0。

上述的制动盘无变形开裂，制动盘上下工作面表面平行度误差≤0.5mm，连接面的直径误差≤1.0mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、通过将制动盘模型旋转倾斜一定角度，解决制动盘上下工作环面和内部散热筋结构由于角度互相呈垂直关系，而使制动盘内部悬空结构过多无法添加支撑的问题；通过对添加支撑类型和结构的设计优化，解决制动盘悬空结构的成形以及成形过程中零件变形开裂的问题；

2、激光选区熔化工艺基于大功率，较大铺粉厚度的思想，在保证良好成形质量的前提下，显著提高了零件成形效率，具有快速制造的特点；

3、后处理方法消除了成形后制动盘零件的残余应力，解决高铁制动盘零件在后续加工过程中易出现的变形开裂问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的制动盘模型结构示意图；其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)轴向图；

图2为本发明实施例1的制动盘模型旋转倾斜45°之后的结构示意图；其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)轴向图；

图3为本发明实施例1的制动盘模型及圆柱形支撑模型结构示意图；其中，(a)主视图，(b)局部放大图；

图4为本发明实施例1的制动盘模型及部分薄壁形支撑模型结构示意图；其中，(a)侧视图，(b)仰视图；

图5为本发明实施例1的薄壁型支撑模型及方块形支撑模型结构示意图；其中，(a)俯视图，(b)侧视图；

图6是本发明实施例1的制动盘支撑模型结构示意图；其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)轴向图；

图7是本发明实施例1的高铁制动盘外观照片图；

图8是本发明实施例2的制动盘模型结构示意图；其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)轴向图；

图9是本发明实施例2的高铁制动盘外观照片图；

图10是本发明实施例3的制动盘模型结构示意图；其中，(a)主视图，(b)左视图，(c)俯视图，(d)轴向图；

图11是本发明实施例3的高铁制动盘外观照片图；

图中，1、上工作面板，2、上连接板，3、下连接板，4、下工作面板，5、加强筋，6、装配螺帽部分，7、圆柱形支撑模型，8、上薄壁，9、下薄壁，10、外薄壁，11、内薄壁，12、第一中薄壁，13、第二中薄壁，14、方块形支撑模型。

具体实施方式

本发明实施例中采用的3d打印软件为magics22.0。

本发明实施例中采用的快速成型制造系统选用afs-m260。

本发明实施例中退火处理采用ksxl-4-12型真空箱式气氛保护炉。

本发明实施例中装配螺帽部分共为9个，每个装配螺帽部分与8～15个圆柱形支撑模型连接。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于这些实施方式。

实施例1

将设计完成的制动盘模型导入3d打印软件中，制动盘模型结构如图1所示；设置制动盘模型的直径d为210mm，再设置制动盘模型倾斜，使制动盘模型的上下工作面与基板的夹角θ＝45°，结构如图2所示；制动盘模型投影区域设置水平放置的基板模型；所述的制动盘模型是轴对称结构，由环形上部、环形下部、加强筋5以及连接在加强筋上的多个装配螺帽部分6组成的一体结构；环形上部由上工作面板1及其下部的上连接板2组成；上工作面板1的顶面称为上工作面，侧面称为上工作面侧边；上连接板2的侧边称为上部外侧边；环形上部的内侧面称为上部内侧边；环形下部由下连接板3及其下部的下工作面板4组成；下工作面板3的底面称为下工作面，侧面称为下工作面侧边；下连接板4的侧边称为下部外侧边；环形下部的内侧面称为下部内侧面；上连接板的直径与上工作面板的直径差为1mm；

通过软件在制动盘模型和基板模型之间添加支撑模型，分别如图3、图4、图5和图6所示，支撑模型分为圆柱形支撑模型7、方块形支撑模型14和薄壁形支撑模型；其中，多个圆柱形支撑模型7的顶面与制动盘模型的装配螺帽部分6的底面连接，每个装配螺帽部分6的底面连接若干圆柱形支撑模型7；全部圆柱形支撑模型7的底面共同与一个方块形支撑模型14的顶面连接，方块形支撑模型14的底面与基板连接；薄壁形支撑模型分为上薄壁8、下薄壁9、内薄壁11、外薄壁10、第一中薄壁12和第二中薄壁13，上薄壁8、下薄壁9、外薄壁10、第一中薄壁12和第二中薄壁13的底边与基板模型连接，内薄壁11的底边与方块形支撑14的顶面连接；

上薄壁8的顶边与上工作面侧边连接，下薄壁9的顶边与下工作面侧边连接，内薄壁11的顶边与下部内侧边连接，外薄壁10的顶边与下部外侧边连接；第一中薄壁12和第二中薄壁13的顶边均与下工作面连接，并且第一中薄壁12相对于第二中薄壁13靠近外薄壁10；

上薄壁8、下薄壁9、内薄壁11和外薄壁10为弧板形；

上薄壁8的顶边与上工作面侧边连接时，上薄壁8的顶边外沿与上工作面侧边的上沿连接，上薄壁8与上工作面侧边连接的部分，占上工作面侧边周长的2/5；

下薄壁9的顶边与下工作面侧边连接时，下薄壁9的顶边外沿与下工作面侧边的下沿连接，下薄壁9与下工作面侧边连接的部分，占全部下工作面侧边周长的2/5；

内薄壁11的顶边与下部内侧边连接时，内薄壁11的顶边与下部内侧边的下沿连接，内薄壁11与下部内侧边连接的部分，占下部内侧边周长的2/5；

外薄壁10的顶边与下部外侧边连接时，外薄壁10的顶边的外沿与下部内侧边的上沿连接，外薄壁10与下部外侧边连接的部分，占下部外侧边周长的2/5；

第一中薄壁12和第二中薄壁13为圆筒状；

设定圆柱形支撑的直径为0.48mm；设定上薄壁和下薄壁的厚度为0.5mm，外薄壁和内薄壁的厚度为0.6mm，第一中薄壁的厚度为5mm，第二中薄壁的厚度为6mm，第一中薄壁和第二中薄壁之间的水平间隙为6mm，第一中薄壁与外薄壁的水平间隙为5mm；

采用3d打印软件对制动盘模型和全部支撑模型进行切片，切片厚度为0.05mm；

将切片完成之后的制动盘模型和全部支撑模型导入到快速成型制造系统中，开始进行激光选区熔化24crnimore合金钢成形，设定操作参数为：扫描制动盘模型的激光功率500w，扫描支撑模型的激光功率45w，扫描制动盘模型速度0.4m/s，扫描支撑模型的速度1.0m/s，搭接宽度0.025mm，粉末铺粉厚度0.05mm；进行3d打印；

将3d打印完成的制动盘和支撑的实体取出后，进行退火处理，退火处理的步骤为：在保护气氛条件下，将制动盘和支撑的实体加热至550℃，保温6h，随炉冷却至常温；其中保护气氛为纯度99.9％的氩气气氛，加热时的升温速度为1℃/min；切割去除支撑部分并打磨，切割去除支撑部分是采用线切割方式，先沿平行于基板的方向将制动盘和部分支撑分离，然后沿平行于制动盘的方向，将剩余支撑分离；打磨是指用磨床将制动盘的两个工作面磨削，至表面粗糙度ra≤2.0；获得的高铁制动盘的上下工作面表面平行度误差≤0.5mm，连接面的直径误差≤1.0mm，外观照片如图7所示。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)制动盘模型结构如图8所示；制动盘模型倾斜时上下工作面与基板的夹角θ＝55°；

(2)上薄壁的顶边与上工作面侧边连接时，上薄壁的顶边外沿与上工作面侧边的上沿连接，上薄壁与上工作面侧边连接的部分，占上工作面侧边周长的1/2；下薄壁的顶边与下工作面侧边连接时，下薄壁的顶边外沿与下工作面侧边的下沿连接，下薄壁与下工作面侧边连接的部分，占全部下工作面侧边周长的1/2；内薄壁的顶边与下部内侧边连接时，内薄壁的顶边与下部内侧边的下沿连接，内薄壁与下部内侧边连接的部分，占下部内侧边周长的1/2；外薄壁的顶边与下部外侧边连接时，外薄壁的顶边的外沿与下部内侧边的上沿接，外薄壁与下部外侧边连接的部分，占下部外侧边周长的1/2；

(3)圆柱形支撑的直径为0.8mm；设定上薄壁和下薄壁的厚度为0.8mm，外薄壁和内薄壁的厚度为0.9mm，第一中薄壁的厚度为7mm，第二中薄壁的厚度为9mm，第一中薄壁和第二中薄壁之间的水平间隙为7mm，第一中薄壁与外薄壁的水平间隙为7mm；

(4)切片厚度为0.06mm；

(5)设定操作参数为：扫描制动盘模型的激光功率800w，扫描支撑模型的激光功率750w，扫描制动盘模型速度1.0m/s，扫描支撑模型的速度2.0m/s，搭接宽度0.045mm，粉末铺粉厚度0.07mm；

(6)退火处理时实体加热至650℃，保温6h，加热时的升温速度为2℃/min；高铁制动盘的外观照片如图9所示。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)制动盘模型结构如图10所示；制动盘模型倾斜时上下工作面与基板的夹角θ＝50°；

(2)上薄壁的顶边与上工作面侧边连接时，上薄壁的顶边外沿与上工作面侧边的上沿连接，上薄壁与上工作面侧边连接的部分，占上工作面侧边周长的1/2；下薄壁的顶边与下工作面侧边连接时，下薄壁的顶边外沿与下工作面侧边的下沿连接，下薄壁与下工作面侧边连接的部分，占全部下工作面侧边周长的1/2；内薄壁的顶边与下部内侧边连接时，内薄壁的顶边与下部内侧边的下沿连接，内薄壁与下部内侧边连接的部分，占下部内侧边周长的1/2；外薄壁的顶边与下部外侧边连接时，外薄壁的顶边的外沿与下部内侧边的上沿连接，外薄壁与下部外侧边连接的部分，占下部外侧边周长的1/2；

(3)圆柱形支撑的直径为0.6mm；设定上薄壁和下薄壁的厚度为0.6mm，外薄壁和内薄壁的厚度为0.8mm，第一中薄壁的厚度为6mm，第二中薄壁的厚度为8mm，第一中薄壁和第二中薄壁之间的水平间隙为6.5mm，第一中薄壁与外薄壁的水平间隙为6mm；

(4)切片厚度为0.07mm；

(5)设定操作参数为：扫描制动盘模型的激光功率650w，扫描支撑模型的激光功率600w，扫描制动盘模型速度0.8m/s，扫描支撑模型的速度1.5m/s，搭接宽度0.035mm，粉末铺粉厚度0.06mm；

(6)退火处理时实体加热至600℃，保温5h，加热时的升温速度为1.5℃/min；高铁制动盘的外观照片如图11所示。