[发明专利]一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺

说明书

本发明提供一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，该工艺将大型结构件按照一定的标准，比如构件的形状、尺寸或易于产生应力集中的位置进行划分，分块进行“增材+机加”再组合的方式，结合机加工和增材制造的优点获得符合要求的完整构件。本发明避免了复杂结构件以及尺寸较长的筒状结构件内壁后续机加工的困难，实现大型金属复杂构件的成型加工；分块机加工再清洗再组合，避免了污染，保证了成形件组织均匀性，同时也保证了成形件具备良好的力学性能；此外，降低了成形过程中内应力集中的问题，避免了金属零件的变形和开裂。

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及大型复杂金属构件的加工工艺。

背景技术

金属构件激光增材制造技术是一种先进的近净成形技术，它将激光熔覆技术和快速原型制造技术有机结合，以金属粉末/丝为原料、通过激光熔化/快速凝固逐层沉积、直接由零件CAD模型实现复杂金属构件的无模具、全致密、近净成形快速制造。该技术将高性能材料制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压+机械加工等传统大型金属构件制造技术相比具有以下优点： (1)无需大型锻铸工业装备、制造工序少、材料利用率高、生产周期短、成本低；(2)零件一般具有成分均匀、组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能较好；(3)具有高度的柔性和超快结构设计响应能力、使变革性结构设计不再受制造技术制约；(4)能灵活的改变金属构件的化学成分、实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，可用于新型合金设计和损伤金属构件的修复。

但是，金属增材制造技术也有自身不足，一方面，由于金属增材制造技术采取逐层堆积的方式成形，对于厚壁件或者截面较大的构件，或者大型复杂金属结构件，因为在成形过程中热量释放不均匀，造成内应力集中，导致金属零件变形甚至开裂等问题；另一方面，增材制造对于表面精度控制不好，表面粗糙度较大，后续还需要切削加工来完成加工。

而机加工属于“减材加工”，机加工去掉表面材料，使得表面粗糙度得以改善。同时，采用精度较高的机床进行加工，即可直接加工出所需构件，可以构件的保证了尺寸精度，同时，机加工可以释放残余应力，解决成形大型构件的基本问题；但是对于复杂结构件，或者尺寸较长的柱状或筒状，内壁的机加工基本难以实现。例如，机加工车床加工最大尺寸为480mm，成形件如果尺寸较长(>480mm)，尤其是筒状结构，一次增材制造后对其内表面进行的机加工十分困难。

可见，机加工与增材制造的优缺点具有很强的互补性；现有技术中，已经有将增材制造和加工进行结合的报道，例如专利CN201510795835.5中，将数控机床与3D打印设备复合到一台机床上，采取沉积一层机加一层的加工方式，但该技术方案存在以下几个方面的问题，第一，难以避免由于切削液未清洗而带来的污染，机加之后直接进行沉积，导致结构件内部有大量杂质，成形件的组织和性能难以保证；第二，对于大型构件，沉积一层机加一层，将大大降低生产效率和成本，基本难以实现；第三，对于复杂结构件，例如内部镂空的结构，采用增材一层沉积一层的方式难以保证成形件的精度。即上述专利申请公开的方案限于小型零件的堆焊加工，而不适宜大型复杂金属构件的制造。

对于大型复杂金属构件，如何实现增材制造和机加工的有机结合，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，该工艺将大型结构件按照一定的标准(构件的形状、尺寸或易于产生应力集中的位置)进行划分，分块进行“增材+机加”再组合的方式，一方面避免了复杂结构件以及尺寸较长的筒状结构件内壁后续机加工的困难，实现大型金属复杂构件的成型加工；另一方面，分块机加再清洗再组合，避免了污染，保证了成形件组织均匀性，同时也保证了成形件具备良好的力学性能；第三方面降低了成形过程中内应力集中的问题，避免了金属零件的变形和开裂。

为实现上述目的，本发明采用的第一种技术方案如下：

一种大型复杂金属构件增材及机加工联合制备工艺，所述工艺包括如下步骤：