一种金属壳体的复合制造方法与流程

本技术涉及金属复合制造，具体而言，涉及一种金属壳体的复合制造方法。

背景技术：

1、随着消费电子、智能交通及工业自动化对传感器模组集成度与可靠性要求的持续提升，小型高功能集成型金属壳体的制造需求日益增长。此类壳体广泛应用于车载摄像头、激光雷达及工业视觉等传感器模组领域。此类壳体高度集成化，内腔需容纳pcb及多种精密电子元器件；因密封性要求，内腔空气不流通，传统对流散热方式失效。以车载摄像头壳体为典型代表，其内部pcb通常采用双面板设计，电源管理芯片、图像传感器、串行器等多种芯片分布于pcb两面，各芯片功耗差异显著，热源分布高度不均匀；横向散热面积受壳体尺寸限制，纵向空间受连接器、镜筒等结构占用，可用散热路径极为有限。现有制造工艺难以在壳体内壁成形针对各热源位置的导热结构，只能依赖扩大pcb散热铜箔面积或增加导热界面材料厚度等被动措施，无法从根本上解决多芯片非均匀热源的高效散热问题，且与壳体小型化、高集成度的设计目标相矛盾。

2、冷挤压成形工艺具有成形效率高、材料利用率高、组织致密、尺寸精度高等优点，且壳体表层引入有益的残余压应力，提高抗疲劳性能。然而，冷挤压工艺在成形侧面或内部复杂结构时存在困难，侧向突出结构的金属流动成形困难，模具设计复杂度高、开发成本大，且侧面结构变化需要重新开模，模具复用性差；部分内部功能性结构因脱模和成形限制，难以充分填充。选择性激光熔化增材制造技术具有极高的几何自由度，可以在小型壳体的内部或侧面成形复杂结构，并支持异种金属的局部填充成形。但选区激光熔化slm（selective laser melting）过程中激光快速加热和冷却导致成形件内部产生显著残余拉应力，与使用载荷叠加后易引发开裂风险；若采用整体退火消除slm残余拉应力，则冷挤压基体的加工硬化效应同时被消除，导致整体强度显著下降。此外，冷挤压件表面存在氧化膜，若在增材制造前未有效处理，会阻碍slm过程中熔融金属与基体之间的充分冶金结合，导致界面结合强度不足。在不同应用场景中，界面的受力状态也存在差异，有单向剪切、多向振动等多种工况，而现有界面强化方案普遍未考虑受力差异开展针对性的界面设计。

3、综上所述，现有技术在冷挤压与slm小型高功能集成型壳体复合制造方面，同时面临以下核心技术问题：第一，如何在整体上协调冷挤压加工硬化效应与slm残余拉应力之间的矛盾，实现残余应力的协同控制；第二，如何在slm增材制造区域与冷挤压基体之间建立高强度、高可靠性的界面结合，特别是在不同受力场景下均可保证界面结合质量；第三，如何在密闭、空气不流通的壳体内腔中实现多芯片非均匀热源的高效散热；第四，如何实现模块化快速换型制造，使同一套冷挤压模具能够适应不同型号产品的生产需求，降低模具投资成本和产品开发周期。

4、针对上述问题，现有技术亟需改进。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种金属壳体的复合制造方法，具有能够实现冷挤压基体加工硬化与增材制造残余应力的分区协同控制、增材区域与冷挤压基体的高强度界面结合、密闭壳体内腔多芯片非均匀热源的高效散热以及模块化快速换型制造的优点。

2、本技术提供了一种金属壳体的复合制造方法，技术方案如下：

3、根据壳体三维模型进行工艺分区，将壳体主体部分划为冷挤压成形区域，将侧面功能结构和内壁散热结构划为增材制造区域，其余部分留至减材精加工；

4、对金属坯料进行冷挤压成形，获得具有主体型腔的壳体基体；

5、在所述壳体基体的待增材区域与主体的交界面加工沟槽阵列，所述沟槽的间距为增材制造扫描间距的正整数倍，沟槽宽度不大于增材制造熔池的宽度，沟槽深度不大于增材制造熔池的熔深；

6、对加工后的交界面进行清洁处理，去除表面氧化膜及油污；

7、将所述壳体基体通过夹具从四周外壁定位支撑，装夹于增材制造设备，使内壁待增材区域直接作为增材制造基板并保持水平；控制首层扫描方向平行于沟槽方向，使每条扫描道沿单条沟槽全长连续填充；通过激光熔化金属粉末在所述交界面区域堆积成形侧面功能结构和内壁散热凸台；

8、复用增材制造的数控坐标数据定位激光冲击区域，所述冲击区域覆盖增材制造区域及结合界面两侧延伸范围；对增材制造区域进行激光冲击强化处理；所述壳体基体的冷挤压区域以屏蔽方式保护；

9、对壳体进行减材精加工，使各项几何尺寸符合设计要求。

10、进一步，在所述交界面的加工中，当增材制造区域与壳体基体结合后的界面以单向剪切为主时，采用单向沟槽阵列，沟槽方向垂直于主剪切方向；当界面受力方向复杂时，采用封闭凹坑阵列；凹坑列间距为增材制造扫描间距的正整数倍，使每隔固定数量扫描道恰好命中一列凹坑。

11、进一步，所述单向沟槽为矩形截面，沟槽侧壁与槽底垂直；所述沟槽深度为增材制造层厚的整数倍，使沟槽由整数层粉末完全填平；沟槽宽度不大于增材制造熔池的宽度，熔池完整覆盖沟槽开口。

12、进一步，所述内壁散热凸台包括第一散热凸台和第二散热凸台；第一散热凸台成形于壳体内壁对应电路板底面芯片封装的位置，且覆盖芯片封装在壳体内壁的投影区域；第二散热凸台成形于壳体内壁对应电路板顶面芯片散热过孔出口的位置，且覆盖散热过孔在壳体内壁的投影区域并向外延伸；两凸台台面分别与对应芯片封装顶面及过孔出口端面贴合，并在贴合面填充导热界面材料。

13、进一步，在散热凸台的增材制造收尾阶段，切换为导热系数高于壳体基体材料的金属粉末进行填充成形；在侧面功能结构及非散热区域保持原有金属粉末；散热凸台与壳体基体之间形成逐层渐变的冶金结合过渡区，过渡区中两种粉末的比例沿远离基体方向变化。

14、进一步，所述侧面功能结构包括凸耳，凸耳上设有安装孔；在增材制造堆积至安装孔高度时，将金属嵌件嵌入预定位置；所述嵌件外周设有环形锁固槽；继续堆积金属粉末包覆嵌件外周，熔融金属粉末填充环形锁固槽内部，形成嵌件与凸耳的一体锁固结构。

15、进一步，所述增材制造区域的首层扫描速度低于后续层的扫描速度，沟槽表面重熔深度大于沟槽深度，沟槽底部与壳体基体形成冶金结合；后续各层恢复标准扫描速度。

16、进一步，所述激光冲击强化处理时，直接调用增材制造设备的数控坐标数据定位冲击区域；冲击区域向结合界面两侧外延扩展，且冲击强化的光斑直径大于沟槽间距，单脉冲光斑同时覆盖多条沟槽与壳体基体的交界区域；冷挤压基体区域以刚性金属屏蔽板遮挡，冲击强化仅作用于增材制造区域。

17、进一步，首层扫描方向平行于沟槽方向，使每条扫描道沿单条沟槽全长连续填充；后续层扫描方向与首层扫描方向交错布设，形成交叉扫描布局；不同层间的扫描道在沟槽底部及侧壁区域相互搭接覆盖。

18、进一步，所述夹具采用对称外壁定位支撑结构，支撑点位避开壳体应力集中区域；夹具与壳体外壁接触处设有弹性垫层；内壁待增材区域直接作为增材制造基板并保持水平。

19、由上可知，本技术提供的一种金属壳体的复合制造方法，通过将壳体主体冷挤压成形、待增材区域与主体交界面加工沟槽或凹坑阵列、增材制造区域激光熔化堆积成形以及选择性局部激光冲击强化处理进行工艺耦合，并控制沟槽阵列间距与增材制造扫描间距的正整数倍匹配、沟槽宽度及深度受熔池参数约束、首层扫描方向与沟槽方向平行、复用增材制造数控坐标定位激光冲击区域且冲击区域覆盖结合界面两侧延伸范围，解决了冷挤压与增材制造复合制造中残余应力矛盾、界面结合不足、内腔散热受限及模具复用性差的问题，具有能够实现冷挤压基体加工硬化与增材制造残余应力的分区协同控制、增材区域与冷挤压基体的高强度界面结合、密闭壳体内腔多芯片非均匀热源的高效散热以及模块化快速换型制造的优点。