本發明涉及一種金屬零件修復方法，特別是涉及一種基于增減材制造的金屬零件修復方法。
背景技術：
隨著航天技術發展和空間站建造速度提升，需要提高火箭運載能力,新一代大推力液氧煤油火箭發動機是整個火箭制造的核心部件，渦輪泵葉盤是其中的關鍵件。渦輪泵葉盤的工作環境極其惡劣，加之其傳統的加工方法通常采用精鑄成型結合手動拋光，加工效率低、表面質量一致性較差，在服役過程中產生裂紋、磨損和蝕坑，從而產生非常嚴重的事故。零件修復工作尤其在航空領域有重要意義。
在增材制造中，電子束熔絲沉積快速制造技術是一種典型的金屬構件高能束快速制造技術，相比于其他高能束快速制造技術，具有制造效率高、真空環境有利于零件保護、內部質量好和可實現多功能加工等優勢。
文獻1“申請公布號是cn105499904的中國發明專利”公開了一種基于激光熔覆修復的增減材制造裝置及其方法，先進的激光熔覆技術的受人工和環境的影響比較大，其通常采用整層切削磨損面加工的辦法，大大浪費材料，且容易引起熱量的積累，從而導致裂紋的產生和應力集中。目前，國內在電子束增材制造技術上已有深入研究，利用該技術加工的零件機械性能高于鑄件，接近鍛件水平，材料利用率可達百分之百，對于昂貴的稀有金屬材料來說，可大大降低成本。但由于制造的零件表面粗糙度和尺寸精度較差，仍需機械加工方法保證表面粗糙度和尺寸精度達到設計要求。
文獻2“申請公布號是cn105904151的中國發明專利”公開了一種基于脈沖焊接和激光增材修復的薄壁零部件復合修復方法，該方法通過激光增材修復后得到零件的表面質量與尺寸精度不能達到很高的精度要求。在減材制造中，所采用的干式高速切削技術使被加工零件的完整性得到提高，提高零件的表面質量和抗疲勞強度，通過控制切削速度，加之內冷式刀具帶走切削溫度來實現高溫合金的真空干切削。
在零件修復過程中，將增/減材制造工藝與金屬電子束熔絲技術相結合，并利用到航天制造業中，該技術不僅提高了材料的利用率，可以減少切削液的使用，拓寬產品原料的加工范圍。而且，該技術避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，同時解決復雜結構零件的減材過程出現的干涉問題，使得機械性能高于目前較為成熟的激光選區增/減材制造技術，在修復零件性能方面該技術具有巨大的優勢。
技術實現要素：
為了克服現有金屬零件修復方法材料利用率低的不足，本發明提供一種基于增減材制造的金屬零件修復方法。該方法首先通過三維掃描得到待修復模型三維數據后，對零件磨損部分進行減材加工，即通過干式高速切削磨損零件，得到規則的表面，然后通過電子束熔絲增材工藝進行增材制造，完成零件的沉積增材修復過程，同時利用干式高速切削加工對零件表面進行加工，得到表面質量較高的修復件。本發明避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，同時解決復雜結構零件的減材過程出現的干涉問題，使得受損零件的機械性達到正常零件的水平。修復過程在真空環境下進行，對于工件的夾持只需要一次，材料利用率高。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于增減材制造的金屬零件修復方法，其特點是包括以下步驟：
步驟一、對受損零件表面打磨去除氧化膜，用丙酮清洗后晾干，并對形成腔室進行抽真空，使真空度達到10-3pa級別；
步驟二、將經過步驟一處理的受損零件裝夾后固定于真空室內工作臺的增減材固定機構上；
步驟三、利用無損掃描技術，對受損零件進行掃描確定受損部位邊界，建立切削模型并規劃切削路徑。
步驟四、滑臺驅動桿驅動減材模塊刀具移動至受損零件的受損部位主加工面上方；
步驟五、通過干式切削減材加工方法對零件受損部分進行切除，加工采用內冷式刀具，加工相關參數為：切削前角調節范圍為4°～6°，切削速度調節范圍為1～20m/min；
步驟六、再次利用無損掃描技術，在計算機上建立步驟五所得實體零件的三維幾何模型，得到計算機切片數據，依據三維參數規劃電子束掃描路徑；將通過步驟五減材后的零件的三維數據與完好的零件三維數據進行對比，進行布爾運算，相減得到受損零件已減材部分的三維模型并進行切片處理，規劃出電子束增材路徑。
步驟七、滑臺驅動桿驅動增材電子束發射器移動至主加工面上方；
步驟八、增材成型系統按照步驟六規劃的路徑逐層堆積材料，當打印到設計厚度模型后停止增材制造；
步驟九、滑臺驅動桿驅動減材模塊刀具移動至主加工面上方；
步驟十、減材制造模塊驅動刀頭根據零件幾何數據對零件輪廓進行減材加工，對復雜孔道、曲面進行減材加工及表面處理，達到更高的尺寸精度及高表面平整度；
步驟十一、滑臺驅動桿驅動增材電子束發射器移動至主加工面上方，繼續下一層的增材加工過程；
步驟十二、重復步驟八、九、十和十一，直至零件缺損部分全部加工完成。
本發明的有益效果是：該方法首先通過三維掃描得到待修復模型三維數據后，對零件磨損部分進行減材加工，即通過干式高速切削磨損零件，得到規則的表面，然后通過電子束熔絲增材工藝進行增材制造，完成零件的沉積增材修復過程，同時利用干式高速切削加工對零件表面進行加工，得到表面質量較高的修復件。本發明避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，同時解決復雜結構零件的減材過程出現的干涉問題，使得受損零件的機械性達到正常零件的水平。修復過程在真空環境下進行，對于工件的夾持只需要一次，材料利用率高。
(1)與其他高能束流增材技術相比，電子束熔絲沉積快速成型增材技術在制造高溫金屬結構方面具有突出的優勢:該工藝將材料成型、加工與熱處理過程統一，具有功率大、掃描速度快、束斑小、精度高、能量利用率高以及加工環境真空無污染的特點，材料的微觀組織結構具有很強的可控性。
(2)減材加工采用干式高速切削技術，通過內冷式刀具的使用，使其在真空封閉空間中避免切削液的使用，保護了加工環境，避免污染；同時內冷式刀具以及加工空間的輻射散熱技術可以帶走切削溫度從而實現高溫合金的真空干切削；
(3)在修復自由曲面和復雜形態的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復雜的內流道等，增減材一體化制造有效避免傳統工藝中出現的加工干涉現象，兩種工藝優勢互補，可以實現復雜航天零部件的高效、高精度、高疲勞強度個性化定制快速精密修復。
(4)在同一臺機床上完成所有修復加工工序，避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，提高制造精度與生產效率，同時也節省了車間空間，降低制造成本。
該方法是一種智能化程度高，具有快捷、便利，可以實現零件修復快速制造等特點的增減材復合修復零件的方法，電子束熔絲金屬成型裝備與干式切削加工裝備是目前比較全面而先進的裝備組合，可以保證加工質量和表面精度。
下面結合具體實施方式對本發明作詳細說明。
具體實施方式
本發明基于增減材制造的金屬零件修復方法具體步驟如下：
對tc4鈦合金零件進行修復，該tc4鈦合金零件尺寸為300mm×200mm×200mm，受損部分尺寸為50mm×40mm×50mm。
步驟一、對tc4鈦合金零件表面打磨去除氧化膜、用丙酮清洗、晾干，并對形成腔室進行抽真空處理，使真空度達到10-3pa級別；
步驟二、將經過步驟一處理的受損tc4鈦合金零件裝夾后固定于真空室內工作臺的增減材固定機構上；
步驟三、利用無損掃描技術，對受損tc4零件進行掃描確定受損部位邊界，并在計算機建立切削模型并規劃切削路徑。
步驟四、滑臺驅動桿驅動減材模塊刀具移動至受損零件的受損部位主加工面上方；
步驟五、通過干式切削減材加工零件受損部分，切削掉50mm×40mm×50mm受損部分，并得到規則的表面，使其尺寸精度達到0.5mm。通過內冷式刀具進行減材加工，切削前角調節范圍為4°～6°，切削速度調節范圍為1～20m/min；
步驟六、再次利用無損掃描方法，在計算機上建立步驟五所得實體零件的三維幾何模型，得到計算機切片數據，依據三維參數規劃電子束掃描路徑；將通過步驟五減材后的零件的三維數據與完好的零件三維數據進行對比，進行布爾運算，相減得到受損零件已減材部分的三維模型并進行切片處理，規劃出電子束增材路徑。(記完整的零件為模型1，減材后的的受損零件為模型2，布爾運算后的為模型3)
步驟七、滑臺驅動桿驅動增材電子束發射器移動至主加工面上方；
步驟八、增材成型系統按照模型3輪廓軌跡在步驟五(十)所得高質量表面逐層掃描堆積材料，電子束流掃描速度值為40mm/s、電子束電流調節范圍為4.5ma、focusoffset值為40，調整送絲角度為30°～60°，將直徑為0.8～1.2mm的tc4欽合金焊絲從真空室內由送絲機構送出，經噴嘴裝置送至下束點位置，焊絲干伸長為lcm；打印層厚視打印材料不同而不同如打印
步驟九、滑臺驅動桿驅動減材模塊刀具移動至主加工面上方，進行復雜曲面，孔道的減材加工；
步驟十、減材制造模塊驅動刀頭根據模型1的幾何數據對零件輪廓進行減材加工，通過內冷式刀具加工，切削前角為5°，切削速度為1.5m/min，尺寸精度達到0.5mm，得到復雜曲面結構及高質量表面；
步驟十一、滑臺驅動桿驅動增材電子束發射器移動至主加工面上方，繼續下一層的增材加工過程；
步驟十二、重復步驟八、九、十和十一，直至零件缺損部分全部加工完成。