[发明专利]一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及快速成形与快速制造技术领域，尤其是涉及一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法。

背景技术

激光直接快速成形技术是在80年代末期出现的快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板上逐线、逐层地熔覆堆积出任意形状的功能性三维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。它的出现给装备制造业带来了全新的技术理念。该技术融合了CAD、激光加工、材料科学、数控加工等相关领域的关键技术，以“离散+堆积”为成形理念，能够在无工模具的情况下由计算机驱动直接沉积成形金属零件，因此，在很大程度上节省了制造周期和开销。虽然该技术将现有的快速成形技术推进到直接成形全密度高强度功能性金属零件的新高度，但零件的形状和尺寸精度一直是限制其广泛应用和飞速发展的制约因素，所以应从该技术成形原理为切入点考虑解决方法。由于该技术是一个由线到面、由面到体的三维实体零件成形过程，所以应从成形实体的单元或基础入手来解决问题。也就是说，只有沉积过程中产生的熔覆线线形连续规整、等宽等高，相邻熔覆线的搭接面光滑平整，才能从根本上提高最终生成的三维实体零件的尺寸与形状精度。连续规整熔覆线可以采用工艺参数常用值的不同组合来进行多次熔覆实验从而找出并确定，而相邻熔覆线的搭接面如何达到光滑平整，需要相关科学便捷、行之有效的方法来实现。

搭接率是激光直接成形金属零件技术中的一个重要工艺参数，搭接率的大小将直接影响到成形表面的宏观平整程度和质量精度。如果搭接率选择不当将导致成形表面出现凹凸不平。一旦出现这种情况，在成形各条熔覆道时的各工艺参数的实际值将不再保持一致，成形表面的平整度将很难得到保证，而且这种不平整度会随着加工过程的层层沉积而加重，严重时甚至会导致激光直接成形过程无法进行下去。所以，在成形过程中要保证合适稳定的搭接率，使相邻熔覆道高度相同且其间的表面平整，搭接率过小会导致相邻熔覆道之间的凹陷，而过大又会产生后一熔覆道在前一熔覆道上的堆积。

发明内容

发明目的：

为了解决激光快速成形零件其尺寸与形状精度难以控制的问题，本发明提供了一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，有效降低了制造成本，又提高了加工效率。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，其特征在于：步骤如下：

（1）针对镍基合金和不锈钢成形金属粉末原材料，根据激光快速成形技术所涉及的激光功率、光斑直径、送粉速率、扫描速度工艺参数的系统许用范围，选取常用值的不同组合来进行单道熔覆实验，确定获得形状最规整、尺寸最均匀的熔覆线的最优工艺参数组合，然后采用此参数组合来进行单道熔覆线的沉积实验，并对此组参数下生成的熔覆线线宽和线高进行实际测量和记录；

（2）接着，根据实际观测到的单道熔覆线横截面形状，将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，在搭接熔覆成形的过程中，只有搭接率选择合适，两相邻熔覆道之间才能表面平整且两熔覆道高度相同，此理想状态下的搭接率称为临界搭接率，建立临界搭接率时的理想搭接模型，根据模型中的几何图形关系，推导出以熔覆线线宽和线高为变量的面积公式，然后根据优化算法流程，确定最佳扫描间距，进而算出临界搭接率；把最佳扫描间距即临界搭接率的理论计算值作为适合的最佳参考值来指导成形实验，在此参考值下成形的搭接面最为平整光滑。

将熔覆道横截面近似的看作圆的一部分，搭接率为临界搭接率的情况下，两相邻熔覆道之间表面视为平整且两熔覆道高度相同。

两相邻熔覆道的理想搭接模型，是将两相邻圆的搭接重合部分面积视作恰好等于两圆外轮廓与外公切线组成的凹陷部分面积。

根据优化算法流程，通过计算确定最佳扫描间距和临界搭接率的值，以此作为参考值提高成形金属零件的表面平整度和几何尺寸精度。

优点及效果：

本发明涉及一种提高激光快速成形金属零件表面平整度的方法，可以在减少实验量的基础上，科学准确地确定出最佳扫描间距，提高激光快速成形零件分层切片实际成形表面的平整度，从而改善层层堆积所生成的三维实体零件的形状与尺寸精度。因为现有技术都是通过实验尝试摸索的方法来找出最佳扫描间距，费时费力，不经济不可靠。

附图说明：