CN106216678B - 激光成形均匀变高零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光成形均匀变高零件的方法，其通过采用法向分层、将每层熔覆层分段，然后测量并计算每层每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，通过计算分别修正下一层熔覆层每个小段的扫描速度，从而实现熔覆层高度的闭环控制，从而通过采用该激光成形均匀变高零件的方法可以自动成形出高度连续变化熔覆层，同时保持熔覆层宽度不变，消除斜面“台阶效应”，提高激光3D成形零件的复杂度和成形效率，保证成形质量。与现有技术相比，此发明成形的稳定性和精度都更高，省去了大量的前期熔覆层正交试验，可节约大量时间和成本。成形过程全自动完成，工艺参数可根据层高控制传感器的反馈的数据进行自适应和修正，无需人工干预。

Description

激光成形均匀变高零件的方法
技术领域
本发明涉及一种激光成形均匀变高零件的方法，属于激光熔覆与3D成形领域。
背景技术
激光金属3D成形技术基于激光熔覆技术和快速成形技术。一般由运动机构带动激光熔覆喷头，以激光为热源，同步输送金属粉末/丝材，在基体快速熔化形成熔池并快速冷却成形，冷却后随熔池的运动方向形成一定宽度、高度的熔覆层。将3维CAD模型分层切片，规划运动路径，利用上述成形方法将熔覆层横向搭接成面，再纵向层层堆积成实体。它具有无模具、成形时间短、可成形梯度材料、成形尺寸不受限制、层间为冶金结合、显微组织均匀致密等优点。
在一定的工艺参数下，熔覆层的宽度和高度基本为确定值。不论是熔覆层的单道、搭接工艺，还是基于3D打印技术的切片分层，单层的熔覆层高度一般都一致。然而，许多零部件的形状结构复杂，如各种叶轮的扭曲叶片，弯曲管道等，包含悬臂结构，此时根据加工工艺，必须旋转成形零件或者旋转激光熔覆喷头，使喷头始终与成形件生长方向相切，这样它们的分层就不能只在水平面上完成，而需要将平面倾斜。然而在沿切向切片分层的过程中，每层熔覆层的上下平面往往会不平行，熔覆层在同一层上高低不等。
现有方法一种是进行梯度叠加，在高处多堆积几层，然而单层熔覆层有高度，其堆出的斜面会产生“台阶效应”，斜面的平整度很低，影响继续向上堆积的精度和成功率，成形效率也比较慢。另一种是基于大量的正交工艺实验建立堆高模型，如，中国申请第CN201610133035.1号公开了一种激光3D成形弯曲结构件的方法，其根据在不同工艺参数下的熔覆层宽度及高度，总结出了经验模型，利用这个模型，根据熔覆层的高低不同分段改变工艺参数实现不同段不等高，是一种开环高度控制的方法。但是，此方法前期工艺实验任务十分繁重，在不同粉末/丝材材料，不同工艺条件下的工艺参数模型会发生改变，数据量庞大，无法实现任意材料，任意条件下的自动堆积过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光成形均匀变高零件的方法，可自动成形出高度连续变化的零件，同时保持零件宽度不变，消除斜面“台阶效应”，提高激光3D成形零件的复杂度和成形效率，保证成形质量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光成形均匀变高零件的方法，包括：
S1：将零件的CAD模型沿外轮廓曲线的法向进行切向分层确定若干层熔覆层，每层熔覆层的上表面和下表面不平行；
S2：在每层熔覆层中，沿该熔覆层的填充方向，将该熔覆层划分成多个小段；在CAD模型分层的高度方向上，所述第i层熔覆层中的每个小段与第i+1层熔覆层中的每个小段在高度方向上的位置相同，其中，i大于或等于1；
S3：在每层熔覆层中，通过层层高控制传感器测量每层熔覆层中的每个小段的实际堆高，并把所测量到的数据实时反馈给上位机；
S4：计算第i层熔覆层中的每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，在第i+1层熔覆层的堆积中，根据计算所得到的第i层熔覆层的差值修正第i+1层熔覆层的扫描速度；
S5：重复S3～S4，直至整个零件成形。
进一步的：所述步骤S2还包括：设置每小段的理想堆高为Hr＝[hr1，hr2，…，hrk，…，hrn]，其中hr1～hrn为等差数列。
进一步的：在所述步骤S4中，采用如下方法进行“扫描速度”的修正：若计算第i层熔覆层中的某一小段的实际堆高与理想堆高的差值为正，则加快第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的扫描速度，若计算第i层熔覆层中的某一小段的实际堆高与理想堆高的差值为负，则减慢第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的扫描速度。
进一步的：在所述步骤S4中，将如下公式1或公式2应用到所有小段中以完成“扫描速度”的修正，
公式1：vk i+1＝vk i–ck i(hrk i-hk i)，其中，hrk i-hk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的差值，k为小段，i为层数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，Vi为每一小段的扫描速度；当Vi+1收敛时，(Hri-Hi)中的各元素趋向于0；
公式2：vk i+1＝vk i·ck i(hk i/hrk i)，其中hk i/hrk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的比值，k为小段，i为层数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，Vi为每一小段的扫描速度；当Vi+1收敛时，Hi/Hri中的各元素趋向于1。
进一步的：采用模糊控制方法或者神经网络方法训练和优化C矩阵，使Vi+1的各元素快速收敛。
进一步的：在激光成形均匀变高零件的方法中，采用激光熔覆喷头实现堆积；在所述步骤S4中，当激光熔覆喷头在堆积第i+1层熔覆层时，旋转一个使该激光熔覆喷头的激光轴线方向与加工面垂直的角度。
进一步的：在所述步骤S4中，在堆积时，激光束离焦量、熔池处光斑面积均恒定，激光熔覆喷头根据所扫描的熔覆层的高低进行同步提升或下降。
进一步的：在所述步骤S5中，当每个小段的理想堆高与实际堆高基本一致时，形成优化的扫描速度向量Vopt和/或优化的控制矩阵Copt；在下一次相同零件成形时使用所述扫描速度向量Vopt和/或优化的控制矩阵Copt作为初始值。
进一步的：在所述步骤S2中，每层熔覆层中的每个所述小段的长度相等。
进一步的：在所述步骤S2中，每层熔覆层中的每个所述小段的长度设置范围为0.1mm～1mm，且每段的宽度相等。
本发明的有益效果在于：本发明的激光成形均匀变高零件的方法通过采用法向分层、将每层熔覆层分段，然后测量并计算每层熔覆层中的每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，通过计算修正下一层熔覆层的扫描速度，实现了熔覆层高度的闭环控制，从而通过采用该激光成形均匀变高零件的方法可以自动成形出高度连续变化的零件，同时保持零件的宽度不变，消除斜面“台阶效应”，提高激光3D成形零件的复杂度和成形效率，保证成形质量。与现有技术相比，此发明成形的稳定性和精度都更高，省去了大量的前期熔覆层正交试验，可节约大量时间和成本。成形过程全自动完成，工艺参数可根据层传感器的反馈的数据进行自适应和修正，无需人工干预。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1a为金属弯管堆积示意图；
图1b为金属弯管中的某一层的不等高熔覆层；
图2为不等高熔覆层分小段示意图；
图3为激光熔覆喷头堆积不等高熔覆层示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明一较佳实施例所示的一种激光成形均匀变高零件的方法包括步骤S1至S5。在激光成形均匀变高零件的方法中，采用激光熔覆喷头实现堆积。
S1：将复杂结构零件的CAD模型沿外轮廓曲线的法向进行切向分层确定若干层熔覆层，每层熔覆层的上表面和下表面不平行，以使得每层熔覆层的各处高低不等。例如，图1为一个金属弯管10结构的CAD模型，由于激光熔覆喷头须沿着金属弯管10生长的切向堆积，故将其从下往上分层，从图1a的金属弯管10开始弯曲处开始，各个熔覆层11均为变高熔覆层，抽取其中的一个变高熔覆层11，如图1b所示。
S2：在每层熔覆层中，沿该熔覆层的填充方向(本实施例中，该填充方向可以为沿熔覆层的圆周方向上的逆时针的旋转方向或顺时针旋转方向)，将该熔覆层划分成多个小段，在本实施例中，每层熔覆层中的每个小段均等长，如图2，每个小段的长度均为s。诚然，每层熔覆层中的每个小段可以不等长。通过将小段等长划分，实现连续变化，有助于后续步骤S2中采用层层高控制传感器对所有小段进行扫描及便于步骤S3的计算。在本实施例中，每个小段的长度设置范围为0.1mm～1mm，且每段的宽度相等，将每个小段的取值范围设置为0.1mm ～1mm的目的在于：当小段的长度越小，其扫描时的分辨率越好，所扫描形成的形状越连续，便于后续步骤S3中的计算；若大于1mm，则造成成形的不等高熔道分辨率低，形成一定的“台阶效应”；若小于0.1mm，所用长度取值范围已接近或小于小于层层高控制传感器的采样周期，没有必要，同时使系统计算量过大。在CAD模型分层的高度方向上(该高度方向为图1a中箭a所指方向)，所述第i层熔覆层中的每个小段与第i+1层熔覆层中的每个小段在高度方向上的位置相同，其中，i大于或等于1。在堆积第一层时，每个小段的激光扫描速度均不相同，其按照工艺经验来确定，基本上为：要堆积的熔覆层越矮，设置扫描速度越快；堆积越高的熔覆层，设置扫描速度越慢，在激光光斑相同的情况下，熔覆层宽度相等，而进入熔池的激光能量和粉/丝量更多，熔覆层变高。在本步骤中，设置每小段的理想堆高为Hr＝[hr1，hr2，…，hrk，…，hrn]，其中hr1～hrn为等差数列，如图2，每个小段的理想堆高即为该小段在该层熔覆层中的高度。
S3：在每层熔覆层中，通过层层高控制传感器测量每层熔覆层中的每个小段的实际堆高H＝[h1，h2，…，hk，…，hn]，并把所测量到的数据实时反馈给上位机。
S4：计算第i层熔覆层中的每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，即为该小段堆积的高度偏差，该高度偏差可以为高度绝对偏差或高度相对偏差。在第i+1层熔覆层的堆积中，根据计算所得到的第i层熔覆层的差值修正第i+1层熔覆层的扫描速度。
S5：重复S3～S4，直至整个零件成形。在本步骤中，当不断重复S3～S4后，第若干层后，该第若干层熔覆层内的每个小段的理想堆高与实际堆高将基本一致，此时每个小段都可得到优化后的扫描速度，熔覆过程可基本保持稳定，继续堆积直至整个零件成形。如：当每个小段的理想堆高与实际堆高基本一致时，形成优化的扫描速度向量Vopt和/或优化的控制矩阵Copt；在下一次相同零件成形时可从开始直接使用所述扫描速度向量Vopt和/或优化的控制矩阵Copt作为初始值。
在所述步骤S4中，可采用如下方法进行“扫描速度”的修正：若计算第i层熔覆层中的某一小段的实际堆高与理想堆高的差值为正，则加快第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的扫描速度，若计算第i层熔覆层中的某一小段的实际堆高与理想堆高的差值为负，则减慢第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的扫描速度。即，该步骤S4的目的之一在于修正上一层熔覆层的差值，以减小堆积误差。
每个小段具体可以采用计算公式进行修正，如：在所述步骤S4中，将计算公式1或计算公式2应用到所有小段中以完成“扫描速度”的修正。
该计算公式1为：vk i+1＝vk i–ck i(hrk i-hk i)，其中，hrk i-hk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的差值，hrk i-hk i为该小段堆积的高度绝对偏差，k为小段，该k大于或等于1，i为层数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，该Ci通过第i-1层的参数计算得出，其中初始值C1为经验值，Vi为每一小段的扫描速度；当Vi+1收敛时，(Hri-Hi)中的各元素趋向于0，该Hri-Hi为第i层熔覆层中所有小段的高度绝对偏差矩阵。在本计算公式1中可采用模糊控制方法或者神经网络方法训练和优化C矩阵，使Vi+1的各元素快速收敛。
该计算公式1的推导过程如下：
计算第i层熔覆层中的每小段的高度绝对偏差，所述高度绝对偏差为在第i层熔覆层中的小段的理想堆高hrk与该小段的实际堆高hk的差值hrk i-hk i；
在第i+1层熔覆层的堆积中，根据所得到的每一小段的高度绝对偏差，通过公式vk i +1＝vk i–ck i(hrk i-hk i)对第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的激光扫描速度进行修正，其中，ck i为第i层熔覆层中小段的控制参数，每段的扫描速度为Vi＝[v1 i，v2 i，…，vk i，…，vn i]，根据每小段的高度不同，设置向量V的元素在堆积第一层熔覆层的初始值V1为等差数列。
该计算公式1可以写成向量形式表达：Vi+1＝Vi-Ci(Hri-Hi)T。
计算公式2：vk i+1＝vk i·ck i(hk i/hrk i)，其中hk i/hrk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的比值，hk i/hrk i为该小段堆积的高度相对偏差，k为小段，该k大于或等于1，i为层数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，该Ci通过第i-1层的参数计算得出，其中初始值C1为经验值，Vi为每一小段的扫描速度；当Vi+1收敛时，Hi/Hri中的各元素趋向于1，该Hi/Hri为第i层熔覆层中所有小段的高度相对偏差矩阵。该计算公式2中可采用模糊控制方法或者神经网络方法训练和优化C矩阵，使Vi+1的各元素快速收敛。
所述计算公式2的推导过程如下：
软件计算每小段的高度相对偏差，所述高度相对偏差为在第i层的理想堆高hrk与实际堆高hk的比值hk i/hrk i；
在第i+1层的堆积中，根据高度相对偏差，通过公式vk i+1＝vk i·ck i(hk i/hrk i)对第i+1层熔覆层中与该小段在CAD模型分层的高度方向上所对应的小段的激光扫描速度进行修正，其中，ck i为第i层熔覆层中小段的控制参数，每段的扫描速度为Vi＝[v1 i，v2 i，…，vk i，…，vn i]，根据每小段的高度不同，设置向量V的元素在堆积第一层的初始值V1为等差数列。
该计算公式2可以写成向量形式表达：Vi+1＝Vi Ci(Hi/Hri)T。
在每层堆积时，为保持每段的宽度w不变，须保持光斑直径不变，即保持光斑离焦量d不变。熔覆喷头的提升高度zi+1要随着上一层的实际堆高hk i的变化而随动，即始终保持“变高不变斑”。如图3所示，在基体1上堆积一个变高熔覆层2，在激光扫描的过程中，聚焦激光束4在熔覆层2上的光斑大小始终不变。此外，为保持熔池形貌及内部组织结构稳定，各层各小段的激光功率P、送粉/丝量m等工艺参数均不变。所以，为了使整个过程更为顺畅，在所述步骤S4中还可具备如下要素，1、当激光熔覆喷头在堆积第i+1层熔覆层时，旋转一个使该激光熔覆喷头3的激光轴线方向与加工面(即基体1)垂直的角度；2、在堆积时，激光束离焦量、熔池处光斑面积均恒定，激光熔覆喷头3根据所扫描的熔覆层的高低进行同步提升或下降。
综上所述：激光成形均匀变高零件的方法通过采用法向分层、将每层熔覆层分段，然后测量并计算每层每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，通过计算分别修正下一层熔覆层每个小段的扫描速度，从而实现熔覆层高度的闭环控制，从而通过采用该激光成形均匀变高零件的方法可以自动成形出高度连续变化的零件，如堆积完成弯管、叶片等特征零部件，同时保持零件的宽度不变，消除斜面“台阶效应”，提高激光3D成形零件的复杂度和成形效率，保证成形质量。适用于激光同步送粉/送丝熔覆3D成形。
与现有技术相比，此发明成形的稳定性和精度都更高，省去了大量的前期熔覆层正交试验，可节约大量时间和成本。成形过程全自动完成，工艺参数可根据层传感器的反馈的数据进行自适应和修正，无需人工干预。相比现有技术，采用该激光成形均匀变高零件的方法所形成的零件的尺寸精度、表面光洁度更高，同时，也为任意零件中的变高部分的CAD切片与自动化直接成形工艺提供基础理论和方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，包括：
S1：将零件的CAD模型沿外轮廓曲线的法向进行切向分层确定若干层熔覆层，每层熔覆层的上表面和下表面不平行；
S2：在每层熔覆层中，沿该熔覆层的填充方向，将该熔覆层划分成多个小段；在CAD模型分层的高度方向上，第i层熔覆层中的每个小段与第i+1层熔覆层中的每个小段在高度方向上的位置相同，其中，i大于或等于1；
S3：在每层熔覆层中，通过层高控制传感器测量每层熔覆层中的每个小段的实际堆高，并把所测量到的数据实时反馈给上位机；
S4：计算第i层熔覆层中的每个小段的实际堆高与该小段的理想堆高的差值，在第i+1层熔覆层的堆积中，根据计算所得到的第i层熔覆层的差值修正第i+1层熔覆层的扫描速度，将如下公式1或公式2应用到所有小段中以完成“扫描速度”的修正，
公式1：vk i+1＝vk i–ck i(hrk i-hk i)，其中，hrk i-hk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的差值，k为小段，i为层数，ck i为第i层熔覆层的控制参数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，Vi为每一小段的扫描速度,Vi＝[v1 i，v2 i，…，vk i，…，vn i]；所述公式1可以写成向量形式表达：Vi+1＝Vi-Ci(Hri-Hi)T,所述Hri-Hi为第i层熔覆层中所有小段的高度绝对值偏差矩阵，当Vi+1收敛时，(Hri-Hi)中的各元素趋向于0；
公式2：vk i+1＝vk i·ck i(hk i/hrk i)，其中hk i/hrk i为在第i层熔覆层的理想堆高hrk与实际堆高hk的比值，k为小段，i为层数，ck i为第i层熔覆层的控制参数，Ci为第i层熔覆层的控制参数矩阵，其对角线的元素为Ci＝[c1 i，c2 i，…，ck i，…，cn i]，Vi为每一小段的扫描速度,Vi＝[v1 i，v2 i，…，vk i，…，vn i]；所述公式2可以写成向量形式表达：Vi+1＝Vi Ci(Hi/Hri)T,所述Hi/Hri为第i层熔覆层中所有小段的高度相对偏差矩阵，当Vi+1收敛时，Hi/Hri中的各元素趋向于1；
S5：重复S3～S4，直至整个零件成形。
2.如权利要求1所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：设置每小段的理想堆高为Hr＝[hr1，hr2，…，hrk，…，hrn]，其中hr1～hrn为等差数列。
3.如权利要求1所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，采用模糊控制方法或者神经网络方法训练和优化C矩阵，使Vi+1的各元素快速收敛。
4.如权利要求1所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，在激光成形均匀变高零件的方法中，采用激光熔覆喷头实现堆积；在所述步骤S4中，当激光熔覆喷头在堆积第i+1层熔覆层时，旋转一个使该激光熔覆喷头的激光轴线方向与加工面垂直的角度。
5.如权利要求4所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在堆积时，激光束离焦量、熔池处光斑面积均恒定，激光熔覆喷头根据所扫描的熔覆层的高低进行同步提升或下降。
6.如权利要求1所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，当每个小段的理想堆高与实际堆高基本一致时，形成优化的扫描速度向量Vopt和/或优化的控制矩阵Copt；在下一次相同零件成形时使用所述扫描速度向量Vopt和/或控制矩阵Copt作为初始值。
7.如权利要求1所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，每层熔覆层中的每个所述小段的长度相等。
8.如权利要求1或7所述的激光成形均匀变高零件的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，每层熔覆层中的每个所述小段的长度设置范围为0.1mm～1mm，且每段的宽度相等。
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