CN104493424B - 熔覆智能锻造成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔覆智能锻造成形工艺，根据重型零件图完成熔覆坯件成形过程的数字仿真和成形数字模拟并进行一体化设计；对熔覆坯件进行数据处理获得3D打印数据并输入3D打印机床的管理控制系统，通过3D打印机床完成熔覆坯件制造；对熔覆坯件热处理；完成以熔覆坯件为毛坯的智能锻造工艺分析并设计智能锻造工步、确定智能锻造工艺参数和完成编程；将熔覆坯件进行定位，启动液压机进行智能塑性成形，获得智能锻造锻件半成品；智能锻造锻件半成品进行热处理和探伤，获得高端重型锻件成品并入库，本发明将3D打印技术和智能锻造技术结合起来，一体化成形大大减少零件装配量和焊接量，保证核电主设备结构件强度，同时大大缩短了生产时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属成形工艺，特别涉及一种熔覆智能锻造成形工艺。
背景技术
我国的能源是关系我国和世界环境的大事。清洁能源中，没有一种能源从规模上能与核电相比。事实上，只有核能的大规模发展，才能迅速改变我国落后的能源结构，改善我国的生态环境。曾使我国暂停新核电站建设，进行新一轮核安全检查检的3年已过去，我国迎来了核电发展的新时代。核能已成为我国的重要国际“品牌”，是我国经济发展的刺激点，是我国国际声望的核心之一，是我国实现多种目标的重要工具。
但是，我国核电发展水平还是比较低的，我国的装机容量仅占电力总装机容量的2％。远低于15％世界平均水平核电主设备中，优质和快速完成重型锻件是发展核电装备的关键。多年来，我国大力发展重型核电锻件取得了重要的成就，各种堆型和标准的核电锻件我们都可以生产，然而，生产的效率还是十分的低下，一个100万kW核电站的主装备制造平均周期为4年，如此长的周期，大大影响电站建设和国际竞争力。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种熔覆智能锻造成形工艺，它是将大型和超大型3D打印技术和智能锻造技术结合起来的一种新的技术方案，其是一种可用于大规模工业化生产的、高效的、节材的、节能的核电主设备结构件成形的创新工艺。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种熔覆智能锻造成形工艺，具体步骤如下：
步骤一：根据重型零件图采用数字模拟软件完成熔覆坯件成形过程的数字仿真和成形数字模拟，并根据数字仿真和成形数字模拟的结果对熔覆坯件进行一体化设计(多个零件形成一个进行熔覆成形的坯件)；
步骤二：采用数字模拟软件对熔覆坯件进行数据处理，获得熔覆坯件的具体3D打印(LCD或EBAM工艺)数据，并将该3D打印数据输入3D打印机床(LCD-EBAM机床，或类似功能的机床)的管理控制系统；
步骤三：启动3D打印机床(LCD或EBAM)，输入合金材料(合金粉材或丝材)，完成熔覆坯件的成形制造(采用LCD工艺或EBAM工艺或类似功能的金属熔覆工艺进行制造)；
步骤四：对所完成的熔覆坯件进行热处理，检验，入库；
步骤五：采用锻造模拟软件(人工智能锻造软件和熔覆数字模拟软件，或类似功能的软件)完成以熔覆坯件为毛坯的智能锻造工艺分析，并根据锻造模拟软件工艺分析结果设计智能锻造工步、确定智能锻造工艺参数和完成编程，并将所编程序输入液压机的管理控制系统；
步骤六：启动液压机进行智能塑性成形：首先将熔覆坯件进行定位固定，然后启动加压实体结构对熔覆坯件进行塑性锻造成形，在锻造过程中，通过传感系统实时反馈成形熔覆坯件的温度、压力值和熔覆坯件金属流动数据给液压机的管理控制系统，形成实时闭环或开环控制，自动完成高端锻件的智能锻造，获得智能锻造锻件半成品。
步骤七：对步骤六中获得的智能锻造锻件半成品进行热处理和探伤，挑选出合格件为高端重型锻件成品；
步骤八：高端重型锻件成品入库。
作为发明的进一步改进，所述步骤五和步骤六中所述的液压机为智能锻造液压机。
作为发明的进一步改进，所述步骤六中加压实体结构为智能通用压头。
作为发明的进一步改进，步骤六中所述传感系统包括温度传感器、压力传感器和位移传感器。
本发明的有益技术效果是：本发明将3D打印技术和智能锻造技术结合起来形成一种新的成形工艺，其先通过3D打印机床进行熔覆坯件的成形，采用3D打印熔覆工艺(LCD和EBAM等)，完成结构复杂，无偏析的精化、一体化坯料(一件坯料由多个原设计的锻件组成)；然后采用智能锻造工艺(IF)，通过计算机程序控制的智能压头，对熔覆坯件进行热-力耦的塑性变形，在金属内部产生300～500Mpa的球应力；通过优化温度梯度和温度变化率，保证成形件中的再结晶和重结晶过程；通过“应力再-重结晶”(在巨大球应力作用下的再结晶和重结晶过程)，完全消除熔覆道次间和层次间的各种缺陷，获得满足核电标准的重型锻件，“应力再-重结晶”是保证重型锻件内部质量的核心的过程，本专利的工艺方法可将多个(数个或数十个)锻件合并为一个或几个重型锻件，一体化成形，大大减少零件装配量和焊接量，保证核电主设备结构件强度，同时大大缩短了生产时间，有利于提高我国核电水平。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为高端锻件采用本发明工艺成形的熔覆坯件示意图；
图3为熔覆坯件经过智能塑性成形获得的智能锻造锻件示意图；
图4为对智能锻造锻件进行精加工处理获得的高端锻件产品图。
具体实施方式
实施例：一种熔覆智能锻造成形工艺，具体步骤如下：
步骤一：根据重型零件图采用数字模拟软件完成熔覆坯件成形过程的数字仿真和成形数字模拟，并根据数字仿真和成形数字模拟的结果对熔覆坯件进行一体化设计(多个零件形成一个进行熔覆成形的坯件)；
步骤二：采用数字模拟软件对熔覆坯件进行数据处理，获得熔覆坯件的具体3D打印(LCD或EBAM工艺)数据，并将该3D打印数据输入3D打印机床(LCD-EBAM机床，或类似功能的机床)的管理控制系统；
步骤三：启动3D打印机床(LCD或EBAM)，输入合金材料(合金粉材或丝材)，完成熔覆坯件的成形制造(采用LCD工艺或EBAM工艺或类似功能的金属熔覆工艺进行制造)；
步骤四：对所完成的熔覆坯件进行热处理，检验，入库；
步骤五：采用锻造模拟软件(人工智能锻造软件和熔覆数字模拟软件，或类似功能的软件)完成以熔覆坯件为毛坯的智能锻造工艺分析，并根据锻造模拟软件工艺分析结果设计智能锻造工步、确定智能锻造工艺参数和完成编程，并将所编程序输入液压机的管理控制系统；
步骤六：启动液压机进行智能塑性成形：首先将熔覆坯件进行定位固定，然后启动加压实体结构对熔覆坯件进行塑性锻造成形，在锻造过程中，通过传感系统实时反馈成形熔覆坯件的温度、压力值和熔覆坯件金属流动数据给液压机的管理控制系统，形成实时闭环或开环控制，自动完成高端锻件的智能锻造，获得智能锻造锻件半成品。
步骤七：对步骤六中获得的智能锻造锻件半成品进行热处理和探伤，挑选出合格件为高端重型锻件成品；
步骤八：高端重型锻件成品入库。
熔覆智能锻造技术路线，即：
CIF——CladdingIntelligenceForge，简介如下：
本申请人认为要提高端锻件(如核电站主设备锻件)生产效率，降低成本，节材节能，应采用高新技术，如大型和超大型激光和电子束的金属3D打印技术和无模具智能锻造技术，其最重要的技术途径就是“一体化成形”，即从提高“一体化率”入手。新技术的采用可将多个(数个或数十个)锻件合并为一个或几个重型锻件，大大减少零件装配量和焊接量。大型和超大型3D打印技术(如LCD——LaserCladdingDepositio，激光熔覆沉积和EBAM——ElectronBeamAdditiveManufacturing电子束增材制造)的发展，使一体化成形成为可能，LCD——EBAM在航空发动机、无人机和无人直升机、导弹、航天领域的应用，取得了非凡的成就。一体化成形不但提高生产效率，减化生产流程(成为短流程)，还大大提高高端结构件的可靠性，对核电制造具有重要意义。
智能锻造(IF——IntelligenceForge)无需大型和昂贵的模具，即可将3D打印所完成的大型核电结构件，通过高温高压的“热、力”因素，进一步提高其机械性能，以保证达到核电标准。LCD-EBAM与IF相结合，即熔覆过程和热-力过程的技术集成，是本专利技术路线的核心。
当前LCD-EBAM熔覆件可以达到高端锻件的机械性能，我国已成功地应用于飞机起落架、梁、驾驶舱窗框等结构件；但在重型结构件，如核电方面的应用，尚未走出实验室，尚处于“正在走出实验室进入工业化大规模应用之阶段”，这并不是简单的复制和扩大，其规模化的应用，本身就是一种重要的发展过程，安全冗余度必需放在首位，这是本技术路线主张将LCD-EBAM熔覆工艺与智能锻造相结合的根本原因。
美国Pratt&Whitney公司和GE公司，早在上世纪60年代，生产的发动机粉末涡轮盘，经热等静压后就直接使用，起先也很成功，但到了上世纪70年代，采用该种工艺生产涡轮盘的航空发动机不断出事，机毁人亡之事屡有发生，人们才认识到成形的技术路线出了问题。美国Pratt&Whitney公司和GE公司在涡轮盘的热等静压后，增加了一道关键的工序——挤压。此后发动机粉末盘的成形工序就成为：“粉末成形-热等静压-挤压”了，即当时新兴的热等静压工艺与传统的挤压工艺结合起来，增加了安全冗余度，确保了发动机的安全。与传统工艺——挤压工艺，相结合的高温合金涡轮盘热等静压成形工艺，一直沿用至今)；
(大型和超大型LCD-EBAM金属3D打印装备简介如下：
LCD和EBAM是当前金属3D打印技术领域中，熔覆成形的效率——熔覆率，最高的成熟的技术。
1.单个国内、外商业化LCD喷头，最大熔覆沉积率为80克/分(4.8公斤/时)；
2.单个EBAM双枪系统，国外(美Sciaky公司)商业化的最大熔覆沉积率为150克/分(9公斤/时)。
所述步骤五和步骤六中所述的液压机为智能锻造液压机。
所述步骤六中加压实体结构为智能通用压头。
步骤六中所述传感系统包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，各传感器用于采集锻件锻造过程的信息，便于实时控制智能塑性成形液压机和智能机械手配合动作改变施力特征，进而精确完成锻件塑性成形。
Claims (4)
1.一种熔覆智能锻造成形工艺，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：根据重型零件图采用数字模拟软件完成熔覆坯件成形过程的数字仿真和成形数字模拟，并根据数字仿真和成形数字模拟的结果对熔覆坯件进行一体化设计；
步骤二：采用数字模拟软件对熔覆坯件进行数据处理，获得熔覆坯件的具体3D打印数据，并将该3D打印数据输入3D打印机床的管理控制系统；
步骤三：启动3D打印机床，输入合金材料，完成熔覆坯件的成形制造；
步骤四：对所完成的熔覆坯件进行热处理，然后检验、入库；
步骤五：采用锻造模拟软件完成以熔覆坯件为毛坯的智能锻造工艺分析，并根据锻造模拟软件工艺分析结果设计智能锻造工步、确定智能锻造工艺参数和完成编程，并将所编程序输入液压机的管理控制系统；
步骤六：启动液压机进行智能塑性成形：首先将熔覆坯件进行定位固定，然后启动加压实体结构对熔覆坯件进行塑性锻造成形，在锻造过程中，通过传感系统实时反馈成形熔覆坯件的温度、压力值和熔覆坯件金属流动数据给液压机的管理控制系统，形成实时闭环或开环控制，自动完成高端锻件的智能锻造，获得智能锻造锻件半成品；
步骤七：对步骤六中获得的智能锻造锻件半成品进行热处理和探伤，挑选出合格件为高端重型锻件成品；
步骤八：高端重型锻件成品入库。
2.如权利要求1所述的熔覆智能锻造成形工艺，其特征是：所述步骤五和步骤六中所述的液压机为智能锻造液压机。
3.如权利要求1所述的熔覆智能锻造成形工艺，其特征是：所述步骤六中加压实体结构为智能通用压头。
4.如权利要求1所述的熔覆智能锻造成形工艺，其特征是：步骤六中所述传感系统包括温度传感器、压力传感器和位移传感器。
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