CN107866569A - 一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造领域，特别涉及一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，包括以下步骤：1)制作电极模型，并得到stl格式的文件；2)利用与成形设备匹配的软件完成对stl文件的分层切片、支撑设计、打印路径规划以后，将得到的文件导入成形设备；3)调整成形设备，使其满足成形要求；4)成形纯铜工具电极；5)对成形件进行打磨、抛光后处理。本发明的方法无需使用数控加工中心，缩短了加工周期，提高了生产效率，同时能够保证型腔的成形精度；提高了材料利用率，降低了生产成本，支持个性化定制。

Description

一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及利用激光选区熔化技术来制备用于电火花型腔加工的纯铜工具电极的方法。
背景技术
电火花加工中，工具电极是非常重要的一项因素。电火花成形加工时，很大一部分成本和时间花在了电极的制造上。选择正确的电极材料和电极的制备方法对于提高电火花加工的质量、生产率和降低加工成本至关重要。
我国工具电极的制造主要是依靠国外进口的加工中心，设备昂贵，流程复杂、加工周期长；而且，有时候为了保证加工精度，需要制备多个工具电极，可能需要多台加工中心，增加了制造成本。
由于电火花成形加工的应用范围不断扩大，对工具电极的制造方法也提出了更高的要求。目前，制造工具电极使用的材料及其加工方法主要有：石墨高速铣削和研磨、聚合物复合材料模压、金属材料粉末冶金等。基于增材制造技术的电极制备方法是近年来发展起来的一种新技术，主要有通过快速原型技术得到电极芯模，再经过电铸、喷涂等后处理得到工具电极的间接法和利用快速原型技术直接制造出工具电极原型件的直接法。
纯铜是制备工具电极最常用的原材料之一，但是由于其具有高熔点、低激光吸收率和很强的导热性等特点，极少有学者对纯铜粉末进行激光选区熔化实验。激光选区熔化技术是增材制造技术的一种，是基于激光器技术的发展在选择性激光烧结技术的基础上发展起来的，由于激光选区熔化设备采用了大功率激光器，具有更高的成形效率，更广泛的材料选择范围，激光选区熔化技术已成为增材制造技术领域中成形金属零件的重要方法之一。
发明内容
针对上述现有技术的发展现状，本发明提供一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，该方法无需使用数控加工中心，缩短了加工周期，提高了生产效率，同时能够保证型腔的成形精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，包括以下步骤：
1)制作电极模型，并得到stl格式的文件；
2)利用与成形设备匹配的软件完成对stl文件的分层切片、支撑设计、打印路径规划以后，将得到的文件导入成形设备；
3)调整成形设备，使其满足成形要求；
4)成形纯铜工具电极；
5)将成形的电极从基板取下后，对成形件进行打磨、抛光后处理。
本技术方案的进一步优化，所述步骤1)制作电极模型的方法包括以下两种：
a、利用三维扫描设备获得工具电极的点云数据，然后利用逆向工程软件处理后得到电极模型；
b、利用三维软件直接制作工具电极模型。
本技术方案的进一步优化，所述三维扫描设备为工业级三维扫描仪、三坐标测量机；所述三维软件为Pro/E、SolidWorks、UG，所述逆向工程软件为Geomagic Studio。
本技术方案的进一步优化，所述步骤2)将stl文件分层切片、设计支撑、规划打印路径的软件为magics、BuildProcess。
本技术方案的进一步优化，所述步骤3)调整成形设备包括清洗成型仓内部粉末颗粒和气体、调整打印机基板位置、降低成形仓氧含量。
本技术方案的进一步优化，所述步骤4)成形纯铜工具电极的具体操作为向成型设备加入纯铜粉末后开始制作工具电极，制作时只对成形件上表面进行重熔，重熔次数为2次。
本技术方案的进一步优化，所述成型设备为激光选区熔化设备。
本技术方案的进一步优化，所述激光选区熔化设备选用激光器最大额定功率为500W，所述激光选区熔化设备采用如下控制参数：
激光功率：P＝400W；
扫描速度：v1＝600mm/s；
扫描间距：s＝0.06mm；
分层厚度：h＝0.05mm；
扫描路径：正交形；
层错角度：α＝67°；
光斑直径：D＝0.1mm；
铺粉速度：v2在40～200mm/s之间。
本技术方案的进一步优化，所述激光选区熔化设备的激光选区熔化用的材料为平均粒径为35um的纯铜粉末；激光选区熔化设备的基板要求为上表面平面度达到0.03mm，上下表面平行度达到0.02mm的钛合金板；激光选区熔化设备的刮刀类型为毛刷刮刀。
本技术方案的进一步优化，所述激光选区熔化设备成形仓的参数控制为：打印前将基板预热到80°，打印过程中成形仓内氧含量要求低于1％，成形仓压力保持在3.5KPa左右，打印时用纯度超过99.99％氩气保护。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的方法无需使用数控加工中心，缩短了加工周期，提高了生产效率，同时能够保证型腔的成形精度。
(2)本发明的方法可以一次成形多个零件，成形过程减少了大量工序，可以直接成形最终产品，缩短了加工周期；
(3)本发明相较于传统的减材制造方法(车、铣、刨、磨、钻等)，加工过程不需要去除多余材料，提高了材料利用率，降低了生产成本；
(4)对本发明成形件的形状特征没有要求，可以加工任意形状的零件，支持个性化定制。
附图说明
图1为激光选区熔化工艺原理图；
图2为扫描路径示意图；
图3为本发明的工艺流程图。
其中，图1中a-模型制作；b-铺粉；c-激光烧结；d-工作台下降；e-再铺粉；f-再烧结；g-重复上述过程。
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，包括以下步骤：
1)制作电极模型，并得到stl格式的文件；所述制作电极模型的方法包括以下两种：a、利用三维扫描设备获得工具电极的点云数据，然后利用逆向工程软件处理后得到电极模型；b、利用三维软件直接制作工具电极模型。所述三维扫描设备为工业级三维扫描仪、三坐标测量机；所述三维软件为Pro/E、SolidWorks、UG，所述逆向工程软件为GeomagicStudio。
2)利用与成形设备匹配的软件完成对stl文件的分层切片、支撑设计、打印路径规划以后，将得到的文件导入成形设备；将stl文件分层切片、设计支撑、规划打印路径的软件为magics、BuildProcess。
3)调整成形设备，使其满足成形要求；调整成形设备包括清洗成型仓内部粉末颗粒和气体、调整打印机基板位置、降低成形仓氧含量。
4)制备电极，成形纯铜工具电极，具体操作为向成型设备加入纯铜粉末后开始制作工具电极，制作时只对成形件上表面进行重熔，重熔次数为2次。
5)将成形的电极从基板取下后，对成形件进行打磨、抛光后处理。
所述成型设备为激光选区熔化设备。所述激光选区熔化设备选用激光器最大额定功率为500W，所述激光选区熔化设备采用如下控制参数：
激光功率：P＝400W；
扫描速度：v1＝600mm/s；
扫描间距：s＝0.06mm；
分层厚度：h＝0.05mm；
扫描路径：正交形；
层错角度：α＝67°；
光斑直径：D＝0.1mm；
铺粉速度：v2在40～200mm/s之间。
所述激光选区熔化设备的激光选区熔化用的材料为平均粒径为35um的纯铜粉末；激光选区熔化设备的基板要求为上表面平面度达到0.03mm，上下表面平行度达到0.02mm的钛合金板；激光选区熔化设备的刮刀类型为毛刷刮刀。
所述激光选区熔化设备成形仓的参数控制为：：打印前将基板预热到80°，打印过程中成形仓内氧含量要求低于1％，成形仓压力保持在3.5KPa左右，打印时用纯度超过99.99％氩气保护。
实施例2
一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，包括以下步骤：
1)模型建立及数据处理：
a、利用三维扫描设备获得工具电极的点云模型，然后利用Geomagic Studio进行优化、编辑，建立数字模型，或者利用Pro/E等软件直接制作电极的三维模型；
b、将得到的三维模型保存为stl格式。将文件存为stl格式时，尽可能选择高质量以降低成形过程中的数据误差，stl格式是利用三角面片近似表示模型表面，也是增材制造技术的标准文件类型；
c、将stl文件导入magics软件进行支撑设计，得到magic文件。对外伸长度超过1mm的悬臂结构、直径大于等于8mm的孔类机构和与基板夹角大于40°的倾斜结构都需要建立支撑。对腿部结构主要用直支撑，悬臂结构用斜支撑，孤立结构用十字支撑，大面积结构用腹板支撑；
d、将得到的文件导入Build Process进行分层切片、打印路径规划等，得到xml文件。分层时层厚设定为0.05mm，打印路径选择正交形，对上表面重熔次数设定为2次。设置完成后将得到的xml文件导入成形设备。
2)调整成形设备：
a、使用前清理干净工作平台、落粉器和基板，并用酒精擦拭成形仓四壁直至干净无尘，然后用擦拭镜头专用纸蘸酒精擦拭激光器场镜；
b、安装基板。用紧固螺钉固定，力矩设定为14N·m，将成形仓温度加热至80°；
c、安装好基板后，调整刮刀与基板之间的距离。调整工作台宽度，用塞规测量基板与刮刀之间的距离，保证最大距离不超过0.1mm；
d、清洗成形设备气体。安装好通气管道，关闭成形仓门，向成形设备充入氩气，检查气体压力，直到含量氧含量低于0.06％，成形仓压力约为3.5KPa时，才可以开始工作。
3)制备电极。准备工作完成以后，向成型设备加入纯铜粉末后开始制作工具电极。
整个成形过程须在氩气保护下进行，激光冷却器中的循环水温度约为24°。
成形过程采用如下的控制参数：
激光功率：P＝400W；
扫描速度：v1＝600mm/s；
扫描间距：s＝0.06mm；
分层厚度：h＝0.05mm；
扫描路径：正交形；
层错角度：α＝67°；
光斑直径：D＝0.1mm；
铺粉速度：v2在40～200mm/s之间。
4)成形完成后用线切割机床将工具电极从基板上取下，对其进行打磨、抛光。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制作电极模型，并得到stl格式的文件；
2)利用与成形设备匹配的软件完成对stl文件的分层切片、支撑设计、打印路径规划以后，将得到的文件导入成形设备；
3)调整成形设备，使其满足成形要求；
4)成形纯铜工具电极；
5)将成形的电极从基板取下后，对成形件进行打磨、抛光后处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述步骤1)制作电极模型的方法包括以下两种：
a、利用三维扫描设备获得工具电极的点云数据，然后利用逆向工程软件处理后得到电极模型；
b、利用三维软件直接制作工具电极模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述三维扫描设备为工业级三维扫描仪、三坐标测量机；所述三维软件为Pro/E、SolidWorks、UG，所述逆向工程软件为Geomagic Studio。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述步骤2)将stl文件分层切片、设计支撑、规划打印路径的软件为magics、BuildProcess。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述步骤3)调整成形设备包括清洗成型仓内部粉末颗粒和气体、调整打印机基板位置、降低成形仓氧含量。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述步骤4)成形纯铜工具电极的具体操作为向成型设备加入纯铜粉末后开始制作工具电极，制作时只对成形件上表面进行重熔，重熔次数为2次。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述成型设备为激光选区熔化设备。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述激光选区熔化设备选用激光器最大额定功率为500W，所述激光选区熔化设备采用如下控制参数：
激光功率：P＝400W；
扫描速度：v1＝600mm/s；
扫描间距：s＝0.06mm；
分层厚度：h＝0.05mm；
扫描路径：正交形；
层错角度：α＝67°；
光斑直径：D＝0.1mm；
铺粉速度：v2在40～200mm/s之间。
9.根据权利要求7所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述激光选区熔化设备的激光选区熔化用的材料为平均粒径为35um的纯铜粉末；激光选区熔化设备的基板要求为上表面平面度达到0.03mm，上下表面平行度达到0.02mm的钛合金板；激光选区熔化设备的刮刀类型为毛刷刮刀。
10.根据权利要求7所述的一种基于激光选区熔化技术制备纯铜工具电极的方法，其特征在于，所述激光选区熔化设备成形仓的参数控制为：打印前将基板预热到80°，打印过程中成形仓内氧含量要求低于1％，成形仓压力保持在3.5KPa左右，打印时用纯度超过99.99％氩气保护。
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