一种用于零件或模具的增量制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于零件或模具的无模增量制造方法，特别涉及一种用于零件或模具的增量制造方法。
【背景技术】
[0002]业已提出的金属零件的直接增量制造方法(亦称3D打印、增量制造、快速成形)主要有基于激光束、电子束、等离子束的成形方法。
[0003]选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)方法适于成形多孔质小型复杂原型，但要使其致密还需后续浸渗低熔点金属及热等静压。改良了的选择性激光熔化SLM(Selective Laser Melting)方法，虽提高了成形密度，但往往仍需后续热等静压才能达到致密化，从而增加了制造难度、时间和成本，且SLS和SLM 二者皆因采用层层铺粉的方式而难以制造功能梯度材料(FGM)零件。
[0004]高致密金属零件或模具的无模熔积成形方法主要有大功率激光熔积成形、电子束自由成形以及等离子熔积成形的方法。大功率激光熔积成形方法是采用大功率激光，逐层将送到基板上的金属粉末熔化，并快速凝固熔积成形，最终得到近终成形件；该方法成形精度较高，工件的密度远高于选择性激光烧结件，但成形效率、能量和材料的利用率不高、不易达到满密度、设备投资和运行成本高，见A.J.Pinkkerton, L.Li, Effects of Geometryand Composit1n in Coaxial Laser Deposit1n of316L Steel for Rapid Protyping, Annalsof the CIRP，Vol.52，1 (2003)，pl81_184。电子束自由成形方法采用大功率电子束熔化粉末材料，根据计算机模型施加电磁场，控制电子束的运动，逐层扫描直至整个零件成形完成；该方法成形精度较高、成形质量较好，然而其工艺条件要求严格，整个成形过程需在真空中进行，致使成形尺寸受到限制，设备投资和运行成本很高；且因采用与选择性烧结相同的层层铺粉方式，难以用于FGM零件的成形，见Matz J.E., EagarT.ff.Carbide format1nin Alloy718during electron—beam solid freeform fabricat1n.Metallurgical andMaterials Transact1ns A:Physical Metallurgy and Materials Science, 2002, v33 (8):P2559-2567。等离子熔积成形方法是采用高度压缩、集束性好的等离子束熔化同步供给的金属粉末或丝材，在基板上逐层熔积成形金属零件或模具的方法，比大功率激光成形法的效率、能量和材料利用率高，易于获得满密度，设备和运行成本远低于前两者，但因弧柱直径较前两者大，成形精度不及前两者，故与大功率激光熔积成形方法相似，大都要在成形完后进行精整加工，见 Ha1u Zhang, Jipeng Xu, Guilan Wang, Fundamental Study onPlasma Deposit1n Manufacturing, Surface and Coating Technology, v.171 (1-3), 2003,PP.112?118 ;以及张海鸥，吴红军，王桂兰，陈竞，等离子熔积直接成形高温合金件组织结构研究，华中科技大学学报(自然科学版)，v33,nll,2005,p54-56。然而，直接成形的难加工材料零件因急冷凝固使表面硬度增大，导致加工非常困难；形状复杂的零件还需多次装夹，致使加工时间长，有时甚至要占整个制造周期的60 %以上，成为高性能难加工零件低成本短流程生长制造的瓶颈。为此，出现了等离子熔积成形与铣削加工复合无模快速制造方法，即以等离子束为成形热源，在分层或分段熔积成形过程中，依次交叉进行熔积成形与数控铣削精加工，以实现短流程、低成本的直接精确制造，见ZL00131288.X，直接快速制造模具与零件的方法及其装置；以及张海鸥，熊新红，王桂兰，等离子熔积/铣削复合直接制造高温合金双螺旋整体叶轮，中国机械工程，2007，Voll8，N0.14:P1723?1725。
[0005]以上三种方法中，大功率激光熔积成形法和等离子成形法皆为无支撑地熔积成形复合材料零件的方法。与电子束成形、选择性激光烧结，以及采用低熔点的纸、树脂、塑料等的 LOM(Laminated Object Manufacturing 纸叠层成形)、SLA(StereolithographyApparatus光固化成形),FDM(Fused Deposit1n Modeling熔丝沉积制造)等有支撑的无模堆积成形的方法相比，避免了成形时因需要支撑而须添加和成形后须去除支撑材料导致的材料、工艺、设备上的诸多不利，减少了制造时间，降低了成本，并可成形FGM零件，但同时也因无支撑而在有悬臂的复杂形状零件的成形过程中，熔融材料在重力作用下可能产生下落、流淌等现象，导致难以熔积成形。等离子熔积铣削复合制造方法虽通过分层的成形和铣削精整，降低了加工复杂程度，但对于侧面带大倾角尤其是横向悬角部分的复杂形状零件，堆积成形时因重力产生的流淌甚至塌落仍不能避免，以至无法横向生长成形。
[0006]为此，美国Michigan大学、Southern Methodist大学、新加坡国立大学等一些国外研究机构研究采用变方向切片技术，选择支撑条件最多的方向作为零件成形主方向，或将复杂形状零件分解成若干简单形状的部件依次成形的方法；或开发五轴无模成形加工设备和软件，使熔融成形材料尽可能处于有支撑的条件下，见P.Singh,
D.Dutta, Mult1-direct1n slicing for layered manufacturing, Journal of Computingand Informat1n Science and Engineering, 2001, 2, pp: 129-142 ； Jianzhong Ruan, Todd
E.Sparks, Ajay Panackal et.al.Automated Slicing for a Multiaxis Metal Deposit1nSystem.Journal of Manufacturing Science and Engineering.APRIL2007, Vol.129.pp:303—310:R.Dwivedi, R.Kovacevic, An expert system for generat1n of machine inputsfor laser-based mult1-direct1nal metal deposit1n, Internat1nal Journal ofMachine Tools&Manufacture, 46 (2006), pp: 1811-1822。米用五轴加工技术，虽可改善生长成形的支撑条件，避免材料下落，但将导致空间干涉检验和成形路径规划复杂，软件编程与加工时间长、难度大，有效工作空间受限，设备投资和运行成本增加，而且对于复杂形状零件仍难以从根本上解决因重力造成的流淌等问题，致使零件成形精度不高，尺寸规格和形状复杂程度受到限制。
[0007]此外，航空航天、能源动力等行业对零部件的组织性能及其稳定性的要求很高，现有无模增量制造方法因其急速加热、快速凝固和自由生长成形的特点，成形过程中的开裂难以避免，组织性能及其稳定性尚不能满足要求。以上诸问题已成为制约高能束直接增量成形技术能否进一步发展和实现工业化应用所急需解决的关键技术瓶颈问题。因此，制造业急需开发在复杂形状零件的无支撑、无模熔积成形过程中，可有效防止熔融层积材料下落、流淌、开裂并提高制造精度和改善组织性能的新方法。
[0008]现有国内外高能束金属零件增量成形技术存在的以下3个瓶颈问题:(1)因缺失传统制造中关键的锻造环节，致使热裂或变形难以避免、疲劳强度等组织性能指标尚难达到锻件水平；(2)成形效率低；(3)成本高。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种用于零件或模具的增量制造方法，解决现有零件与模具的无模熔积增量成形过程中，因反复急热急冷导致的成形件易开裂、变形和残余应力大、组织性能不足且不稳定，以及熔融材料因重力作用而产生流淌、下落、坍塌的问题。
[0010]本发明所提供的一种用于零件或模具的增量制造方法，包括生成数控代码步骤和增量成形步骤；(1)生成数控代码步骤:根据零件或模具的三维CAD模型分层切片数据以及各层切片的尺寸和形状，进行成形加工路径规划，生成各层切片成形数控代码和各层切片加工数控代码；(2)增量成形步骤:采用熔积成形的增量制造方式，按照各层切片成形数控代码指定的轨迹，在基体上将熔积成形材料逐层熔积成形；其特征在于:
[0011 ] 所述增量成形步骤中，在基体上将熔积成形材料逐层熔积成形的同时，逐层进行旋转压缩成形:
[0012]旋转压头在当前层的软化半凝固区域，紧随成形热源或加热装置同步移动，进行旋转压缩加工，将当前层压缩成形；
[0013]或者，旋转压头在当前层的已凝固区域，沿熔积成形轨迹移动，进行旋转压缩加工，将当前层压缩成形。
[0014]所述的用于零件或模具的增量制造方法，其特征在于:
[0015]所述增量成形步骤中，各层进行旋转压缩成形后，各层再采用铣削或研磨，以达到尺寸和表面精度的要求；或者完成多层增量成形后，将多层表面一并铣削或研磨，以达到尺寸和表面