一种环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法

技术领域

本发明涉及激光选区熔化成形3D打印领域，具体涉及一种环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法。

背景技术

众所周知，在激光选区熔化成形过程中由于快速熔化、快速凝固的特点，成形零件内部存在着较大的应力。当成形薄壁环形类零件时，因应力导致的变形则更加明显，这种变形会导致环形薄壁侧面出现不规则的内凹或外凸，具体情况如下附图1所示。这种情况严重影响了零件功能效果，如流量特性、导热效率等，最导致发动机的性能下降。目前在发动机的新型研制过程中大量地采用激光选区熔化成形增材制造工艺，如发动机中的机匣、火焰筒等零件均采用了增材制造工艺进行制造。此类零件其结构特征均为复杂环形薄壁结构，如在成形过程中无法对其进行有效的变形控制，则导致零件的设计功能无法实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法，包括以下步骤：

S1、模型处理：根据环形薄壁曲面结构零件的特点设计固定座和空心柱状结构支撑；

S2、激光选区熔化成形：将添加完固定座和空心柱状结构的零件当做完整的零件进行激光选区熔化成形操作，其中固定座和空心柱状支撑的工艺参数与零件相同；

S3、去应力退火：激光选区熔化成形完成以后，将零件连同基板一起从设备上取下，吊起基板，将基板及零件周边的粉末清理干净，将空心柱状结构内的金属粉末清理干净，粉末清理完成后将零件放入真空热处理炉进行去应力热处理；

S4、线切割：热处理完成后使用线切割将零件从基板上分离开来；

S5、支撑去除；

S6、表面处理：零件去支撑完成后，根据要求对其进行表面处理。

进一步的，所述空心柱状结构均匀的分布在环形薄壁的四周。

进一步的，所述空心柱状结构支撑的中空结构外壁上设计有直径为2mm的排粉孔。

进一步的，所述空心柱状结构的壁厚应为薄壁环形结构的壁厚1-1.2倍。

进一步的，所述空心柱状结构与零件成形方向的角度不大于45°。

进一步的，所述固定座内部为晶格填充结构。

进一步的，所述空心柱状结构与固定座之间通过通孔连接。

与现有技术相比，本发明环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法的有益效果是：通过空心柱状结构支撑和固定座将环形薄壁曲面结构连接称为一整体，增加结构的整体强度，防止薄壁曲面结构在成形过程中因应力收缩而产生变形。

附图说明

图1是机匣、舱体零件三维扫描结果。

图2是环形曲面薄壁结构变形控制装置的剖面图。

图3是环形曲面薄壁结构变形控制装置的俯视图。

图4是环形曲面薄壁结构变形控制装置的三维剖面图

图5是通过使用本发明方法后的机匣、舱体三维扫描结果。

具体实施方式

环形曲面薄壁结构变形控制装置，如附图2所示，本发明中对零件变形起到关键控制作用的是一种环形曲面薄壁结构变形控制装置。环形薄壁零件之所以会在激光选区熔化成形过程中产生变形，是因为薄壁零件在成形过程中无法抵挡零件收缩而产生的外力，最终零件在激光选区熔化成形过程中失稳而导致侧面产生不规则的形变。

本发明从环形薄壁零件成形过程变形产生的源头出发，在环形薄壁成形过程中对环形薄壁从内外两侧添加约束对变形进行控制，使成形过程中环形薄壁在外力约束的条件生长。从附图1中可见该装置分为两部分，第一部分为柱状结构支撑100，该部分支撑均匀的分布在环形薄壁300的四周，在成形过程中对薄壁圆环起到均匀的约束作用。为节省增材制造成本及加快增材制造零件加工周期，对柱状结构作了特殊设计，如附图3中的情况所示，柱状结构设计成中空结构，且在中空结构外壁上设计有直径为2mm左右的排粉孔400，方便打印完成后中空结构内的残余粉末去除。空心柱状结构的壁厚应为薄壁环形结构的壁厚1-1.2倍，空心柱状结构与零件成形方向的角度不大于45°，有利于柱状结构直接成形。支撑装置的第二部分如附图2中指示所示，称之为固定座200，其主要作用是稳定空心柱状结构支撑，将空心柱状结构与环形薄壁曲面连接为一个整体共同抵抗激光选区熔化成形过程中的收缩应力。固定座的设计可根据环形零件的形状结构进行调整，如附图4所示在固定座内部为晶格填充结构500以增加固定座的强度。固定座与空心柱状结构的连接细节如附图2所示，空心柱状结构与固定座之间通过通孔600连接，该通孔的存在有力于激光选区熔化成形后零件通道内金属粉末的去除。同时在空心柱状结构上设计一排粉孔，如附图3所示，该排粉孔可与固定底座上的排粉孔形成回路，形成回路后有利于在后续粉末清理的过程中将腔道内的金属粉末彻底清除。

一种环形薄壁零件激光选区熔化成形变形控制方法，包括以下步骤：

S1、模型处理：根据环形薄壁曲面结构零件(如机匣、火焰筒等)的特点设计固定座和空心柱状结构支撑；

S2、激光选区熔化成形：将添加完固定座和空心柱状结构的零件当做完整的零件进行激光选区熔化成形操作，其中固定座和空心柱状支撑的工艺参数与零件相同，如机匣使用GH4169的工艺参数，固定座及控形柱状结构亦使用GH4169的工艺参数；

S3、去应力退火：激光选区熔化成形完成以后，将零件连同基板一起从设备上取下，吊起基板，将基板及零件周边的粉末清理干净，尤其注意将空心柱状结构内的金属粉末清理干净，粉末清理完成后将零件放入真空热处理炉进行去应力热处理，热处制度根据所使用的材料确定；

S4、线切割：热处理完成后使用线切割将零件从基板上分离开来；

S5、支撑去除，使用偏口钳、凿子、锤子等工具将添加的支撑小心仔细的去除，支撑去除过程中应注意对零件的保护，以免损伤到零件表面；

S6、表面处理：零件去支撑完成后，根据要求对其进行表面处理。

本发明通过空心柱状结构支撑和固定座将环形薄壁曲面结构连接称为一整体，增加结构的整体强度，防止薄壁曲面结构在成形过程中因应力收缩而产生变形。在对一种机匣结构使用此支撑结构后，其三维扫描结果如附图5所示，可见通过使用该方法可对环形薄壁曲面结构的激光选区熔化成形进行有效地变形控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。