基于增减材制造的金属零件修复方法

摘要

本发明公开了一种基于增减材制造的金属零件修复方法，用于解决现有金属零件修复方法材料利用率低的技术问题。技术方案是首先通过三维扫描得到待修复模型三维数据后，对零件磨损部分进行减材加工，即通过干式高速切削磨损零件，得到规则的表面，然后通过电子束熔丝增材工艺进行增材制造，完成零件的沉积增材修复过程，同时利用干式高速切削加工对零件表面进行加工，得到表面质量较高的修复件。本发明避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，同时解决复杂结构零件的减材过程出现的干涉问题，使得受损零件的机械性达到正常零件的水平。本发明修复过程在真空环境下进行，对于工件的夹持只需要一次，材料利用率高。

权利要求

1.一种基于增减材制造的金属零件修复方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、对受损零件表面打磨去除氧化膜，用丙酮清洗后晾干，并对形成腔室进行抽真空，使真空度达到10-3Pa级别；

步骤二、将经过步骤一处理的受损零件装夹后固定于真空室内工作台的增减材固定机构上；

步骤三、利用无损扫描技术，对受损零件进行扫描确定受损部位边界，建立切削模型并规划切削路径；

步骤四、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至受损零件的受损部位主加工面上方；

步骤五、通过干式切削减材加工方法对零件受损部分进行切除，使其尺寸精度达到

0.5mm；加工采用内冷式刀具，加工相关参数为：切削前角调节范围为4°～6°，切削速度调节范围为1～20m/min；

步骤六、再次利用无损扫描技术，在计算机上建立步骤五所得实体零件的三维几何模型，得到计算机切片数据，依据三维参数规划电子束扫描路径；将通过步骤五减材后的零件的三维数据与完好的零件三维数据进行对比，进行布尔运算，相减得到受损零件已减材部分的三维模型并进行切片处理，规划出电子束增材路径；

步骤七、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方；

步骤八、增材成型系统按照步骤六所得高质量表面逐层扫描堆积材料，打印层厚视打印材料不同而不同，当打印到设计厚度模型后停止增材制造；

步骤九、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至主加工面上方；进行复杂曲面，孔道的减材加工；

步骤十、减材制造模块驱动刀头根据零件几何数据对零件轮廓进行减材加工，通过内冷式刀具加工，切削前角为5°，切削速度为1.5m/min，尺寸精度达到0.5mm，对复杂孔道、曲面进行减材加工及表面处理，达到更高的尺寸精度及高表面平整度；

步骤十一、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方，继续下一层的增材加工过程；

步骤十二、重复步骤八、九、十和十一，直至零件缺损部分全部加工完成。

说明书

基于增减材制造的金属零件修复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属零件修复方法，特别是涉及一种基于增减材制造的金属零件修复方法。

背景技术

[0002] 随着航天技术发展和空间站建造速度提升，需要提高火箭运载能力,新一代大推力液氧煤油火箭发动机是整个火箭制造的核心部件，涡轮泵叶盘是其中的关键件。涡轮泵叶盘的工作环境极其恶劣，加之其传统的加工方法通常采用精铸成型结合手动抛光，加工效率低、表面质量一致性较差，在服役过程中产生裂纹、磨损和蚀坑，从而产生非常严重的事故。零件修复工作尤其在航空领域有重要意义。

[0003] 在增材制造中，电子束熔丝沉积快速制造技术是一种典型的金属构件高能束快速制造技术，相比于其他高能束快速制造技术，具有制造效率高、真空环境有利于零件保护、内部质量好和可实现多功能加工等优势。

[0004] 文献1“申请公布号是CN105499904的中国发明专利”公开了一种基于激光熔覆修复的增减材制造装置及其方法，先进的激光熔覆技术的受人工和环境的影响比较大，其通常采用整层切削磨损面加工的办法，大大浪费材料，且容易引起热量的积累，从而导致裂纹的产生和应力集中。目前，国内在电子束增材制造技术上已有深入研究，利用该技术加工的零件机械性能高于铸件，接近锻件水平，材料利用率可达百分之百，对于昂贵的稀有金属材料来说，可大大降低成本。但由于制造的零件表面粗糙度和尺寸精度较差，仍需机械加工方法保证表面粗糙度和尺寸精度达到设计要求。

[0005] 文献2“申请公布号是CN105904151的中国发明专利”公开了一种基于脉冲焊接和激光增材修复的薄壁零部件复合修复方法，该方法通过激光增材修复后得到零件的表面质量与尺寸精度不能达到很高的精度要求。在减材制造中，所采用的干式高速切削技术使被加工零件的完整性得到提高，提高零件的表面质量和抗疲劳强度，通过控制切削速度，加之内冷式刀具带走切削温度来实现高温合金的真空干切削。

[0006] 在零件修复过程中，将增/减材制造工艺与金属电子束熔丝技术相结合，并利用到航天制造业中，该技术不仅提高了材料的利用率，可以减少切削液的使用，拓宽产品原料的加工范围。而且，该技术避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，同时解决复杂结构零件的减材过程出现的干涉问题，使得机械性能高于目前较为成熟的激光选区增/减材制造技术，在修复零件性能方面该技术具有巨大的优势。

发明内容

[0007] 为了克服现有金属零件修复方法材料利用率低的不足，本发明提供一种基于增减材制造的金属零件修复方法。该方法首先通过三维扫描得到待修复模型三维数据后，对零件磨损部分进行减材加工，即通过干式高速切削磨损零件，得到规则的表面，然后通过电子束熔丝增材工艺进行增材制造，完成零件的沉积增材修复过程，同时利用干式高速切削加工对零件表面进行加工，得到表面质量较高的修复件。本发明避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，同时解决复杂结构零件的减材过程出现的干涉问题，使得受损零件的机械性达到正常零件的水平。修复过程在真空环境下进行，对于工件的夹持只需要一次，材料利用率高。

[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于增减材制造的金属零件修复方法，其特点是包括以下步骤：

[0009] 步骤一、对受损零件表面打磨去除氧化膜，用丙酮清洗后晾干，并对形成腔室进行-3抽真空，使真空度达到10 Pa级别；

[0010] 步骤二、将经过步骤一处理的受损零件装夹后固定于真空室内工作台的增减材固定机构上；

[0011] 步骤三、利用无损扫描技术，对受损零件进行扫描确定受损部位边界，建立切削模型并规划切削路径。

[0012] 步骤四、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至受损零件的受损部位主加工面上方；

[0013] 步骤五、通过干式切削减材加工方法对零件受损部分进行切除，加工采用内冷式刀具，加工相关参数为：切削前角调节范围为4°～6°，切削速度调节范围为1～20m/min；

[0014] 步骤六、再次利用无损扫描技术，在计算机上建立步骤五所得实体零件的三维几何模型，得到计算机切片数据，依据三维参数规划电子束扫描路径；将通过步骤五减材后的零件的三维数据与完好的零件三维数据进行对比，进行布尔运算，相减得到受损零件已减材部分的三维模型并进行切片处理，规划出电子束增材路径。

[0015] 步骤七、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方；

[0016] 步骤八、增材成型系统按照步骤六规划的路径逐层堆积材料，当打印到设计厚度模型后停止增材制造；

[0017] 步骤九、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至主加工面上方；

[0018] 步骤十、减材制造模块驱动刀头根据零件几何数据对零件轮廓进行减材加工，对复杂孔道、曲面进行减材加工及表面处理，达到更高的尺寸精度及高表面平整度；

[0019] 步骤十一、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方，继续下一层的增材加工过程；

[0020] 步骤十二、重复步骤八、九、十和十一，直至零件缺损部分全部加工完成。

[0021] 本发明的有益效果是：该方法首先通过三维扫描得到待修复模型三维数据后，对零件磨损部分进行减材加工，即通过干式高速切削磨损零件，得到规则的表面，然后通过电子束熔丝增材工艺进行增材制造，完成零件的沉积增材修复过程，同时利用干式高速切削加工对零件表面进行加工，得到表面质量较高的修复件。本发明避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，同时解决复杂结构零件的减材过程出现的干涉问题，使得受损零件的机械性达到正常零件的水平。修复过程在真空环境下进行，对于工件的夹持只需要一次，材料利用率高。

[0022] (1)与其他高能束流增材技术相比，电子束熔丝沉积快速成型增材技术在制造高温金属结构方面具有突出的优势:该工艺将材料成型、加工与热处理过程统一，具有功率大、扫描速度快、束斑小、精度高、能量利用率高以及加工环境真空无污染的特点，材料的微观组织结构具有很强的可控性。

[0023] (2)减材加工采用干式高速切削技术，通过内冷式刀具的使用，使其在真空封闭空间中避免切削液的使用，保护了加工环境，避免污染；同时内冷式刀具以及加工空间的辐射散热技术可以带走切削温度从而实现高温合金的真空干切削；

[0024] (3)在修复自由曲面和复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和复杂的内流道等，增减材一体化制造有效避免传统工艺中出现的加工干涉现象，两种工艺优势互补，可以实现复杂航天零部件的高效、高精度、高疲劳强度个性化定制快速精密修复。

[0025] (4)在同一台机床上完成所有修复加工工序，避免了原本在多平台加工时工件的夹持与取放所带来的误差积累，提高制造精度与生产效率，同时也节省了车间空间，降低制造成本。

[0026] 该方法是一种智能化程度高，具有快捷、便利，可以实现零件修复快速制造等特点的增减材复合修复零件的方法，电子束熔丝金属成型装备与干式切削加工装备是目前比较全面而先进的装备组合，可以保证加工质量和表面精度。

[0027] 下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施方式

[0028] 本发明基于增减材制造的金属零件修复方法具体步骤如下：

[0029] 对TC4钛合金零件进行修复，该TC4钛合金零件尺寸为300mm×200mm×200mm，受损部分尺寸为50mm×40mm×50mm。

[0030] 步骤一、对TC4钛合金零件表面打磨去除氧化膜、用丙酮清洗、晾干，并对形成腔室进行抽真空处理，使真空度达到10-3Pa级别；

[0031] 步骤二、将经过步骤一处理的受损TC4钛合金零件装夹后固定于真空室内工作台的增减材固定机构上；

[0032] 步骤三、利用无损扫描技术，对受损TC4零件进行扫描确定受损部位边界，并在计算机建立切削模型并规划切削路径。

[0033] 步骤四、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至受损零件的受损部位主加工面上方；

[0034] 步骤五、通过干式切削减材加工零件受损部分，切削掉50mm×40mm×50mm受损部分，并得到规则的表面，使其尺寸精度达到0.5mm。通过内冷式刀具进行减材加工，切削前角调节范围为4°～6°，切削速度调节范围为1～20m/min；

[0035] 步骤六、再次利用无损扫描方法，在计算机上建立步骤五所得实体零件的三维几何模型，得到计算机切片数据，依据三维参数规划电子束扫描路径；将通过步骤五减材后的零件的三维数据与完好的零件三维数据进行对比，进行布尔运算，相减得到受损零件已减材部分的三维模型并进行切片处理，规划出电子束增材路径。(记完整的零件为模型1，减材后的的受损零件为模型2，布尔运算后的为模型3)

[0036] 步骤七、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方；

[0037] 步骤八、增材成型系统按照模型3轮廓轨迹在步骤五(十)所得高质量表面逐层扫描堆积材料，电子束流扫描速度值为40mm/s、电子束电流调节范围为4.5mA、Focus Offset值为40，调整送丝角度为30°～60°，将直径为0.8～1.2mm的TC4钦合金焊丝从真空室内由送丝机构送出，经喷嘴装置送至下束点位置，焊丝干伸长为lcm；打印层厚视打印材料不同而不同如打印 的TC4丝材(GB/T 3623-1998)时优选层厚为1.5mm。当一定厚度(打印的TC4丝材时优选打印2层三维实体厚度约为3mm)模型打印后停止增材制造；

[0038] 步骤九、滑台驱动杆驱动减材模块刀具移动至主加工面上方，进行复杂曲面，孔道的减材加工；

[0039] 步骤十、减材制造模块驱动刀头根据模型1的几何数据对零件轮廓进行减材加工，通过内冷式刀具加工，切削前角为5°，切削速度为1.5m/min，尺寸精度达到0.5mm，得到复杂曲面结构及高质量表面；

[0040] 步骤十一、滑台驱动杆驱动增材电子束发射器移动至主加工面上方，继续下一层的增材加工过程；

[0041] 步骤十二、重复步骤八、九、十和十一，直至零件缺损部分全部加工完成。