CN107263019A - 用于制造产品的混合制造方法及相应的产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造产品的混合制造方法及一种包括相互接合的第一部分和第二部分的产品。所述产品包括相互接合的第一部分和第二部分，所述方法包括：采用除增材制造方法之外的方法制造所述第一部分；在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位设置加强结构；以及采用增材制造方法在所述加强结构的基础上制造所述第二部分。根据本发明，有利地提高了所述第一部分和第二部分之间的接合强度，从而避免了在接合处可能发生的断裂，提高了产品安全性并延长了产品使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及产品的制造方法及相应的产品，尤其涉及用于制造产品的混合制造方法，以及相应的包括相互接合的第一部分和第二部分的产品。
背景技术
近年来，增材制造技术获得了广泛的关注。增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除/切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。对于形状复杂、难以或不能通过传统制造方法制造的产品而言，增材制造方法具有巨大的优势。最常见的增材制造过程包括：首先，将原材料制成非常小尺寸的颗粒(例如100微米直径的尺寸)；然后，利用这些颗粒通过例如“打印”的增材制造方式制成产品。进而，在结合传统加工方法和增材制造方法各自优点的基础上提出的混合制造方法(HBRID manufacturing)也逐步被认为是一种可能。
然而，在结合传统加工方法和增材制造方的混合制造方法中，存在着接合强度可能不够的问题。在采用传统加工方法加工的部分与采用增材制造方法加工的部分的接合处，由于两部分形成的方法不一样，导致两部分的微观结构不一致，从而导致了两部分之间的接合强度没有采用同一方法制造的产品那么理想。以涡轮的叶轮为例，如果其本体采用传统加工方法进行制造，而叶片由于其特殊的三维叶型要求适于采用增材制造方法进行制造，但是由于在叶轮运转时，其叶片与本体接合处的应力通常非常大，当通过增材制造方法将叶片加工到本体上时，其叶片与本体的接合处可能会存在接合强度不够的问题。
发明内容
本发明的目的是要提出一种混合制造方法，即一种可以克服上述现有技术中的至少一种缺陷的方法，以及一种包括相互接合的第一部分和第二部分的产品，所述产品的第一部分和第二部分之间的接合强度能够得到显著地提高。
为此，根据本发明的第一方面，提供一种用于制造产品的混合制造方法，所述产品包括相互接合的第一部分和第二部分，所述方法包括：
采用除增材制造方法之外的方法制造所述第一部分；
在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位设置加强结构；以及
采用增材制造方法在所述加强结构的基础上制造所述第二部分。
其中，“在所述加强结构的基础上”是指所述第二部分的增材制造过程结合了所述加强结构进行，例如但不限于，当所述加强结构通过增材制造方法被设置在所述第一部分上的凹部中时，采用增材制造方法与所述加强结构一体地形成所述第二部分；当所述加强结构设置为所述第一部分上的加强件时，至少部分地围绕所述加强件采用增材制造方法制造所述第二部分。至少部分地围绕所述加强件意味着加强件可以完全被所述第二部分包覆或一部分从所述第二部分露出。
优选地，所述设置加强结构包括在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位通过除增材制造方法之外的方法形成凹部，以及在所述凹部中采用增材制造方法制造所述加强结构。
优选地，所述制造所述第二部分包括采用增材制造方法与所述加强结构一体地形成所述第二部分。
优选地，所述设置加强结构包括在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位设置加强件。
优选地，所述制造所述第二部分包括至少部分地围绕所述加强件采用增材制造方法制造所述第二部分。
优选地，所述加强件的强度高于所述第二部分的强度。
优选地，所述加强件通过下述任意一种方式设置在所述第一部分上：焊接、增材制造、一体成型或螺纹连接。
优选地，所述方法还包括对采用除增材制造方法之外的方法制造的所述第一部分和采用增材制造方法制造的所述第二部分进行处理的步骤。
优选地，所述增材制造方法选自下述任意一种或多种的组合：直接金属激光烧结法、选择性激光烧结法、电子光束溶解法、选择性激光熔化技术、冷喷涂法或者热喷涂法。
优选地，所述除增材制造方法之外的方法选自下述任意一种或多种的组合：锻造、铸造或者机械加工。
优选地，所述第一部分和所述第二部分由相同材料或者不同材料制成。
并且，根据本发明的第二方面，提供一种包括相互接合的第一部分和第二部分的产品，所述产品根据前述第一方面中任一项所述的用于制造产品的混合制造方法制造。
优选地，所述产品为叶轮，所述第一部分为所述叶轮的本体，所述第二部分为所述叶轮的叶片。
优选地，所述产品为喷嘴，所述第一部分为所述喷嘴的法兰，所述第二部分为所述喷嘴的带有气流通道的主体。
优选地，所述产品为齿轮，所述第一部分为所述齿轮的本体，所述第二部分为所述齿轮的轮齿。
优选地，所述产品为螺杆，所述第一部分为所述螺杆的杆状的主体，所述第二部分为所述螺杆的螺纹。
根据本发明，在采用除增材制造方法之外的方法制造的第一部分上与第二部分接合的部位设置加强结构，并采用增材制造方法在所述加强结构的基础上制造所述第二部分，从而避免了在接合处可能发生的断裂，提高了产品安全性并延长了产品使用寿命。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的叶轮的示意图；以及
图2是根据本发明的另一个优选实施例的叶轮的示意图。
具体实施方式
下面结合示例详细描述本发明的优选实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本发明形成任何限制。
图1是根据本发明的一个优选实施例的叶轮的示意图。如图1所示，叶轮10包括相互接合的本体11和叶片12，其中，本体11上形成有凹部13，叶片12的一部分形成在本体11的凹部13中。实际上，叶轮10中的叶片12通常为多个，为了方便描述，图1中仅示意性地示出了其中的一个叶片12。
为了得到图1所示的叶轮10的结构，首先，采用除增材制造方法之外的方法制造出本体11。其中，前述除增材制造方法之外的方法即传统制造方法，例如包括但不限于：锻造、铸造或者机械加工等。锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。机械加工是指通过一种机械设备对工件的外形尺寸或性能进行改变的方法，其可以包括车、铣、刨、磨等具体加工方式。可以采用传统制造方法中的一种或多种的组合制得本体11。由于叶轮10的本体11的形状比较简单且体积较大，采用传统制造方法制造本体11，有利于提高生产效率和降低生产成本，也便于进行后续的进一步加工和维护等操作。本体11可以采用适当的材料制成，包括具有高强度的材料和能够承受高温的材料。
接下来，在本体11上与叶片12接合的部位通过除增材制造方法之外的方法形成凹部13。应当注意的是，也可以在制造本体11的同时形成凹部13。随后，采用增材制造方法在凹部13中形成加强结构14，并且采用增材制造方法与加强结构14一体地制造叶片12。在该实施例中，叶片12与位于本体11上的凹部13中的加强结构14一体地形成，加强结构14起到叶片根部的作用，由此，相对于例如直接将所述叶片根部接合至所述本体外表面上的现有技术，该实施例中所述叶片根部接合至所述凹部的内表面上，导致所述叶片根部与所述本体之间的接触面积增大了，在承受同等应力的情况下，降低了所述叶片根部和所述本体的接合处单位面积上所受的应力，从而避免了所述叶片根部与所述本体之间的接合处产生断裂。
其中，凹部13可以通过除增材制造方法之外的方法即传统制造方法形成。形成凹部13的具体加工方法可以与制成本体11的具体加工方法相同或不相同。此外，凹部13的形成可以与本体11的制造同时进行，也可以晚于本体11的制造。例如，可以通过诸如铸造的方式在制成本体11的同时形成凹部13，也可以通过诸如铣加工的方式在已经制成的本体11上形成凹部13。所述凹部可以具有各种各样适宜的形状或轮廓，只要有利于增加所述叶片根部与所述本体之间的接触面积即可。优选地，所述凹部的尺寸选择成使得所述叶片位于所述凹部中的一部分相对于所述叶片位于所述凹部之外的部分具有增大的横截面尺寸。所述横截面的方向例如可以平行于所述本体上与所述叶片接合的部位的外表面延伸方向。所述叶片位于所述凹部中的一部分具有相对增大的横截面尺寸的结构，有利于进一步增大所述叶片根部与所述本体之间的接触面的面积，从而进一步避免了所述叶片根部与所述本体之间的接合处产生断裂。
在上述过程中，所述增材制造方法包括任何可以通过逐渐累加的方法制造产品的方法，例如3D打印，还例如包括但不限于：直接金属激光烧结法、选择性激光烧结法、电子光束溶解法、选择性激光熔化技术、冷喷涂法或者热喷涂法等。直接金属激光烧结法和选择性激光烧结法都是利用激光烧结粉末状材料层的选定部位。电子光束溶解法和选择性激光熔化技术都是利用激光熔化粉末状材料层的选定部位。冷喷涂法包括将粉末状材料喷射在一个表面上，并且粉末状材料在撞击到所述表面时产生塑性变形。热喷涂法包括喷射熔化的或加热的粉末状材料到一个表面上。可以采用增材制造方法中的一种或多种的组合制得叶片12。由于叶片12的形状或轮廓通常比较复杂，采用增材制造方法来制造叶片12，可以使得所述叶片的设计更具有灵活性。之前通过传统制造方法难以实现或者根本无法实现的叶片形状或轮廓，现在都可以利用增材制造方法予以实现。因此，就具有复杂形状或轮廓的叶片而言，与传统制造方法相比，利用增材制造方法制造该叶片反而更快捷，成本也更低。叶片12可以采用与本体11相同或不同的材料制成。优选地，基于不同工作条件的需要，叶片12选用的材料可以不同于制成本体11的材料，例如，本体11可以采用具有高强度的材料制成，同时叶片12可以采用能够承受高温的另一种材料制成。
图2是根据本发明的另一个优选实施例的叶轮的示意图。如图2所示，叶轮50包括相互接合的本体51和叶片52。类似地，叶轮50中的叶片52实际上通常为多个，为了方便描述，图2中仅示意性地示出了其中的一个叶片52。参照图2，叶轮50还包括设置在本体51上并被叶片52包围或围绕的加强筋53。
为了得到图2所示的叶轮50的结构，首先，采用除增材制造方法之外的方法制造出本体51。该步骤可以与前述优选实施例相同，故此处不再赘述。接下来，在本体51上与叶片52接合的部位设置加强筋53，以便围绕所述加强筋采用增材制造方法制造所述叶片。在该实施例中，所述加强筋构成了叶轮10中的加强结构。由此，相对于例如直接将所述叶片根部接合至所述本体外表面上的现有技术，该实施例中所述加强筋与所述叶片的内部之间具有一定面积的接触面，故所述叶片例如受离心力或者扭矩的作用时引起的大部分应力会首先作用在所述加强筋上，然后再通过所述加强筋把部分应力传递到所述本体上，在承受同等的离心力或者扭矩的情况下，降低了所述叶片根部和所述本体的接合处单位面积上所受的应力，从而避免了所述叶片根部与所述本体之间的接合处产生断裂。优选地，选择加强筋53的材料，使得加强筋53的强度高于叶片52的强度，即加强筋材料的抗变形能力高于叶片材料，从而进一步避免了所述叶片根部与所述本体之间的接合处产生断裂。
加强筋53可以通过各种各样适宜的方式设置在本体51上，例如包括但不限于：焊接、增材制造、一体成型或螺纹连接等。优选地，加强筋材料的强度高于叶片材料的强度，并且加强筋材料具备与本体材料和叶片材料之间的良好结合性能。例如，当通过焊接的方法或者通过增材制造的方法将加强筋53设置在本体51上时，若叶片52的材料为碳素钢(例如Q345)，则加强筋53的材料可以选择为合金钢(例如铁基合金、26NiCrMo14-5或者IN718)，本体51的材料可以与叶片52一致或选择具有更低强度的材料。又例如，当加强筋53直接与本体51一起加工出来时，加强筋53的材料与本体51的材料一致，而叶片52的材料可以选择比本体51的材料低一些等级，比如强度相对较低的材料。加强筋53的形状或结构不限于图2所示，可以是各种适宜的形状或结构，只要是能够作为加强结构使用的加强件即可。
在前述两个优选实施例中，所述混合制造方法还可以包括对采用除增材制造方法之外的方法制造的所述本体和采用增材制造方法制造的所述叶片进行处理的步骤，例如包括但不限于：热处理、硬化处理、表面精整、表面抛光或涂层等，以使最终得到的产品具有期望的材料特性和外形。
此外，虽然在前述两个优选实施例中以叶轮为例进行了描述，但是所述混合制造方法涉及的产品并不限于叶轮，而是可以针对所有包括相互接合的第一部分和第二部分的产品。所述第一部分和所述第一部分可以是构成所述产品的零部件，但并不限于所述产品的零部件，也可以是所述产品上的不同局部，尤其是具有不同形状或轮廓特征的不同局部。例如，所述产品可以是比如用在飞机发动机中的喷嘴，所述喷嘴的主体带有复杂的气流通道，故适于通过增材制造方法制成，所述喷嘴的法兰作为标准部件具有简单的外形，故适于通过传统制造方法制成。又例如，所述产品可以是齿轮，所述齿轮的本体具有简单的外形且体积较大，故适于通过传统制造方法制成，所述齿轮的轮齿的结构较为复杂多变，故适于通过增材制造方法制成。再例如，所述产品可以是用于螺杆泵的螺杆，其中杆状的主体适于通过传统制造方法制成，所述螺杆的螺纹结构较为复杂，故适于通过增材制造方法制成。
综上所述，根据本发明，在采用除增材制造方法之外的方法制造的第一部分上与第二部分接合的部位设置加强结构，并采用增材制造方法在所述加强结构的基础上制造所述第二部分，有利地提高了所述第一部分和第二部分之间的接合强度，从而避免了在接合处可能发生的断裂，提高了产品安全性并延长了产品使用寿命。
以上结合具体实施例对本发明进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本发明的限制。例如，增材制造方法和传统制造方法并不限于其中所例举的方法。另外，尽管在优选实施例中以叶轮等为例进行了说明，应理解的是本发明也适用于其它包括相互接合的第一部分和第二部分的产品。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本发明的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本发明的范围。
Claims (11)
1.一种用于制造产品的混合制造方法，所述产品包括相互接合的第一部分和第二部分，所述方法包括：
采用除增材制造方法之外的方法制造所述第一部分；
在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位设置加强结构；以及
采用增材制造方法在所述加强结构的基础上制造所述第二部分。
2.根据权利要求1所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述设置加强结构包括在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位通过除增材制造方法之外的方法形成凹部，以及在所述凹部中采用增材制造方法形成所述加强结构。
3.根据权利要求2所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述制造所述第二部分包括采用增材制造方法与所述加强结构一体地形成所述第二部分。
4.根据权利要求1所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述设置加强结构包括在所述第一部分上与所述第二部分接合的部位设置加强件。
5.根据权利要求4所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述制造所述第二部分包括至少部分地围绕所述加强件采用增材制造方法制造所述第二部分。
6.根据权利要求4所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述加强件的强度高于所述第二部分的强度。
7.根据权利要求4所述的用于制造产品的混合制造方法，其特征在于，所述加强件通过下述任意一种方式设置在所述第一部分上：焊接、增材制造、一体成型或螺纹连接。
8.一种包括相互接合的第一部分和第二部分的产品，其特征在于，所述产品根据权利要求1至7中任一项所述的用于制造产品的混合制造方法制造。
9.根据权利要求8所述的产品，其特征在于，所述产品为叶轮，所述第一部分为所述叶轮的本体，所述第二部分为所述叶轮的叶片。
10.根据权利要求8所述的产品，其特征在于，所述产品为喷嘴，所述第一部分为所述喷嘴的法兰，所述第二部分为所述喷嘴的带有气流通道的主体。
11.根据权利要求8所述的产品，其特征在于，所述产品为齿轮，所述第一部分为所述齿轮的本体，所述第二部分为所述齿轮的轮齿。
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