本發(fā)明屬于增材制造，尤其涉及一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法。

背景技術(shù)：

1、增材制造是近年來(lái)快速發(fā)展的一種制造技術(shù)，其以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)分層切片、路徑規(guī)劃等方式得到加工程序，采用逐層增加材料的方式直接成形結(jié)構(gòu)件，具有無(wú)需模具、效率高、研制成本低等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在航空航天等高端制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2、隨著高端制造技術(shù)發(fā)展，艙段零件的結(jié)構(gòu)形式愈加復(fù)雜、壁厚愈來(lái)愈薄。傳統(tǒng)艙段結(jié)構(gòu)多為封閉的圓形、方形、多邊形艙體，其截面呈封閉形狀，結(jié)構(gòu)形狀在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)相對(duì)穩(wěn)定。然而，為滿足一些裝配、使用工況的需求，一些新型艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分體的開(kāi)敞式艙段，通過(guò)分別分體制造后再進(jìn)行組裝。典型開(kāi)敞式薄壁艙體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外形至少有2個(gè)方向開(kāi)敞，壁厚x一般≤3mm。這種分體的開(kāi)敞式薄壁艙段往往存在壁厚薄、特征多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，且在實(shí)際使用中形面精度要求高。為滿足快速研制的需求，新型開(kāi)敞式薄壁艙段可選用增材制造的方式成形。然而，由于增材制造過(guò)程具有逐層累計(jì)熱應(yīng)力，對(duì)于開(kāi)敞式薄壁結(jié)構(gòu)極易造成大變形甚至開(kāi)裂。

3、在增材制造艙段產(chǎn)品的變形控制中，可采用肋板及點(diǎn)陣維形、預(yù)反變形、熱校形等方式，提高其形面精度。肋板及點(diǎn)陣維形、預(yù)反變形的方法對(duì)于規(guī)則、封閉式的艙段可以起較好控形效果，但是開(kāi)敞式薄壁艙段變形趨勢(shì)極大，只采用肋板、點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)控形效果不佳，且大變形下也難以采取預(yù)反變形。同時(shí)開(kāi)敞式薄壁艙段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低，不僅在增材過(guò)程將產(chǎn)生大變形，在隨后的熱處理、去支撐等環(huán)節(jié)中，都將產(chǎn)生難以預(yù)判的變形，因此傳統(tǒng)肋板及點(diǎn)陣維形、預(yù)反變形方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)此類(lèi)結(jié)構(gòu)件高精度制造。熱校形的方法理論上雖然能夠提高艙段的形面精度，但是研制對(duì)應(yīng)的校形工裝，時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高，一般無(wú)法滿足研制使用需求。因此，針對(duì)開(kāi)敞式薄壁艙段結(jié)構(gòu)，尚無(wú)有效的高精度增材制造方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法。將開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定封閉式結(jié)構(gòu)，并借助夾層設(shè)計(jì)，將弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成剛性較好的夾層結(jié)構(gòu)。使得結(jié)構(gòu)剛性顯著提高，增材、熱處理過(guò)程開(kāi)裂、變形風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，包括如下步驟：

4、步驟一、將增材制造模型選定增材方向?yàn)橐蚤_(kāi)敞式結(jié)構(gòu)的中間部位為底，對(duì)該底面部位做網(wǎng)格狀的強(qiáng)約束，形成的底面網(wǎng)格作為底支撐；

5、步驟二、對(duì)開(kāi)敞的兩端面進(jìn)行封閉，封閉后開(kāi)敞式艙段轉(zhuǎn)化為近封閉的艙段；

6、步驟三、對(duì)兩側(cè)薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨形夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)，將剛性較弱的兩側(cè)壁轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的夾層結(jié)構(gòu)；

7、步驟四、對(duì)四角設(shè)計(jì)延長(zhǎng)支撐肋板；

8、步驟五、將步驟一的底面網(wǎng)格、步驟二的封閉結(jié)構(gòu)、步驟三的隨形夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)、步驟四的延長(zhǎng)支撐肋板設(shè)計(jì)為可增材自成形的鏤空結(jié)構(gòu)；

9、步驟六：對(duì)設(shè)計(jì)好的增材制造模型添加增材懸空面支撐，添加完成后進(jìn)行增材制造成形；

10、步驟七：增材制造成形完成后根據(jù)使用需求進(jìn)行去應(yīng)力退火，之后沿產(chǎn)品外輪廓隨形切割掉底部網(wǎng)格、兩個(gè)隨形夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)、四角延長(zhǎng)支撐肋板；最后去除殘余支撐結(jié)構(gòu)，得到高精度的增材制造開(kāi)敞式薄壁艙段產(chǎn)品。

11、優(yōu)選的，步驟一中，底面網(wǎng)格主體壁厚為增材制造模型中間部位壁厚的(2～4)倍，與增材制造模型連接部位減薄為模型中間部位壁厚的(0.5～1)倍。

12、優(yōu)選的，步驟二中，對(duì)開(kāi)敞的兩端面進(jìn)行封閉時(shí)，若采用封板封閉，則封板的厚度為增材制造模型主體壁厚的(3～5)倍；若采用點(diǎn)陣封閉，則點(diǎn)陣整體厚度為兩端面距離的(0.1～0.2)倍。

13、優(yōu)選的，步驟三中，隨形夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)包括三部分，隨形的外層板，內(nèi)側(cè)與模型表面垂直的夾心肋板、內(nèi)部填充夾心結(jié)構(gòu)；隨形的外層板為形狀與兩側(cè)薄壁外形隨形、且落在增材基板上的板狀結(jié)構(gòu)；夾心肋板為均勻分布在兩側(cè)薄壁上且與薄壁表面呈法向角度，連接模型側(cè)壁與隨形的外層板；內(nèi)部填充夾心結(jié)構(gòu)為點(diǎn)陣或網(wǎng)格形肋板。

14、優(yōu)選的，步驟四中，四角延長(zhǎng)支撐肋板的高度與所在位置模型高度一致，末端設(shè)計(jì)方形或圓形實(shí)體柱。

15、優(yōu)選的，步驟五中，自成形的鏤空結(jié)構(gòu)形式為圓形或菱形。

16、優(yōu)選的，所述增材制造方法適用于任意合金材料的橢形零件增材制造。

17、優(yōu)選的，所述增材制造方法適用于各類(lèi)增材工藝的開(kāi)敞式薄壁艙段高精度增材制造。

18、優(yōu)選的，所述增材工藝包括激光選區(qū)熔化、電子束選區(qū)熔化、光固化、直接能量沉積工藝。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

20、(1)本發(fā)明基于開(kāi)敞式薄壁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)一種維形支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定封閉式結(jié)構(gòu)，并借助夾層設(shè)計(jì)，將弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成剛性較好的夾層結(jié)構(gòu)。使得結(jié)構(gòu)剛性顯著提高，增材、熱處理過(guò)程開(kāi)裂、變形風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

21、(2)本發(fā)明所使用的封板、夾心肋板等結(jié)構(gòu)可以和零件本體一體化增材制造，無(wú)需再額外制作校形、維形工裝，即可達(dá)到較好的形面精度控制效果。

22、(3)本發(fā)明使用的端面封板除了在增材制造工序中具有控形作用外，還可在后續(xù)熱處理、機(jī)加工過(guò)程中發(fā)揮控形作用，可減少后續(xù)加工過(guò)程工裝的使用，同時(shí)保障最終交付產(chǎn)品的形面精度。

23、(4)本發(fā)明的主體夾層維形支撐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，可采用切割類(lèi)加工方法快速去除，保障了去支撐環(huán)節(jié)的工作效率。同時(shí)，本發(fā)明考慮到實(shí)際生產(chǎn)中降本增效的需求，在實(shí)現(xiàn)提高制造剛性效果的前提下，對(duì)底部網(wǎng)格、肋板等支撐結(jié)構(gòu)做鏤空處理，在保障成形產(chǎn)品高精度形面水平的同時(shí)，減少成本投入。

技術(shù)特征：

1.一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，步驟一中，底面網(wǎng)格主體壁厚為增材制造模型中間部位壁厚的(2～4)倍，與增材制造模型連接部位減薄為模型中間部位壁厚的(0.5～1)倍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，步驟二中，對(duì)開(kāi)敞的兩端面進(jìn)行封閉時(shí)，若采用封板封閉，則封板的厚度為增材制造模型主體壁厚的(3～5)倍；若采用點(diǎn)陣封閉，則點(diǎn)陣整體厚度為兩端面距離的(0.1～0.2)倍。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，步驟三中，隨形夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)包括三部分，隨形的外層板，內(nèi)側(cè)與模型表面垂直的夾心肋板、內(nèi)部填充夾心結(jié)構(gòu)；隨形的外層板為形狀與兩側(cè)薄壁外形隨形、且落在增材基板上的板狀結(jié)構(gòu)；夾心肋板為均勻分布在兩側(cè)薄壁上且與薄壁表面呈法向角度，連接模型側(cè)壁與隨形的外層板；內(nèi)部填充夾心結(jié)構(gòu)為點(diǎn)陣或網(wǎng)格形肋板。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，步驟四中，四角延長(zhǎng)支撐肋板的高度與所在位置模型高度一致，末端設(shè)計(jì)方形或圓形實(shí)體柱。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，步驟五中，自成形的鏤空結(jié)構(gòu)形式為圓形或菱形。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法適用于任意合金材料的橢形零件增材制造。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法適用于各類(lèi)增材工藝的開(kāi)敞式薄壁艙段高精度增材制造。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，其特征在于，所述增材工藝包括激光選區(qū)熔化、電子束選區(qū)熔化、光固化、直接能量沉積工藝。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種開(kāi)敞式薄壁艙段的高精度增材制造方法，屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域。該方法將增材制造方向設(shè)置為以開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)的中間部位為底，并做網(wǎng)格狀的強(qiáng)約束；對(duì)開(kāi)敞的兩端面進(jìn)行封閉，將開(kāi)敞式艙段轉(zhuǎn)化為近封閉的艙段；對(duì)兩側(cè)薄壁結(jié)構(gòu)隨形設(shè)計(jì)夾層狀維形支撐結(jié)構(gòu)，將剛性較弱的兩側(cè)壁轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的夾層結(jié)構(gòu)；對(duì)四角設(shè)計(jì)延長(zhǎng)支撐肋板。上述維形結(jié)構(gòu)在去應(yīng)力熱處理后去除，最終得到高精度的增材制造開(kāi)敞式薄壁艙段產(chǎn)品。本發(fā)明將開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定封閉式結(jié)構(gòu)，并借助夾層設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)大大降低，無(wú)需再額外制作校形工裝；對(duì)底部網(wǎng)格、肋板等支撐結(jié)構(gòu)做鏤空處理，在保障成形產(chǎn)品高精度形面水平的同時(shí)，減少成本投入。

技術(shù)研發(fā)人員：蘇江舟,車(chē)?yán)?王翼猛,王志敏,韓維群,楊鋮,趙文正,張鈺琪,何智,李鵬,張鐵軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航星機(jī)器制造有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6