一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱弹簧设计成形方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱弹簧设计成形方法。

背景技术

圆柱压缩弹簧是一种利用弹性工作的机械零件，利用它的弹性特性可以实现机构运动、缓冲、振动、蓄能、测力等功能，在机械、仪器仪表等领域广泛应用。

目前弹簧加工的主要工艺方式是在弹簧机上进行热成形或冷成形。但该工艺方式适合弹簧批量生产，对于弹簧小批量试制存在弹簧参数单一、单次生产量大、生产周期长、成本高的问题。尤其是对用于特殊环境(如高温环境)且较不常见的弹簧丝材料，原材料采购成本可能远高于试制成本，对产品研发阶段快速迭代形成了一定的阻力。

增材制造技术可以突破传统机械制造工艺的束缚，对复杂结构零件可进行一体化成形，无需工装和模具。具有加工周期短，迭代速度快的特点，在小批量试制、定制化设计方面已形成显著优势，目前在航空航天、汽车工业、医疗器械等领域都已经广泛应用，但是在弹簧的设计上鲜见报道。

发明内容

本发明解决的问题是克服传统弹簧制造工艺对弹簧小批量试制、参数快速迭代带来的阻力，提出一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱压缩弹簧设计成形方法。基于该方法，可针对弹簧使用环境，选取相应弹簧材料，并对不同参数的弹簧进行同时激光选区熔化成形，大大缩短迭代周期，降低研发成本。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱弹簧设计成形方法，所述设置方法包括以下步骤：

(1)材料的选择与弹簧的设计：基于弹簧的使用条件，选择相应的金属材料粉末，并根据该金属材料的力学性能参数，设计弹簧刚度系数和几何参数；

(2)3D打印工艺的调整：基于激光选区熔化成形过程中与成形结束后的弹簧构件的温度场差异与金属材料的特性关系，对弹簧数字三维模型的螺距、内径进行3D打印工艺调整；

(3)设计弹簧打印支撑结构和成型方式：弹簧采用沿轴向水平成形方式，设计单道网格支撑与锥形支撑相结合的形式为打印过程的支撑结构，并对单道网格支撑采用嵌套的设计方法，成形面平行于轴向方向；

(4)模型导入和打印成型：将工艺调整后的圆柱弹簧数字三维模型生成包含有支撑结构的成形模型，进一步在成形模型上设置模型的成形工艺参数，生成可用于3D打印的工作文件，将工作文件导入激光选区熔化金属3D打印机，并设置激光选区熔化金属3D打印机成形工艺参数，采用高质量模式成形；

(5)热处理：根据弹簧的力学性能要求，对成形后沉积态弹簧连同打印基材进行热处理调质；

(6)弹簧获得：对热处理后的弹簧进行后处理工艺，得到设计的弹簧。

优选的，所述步骤(1)中的弹簧使用条件的确定包括环境条件、力学性能、几何约束。

优选的，所述步骤(1)中的金属粉末为高温合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、铜合金粉末中的至少一种。

优选的，所述步骤(1)中弹簧的几何参数包括弹簧大径、小径、中径、线宽、线高、线径、自由高度、圈数、节距。

优选的，所述步骤(2)中的3D打印工艺调整包括螺距增加0.05～0.2mm，内径扩大0.1～0.3mm，光斑补偿+0.04～+0.09mm。

优选的，所述步骤4中在成形模型上设置模型的成形工艺参数包括零件实体参数、网格支撑参数、带有内填充的支撑结构参数。

优选的，所述步骤(4)中设置激光选区熔化金属3D打印机成形工艺参数包括：成形氛围氧含量≤300ppm，激光光斑直径为0.06～0.15mm，光束质量M2≤1.1，激光器功率≥500W。

优选的，所述步骤(5)中对成形后的弹簧连同打印基材进行热处理调质方法为固溶、固溶加双时效、时效、退火、热等静压中至少一种。

优选的，所述步骤(6)中后处理工艺按照顺序依次为弹簧与基板分离、支撑结构去除、磨削抛光、喷砂处理

与现有技术相比，本发明提供了一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱弹簧设计成形方法，具备以下有益效果：

本发明可针对圆柱压缩弹簧使用环境，选取性能优异的弹簧丝材料，并在一次激光选区熔化成形过程中，对不同参数的弹簧(所述不同参数包括弹簧刚度系数、几何参数等)进行同时成形，打印过程根据弹簧尺寸不同通常在24小时内完成，大大缩短迭代周期，降低研发成本。

附图说明

图1为本发明金属激光选区熔化技术的圆柱压缩弹簧设计成形方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例：

一种基于金属激光选区熔化技术的圆柱压缩弹簧设计成形方法，包括以下步骤：

(1)根据弹簧的使用条件，选择相应的金属粉末。影响弹簧设计的使用条件通常包括使用环境下的温度、力学性能(如使用温度下所要求的强度、刚度)等，基于此选择合适的3D打印金属粉末；常用的金属粉末包括高温合金粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、铜合金粉末等；此外使用环境还应包括几何约束；选定金属材料后，则可根据材料的力学性能参数(主要包括剪切模量、抗拉强度、屈服强度等)，参照机械手册对压缩弹簧的刚度系数和几何参数进行设计，主要几何参数包括压缩弹簧的大径、小径、中径、线宽、线高、线径、自由高度、圈数、节距等；

(2)根据弹簧几何参数，利用三维CAD软件绘制弹簧的三维数字模型；并基于激光选区熔化成形过程中与成形结束后的弹簧构件的温度场差异与金属材料的特性关系，对弹簧数字三维模型的螺距、内径进行3D打印工艺调整(主要是尺寸参数补偿)；通常弹簧丝几何变形进行尺寸参数补偿范围是螺距增加0.05～0.2mm，内径扩大0.1～0.3mm，光斑补偿+0.04～+0.09mm。

(3)进一步对弹簧的打印成形方向和支撑结构进行设计规划：为了尽可能降低弹簧轴向截面在成形过程中的温度梯度，有效减少激光选区成形过程中弹簧沿轴向的局部突变，同时保证成形过程的稳定、高效、可靠，采用沿弹簧轴向水平成形方式(即成型面平行于轴向方向)，支撑结构设计单道网格支撑与锥形支撑相结合的形式，对单道网格支撑采用嵌套的设计方法；

(4)将工艺调整后的圆柱弹簧数字三维模型生成包含有支撑结构的成形模型，如MatAMX成形模型，该模型包含网格支撑结构、锥形支撑结构、防变形点阵结构、补偿后的弹簧三维实体结构；进一步在成形模型上设置成形工艺参数(对于MatAMX成形模型，需设置零件实体、网格支撑、有内填充的支撑结构等成形工艺参数)，生成可用于3D打印的工作文件，并将工作文件导入激光选区熔化金属3D打印机；采用高质量模式成形，确保弹簧综合力学性能；在激光选区熔化成形金属3D打印机上，设置激光选区熔化成形参数包括：成形氛围氧含量≤300ppm，激光光斑直径为0.06～0.15mm，光束质量M2≤1.1(无量纲)，激光器功率≥500W等；

(5)激光选区熔化成形后，将沉积态弹簧联通基材从3D打印机中取出；由于弹簧在激光选区熔化成形过程中产生应力，因此需要对成形后沉积态弹簧连同打印基材进行整体热处理调质，以满足弹簧的力学性能要求；根据不同的弹簧力学性能要求，热处理调制方法包括固溶、固溶+双时效、时效、退火、热等静压等；

(6)热处理调质后，将弹簧连同基材从热处理炉中取出，采用线切割讲弹簧与基材分离，去除弹簧表面支撑结构并磨削抛光，最后对其喷砂处理，完成弹簧的打印后处理流程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。