阅读说明：本技术 叠层实体电火花熔融成形方法 (Electric spark melting forming method for laminated solid ) 是由 杨晓冬 段晓明 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：叠层实体电火花熔融成形方法,属于增材制造领域。解决了现有的金属增材制造技术所成形的金属构件力学性能与精度无法兼顾的问题。首先,对所有层待熔融的片状形材进行预切割处理,调节工具电极与当前加工层片状形材间存在间距；对当前加工层的片状形材进行加热,使当前加工层的片状形材表面均匀的产生多个相互重叠的熔池,从而使当前加工层的片状形材与其下层的片状形材熔凝成形为一体；在当前加工层的片状形材上增加一层片状形材,重复上述熔融成形过程,直至堆叠的任意相邻两层的片状形材均熔凝成形为一体,从而完成对待加工成形的金属构件的加工。本发明主要用于对金属片状形材通过叠层制造的成形工艺对金属构件进行加工。(An electric spark melting forming method for a laminated entity belongs to the field of additive manufacturing. The problem that mechanical property and precision of a metal component formed by the existing metal additive manufacturing technology cannot be considered at the same time is solved. Firstly, pre-cutting all layers of sheet-shaped materials to be melted, and adjusting the distance between a tool electrode and the currently processed sheet-shaped materials; heating the sheet-shaped material of the current processing layer to enable the surface of the sheet-shaped material of the current processing layer to uniformly generate a plurality of mutually overlapped molten pools, so that the sheet-shaped material of the current processing layer and the sheet-shaped material of the lower layer are fused and formed into a whole; adding a layer of sheet-shaped material on the sheet-shaped material of the current processing layer, and repeating the melting forming process until any two adjacent layers of the stacked sheet-shaped materials are fused and formed into a whole, thereby finishing the processing of the metal member to be processed and formed. The invention is mainly used for processing the metal component by the forming process of laminated manufacturing of the metal sheet-shaped material.)

叠层实体电火花熔融成形方法

技术领域

本发明属于增材制造领域。

背景技术

随着工业的进步，以航空航天和医疗器械为代表的高精尖行业对复杂形状零件的精密制造提出了更高的要求。

增材制造是一种通过逐层累积的方式制造零件的加工方法，可以对结构复杂的构件进行高精度近净一体化成形，是对传统减材等材零件制造工艺的重要补充，在航空航天、医疗器械和摸具等工业领域具有很大的应用前景。

金属构件在工业领域有着较为广泛的应用，所以金属增材制造一直是学术界和工业界的重要研究领域。

目前，主要的金属增材制造方法包括激光选区熔化成形、激光工程净成形、电子束增材制造、电弧熔丝增材制造等制造技术，其加工过程是以激光、电子束或电弧为热源，对粉末或丝材进行逐点、逐层熔化成形。

现有金属增材制造技术都有各自的加工优势，但也有各自的局限性，不能兼顾满足工业界对低成本、高尺寸精度和表面质量以及优异力学性能构件的制造需求。这是金属增材制造技术至今不能在工业领域规模化应用的瓶颈问题。

其中，叠层实体快速成型是一种典型的增材制造成形工艺，通过热压机构将具有一定截面形状的片状材料逐层粘结起来，可实现形状复杂构件的成形，具有制件尺寸大、成形效率高、原材料便宜等优势，但是，其制造成形工艺所成形的金属构件同样存在力学性能差的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的金属增材制造技术所成形的金属构件力学性能与精度无法兼顾的问题，本发明提供了一种叠层实体电火花熔融成形方法。

叠层实体电火花熔融成形方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对所有层待熔融的片状形材进行预切割处理，其中，片状形材为箔材或带材；

步骤二、将待成形的片状形材堆叠在操作台上，使工具电极完全覆盖当前加工层片状形材，且工具电极与当前加工层片状形材间存在间距；

步骤三、实时调整工具电极与当前加工层的片状形材间的间距，并在工具电极与当前加工层的片状形材间施加连续的脉冲电压，利用工具电极和当前加工层的片状形材之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿，击穿后产生的火花放电通道作为热源，对当前加工层的片状形材进行加热，使当前加工层的片状形材表面均匀的产生多个相互重叠的熔池，从而使当前加工层的片状形材与其下层的片状形材熔凝成形为一体；

步骤四、在当前加工层的片状形材上增加一层片状形材，重复执行步骤三，直至堆叠的任意相邻两层的片状形材均熔凝成形为一体，从而完成对待加工成形的金属构件的加工。

优选的是，片状形材的材料由单种导电材料、多种导电材料混合、粘结的导电粉末或者导电材料与非导电材料组合的材料制成。

优选的是，步骤三中，连续的脉冲电压由脉冲电源提供，脉冲电源为RC驰张式脉冲电源、独立式晶体管脉冲电源或上述二种电源的组合。

优选的是，步骤一中、对所有层待熔融的片状形材进行预切割处理的具体过程为：

首先，对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，获得每一层切片的二维轮廓数据，并根据每一层切片的二维轮廓数据对所有层待熔融的片状形材切割成相应的形状，从而完成对所有层待熔融的片状形材的预切割处理。

优选的是，步骤三中，通过放电间隙伺服控制系统对工具电极与当前加工层的片状形材之间的间距进行调节。

优选的是，步骤四中，在当前加工层的片状形材上增加一层片状形材通过形材进给系统实现。

优选的是，步骤二中，操作台为升降台。

优选的是，步骤二中，工具电极的放电区域大于或等于当前加工层的片状形材的被加工区域。

本发明带来的有益效果是，本发明公开了一种以片状材料(箔材、带材)作为成形材料，并以工件电极，基于叠层实体制造的方式，利用工具电极和片状材料之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿产生的火花放电通道作为热源，对具有一定截面形状的片状材料进行选择性熔化成形的，在加工的过程中通过逐层增材及逐层熔融的方式，完成对具有不同形状的所有片状材料的熔融，从而加工出兼顾具有高精度和优异金属组织结构的复杂形状金属构件以及其它可加工构件，且本发明方法成本低。

附图说明

图1为本发明所述的叠层实体电火花熔融成形方法的流程图；

图2为在t时刻，实现叠层实体电火花熔融成形方法的装置原理示意图；

图3为图2在t+1时刻，实现叠层实体电火花熔融成形方法的装置的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的1、叠层实体电火花熔融成形方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对所有层待熔融的片状形材2进行预切割处理，其中，片状形材2为箔材或带材；

步骤二、将待成形的片状形材2堆叠在操作台上，使工具电极1完全覆盖当前加工层片状形材2，且工具电极1与当前加工层片状形材2间存在间距；

步骤三、实时调整工具电极1与当前加工层的片状形材2间的间距，并在工具电极1与当前加工层的片状形材2间施加连续的脉冲电压，利用工具电极1和当前加工层的片状形材2之间的绝缘介质在脉冲电压作用下被击穿，击穿后产生的火花放电通道作为热源，对当前加工层的片状形材2进行加热，使当前加工层的片状形材2表面均匀的产生多个相互重叠的熔池7，从而使当前加工层的片状形材2与其下层的片状形材2熔凝成形为一体；

步骤四、在当前加工层的片状形材2上增加一层片状形材2，重复执行步骤三，直至堆叠的任意相邻两层的片状形材2均熔凝成形为一体，从而完成对待加工成形的金属构件的加工。

具体操作过程中，工具电极1与片状形材2间不接触，始终保持合适的间隙，在工具电极1与片状形材2之间施加一定幅值和频率的脉冲电压，当该电压达到工具电极1与片状形材2之间的绝缘介质的绝缘强度时，产生放电通道也称为等离子体通道，放电通道可作为片状形材2熔凝连接的热量来源，单次放电时放电通道作用在片状形材2上会形成一个微小的熔池，连续的脉冲放电则会在片状成形材料上产生均匀分布在整个成形区域的无数个相互重叠的熔池，从而实现当前加工层材料和位于其下方的一层材料的冶金结合，如此往复对所有层片状形材2进行加工，完成对形状任意复杂的金属构件致密近净成形。

本发明可以通过调节工艺参数来控制加工速度和构件成形质量，通过改变单脉冲放电能量、脉冲形状、放电频率和占空比和片状材料层厚等工艺参数，以满足不同材料的不同熔融成形需求。

每层加工层可由一片或多片片状形材构成。

图2和图3中，给出了不同时刻条件下，工具电极1的放电情况。

进一步的，片状形材2的材料由单种导电材料、多种导电材料混合、粘结的导电粉末或者导电材料与非导电材料组合的材料制成，从而实现梯度功能材料构件的制造。

进一步的，步骤三中，连续的脉冲电压由脉冲电源3提供，脉冲电源3为RC驰张式脉冲电源、独立式晶体管脉冲电源或上述二种电源的组合。

具体应用时，工具电极1和堆叠的片状形材2分别被连接到脉冲电源3的正、负两极，在成形过程中当前被成形的片状形材2被当作为工件电极，从而实现极间脉冲放电熔融成形。

进一步的，步骤一中、对所有层待熔融的片状形材2进行预切割处理的具体过程为：

首先，对待加工成形的金属构件的三维结构进行二维离散化处理，获得每一层切片的二维轮廓数据，并根据每一层切片的二维轮廓数据对所有层待熔融的片状形材2切割成相应的形状，从而完成对所有层待熔融的片状形材2的预切割处理。

进一步的，步骤三中，通过放电间隙伺服控制系统4对工具电极1与当前加工层的片状形材2之间的间距进行调节。

进一步的，步骤四中，在当前加工层的片状形材2上增加一层片状形材2通过形材进给系统5实现。

进一步的，步骤二中，操作台为升降台6。

应用时，完成当前被成形层成形后，升降台6下降一个层厚，再一次进给所需材料至工具电极1下方。

进一步的，步骤二中，工具电极1的放电区域大于或等于当前加工层的片状形材2的被加工区域。

具体应用时，工具电极1具有一定的截面尺寸，工具电极1的放电区域大于或等于当前加工层的片状形材2的被加工区域，并使片状形材2被工具电极1完全覆盖并保持适宜的间距，通过一定时间连续的脉冲放电，可以实现当前被加工片状成形材料全部被均匀放电熔融，从而完成当前加工层和前一层的熔凝成形。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。