CN107584115B - 空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法 - Google Patents

空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法，建立叶轮叶片CAD三维模型，对叶轮叶片进行分层，提取每层轮廓线上参考点的层高和宽度信息；确定参考点的层高信息和宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系；将参考点的层高信息和宽度信息通过数据库检索或者函数计算得到激光的功率、送粉量及扫描速度的数据，通过CAM系统生成包含轨迹参考点位，刀轴方向，激光功率，送粉量和扫描速度的机床的控制代码，输入数控五轴增材制造装备，对叶轮叶片进行打印。本发明的优点在于：本发明生成与模型几乎一致的制造用的程序，制造出的零件形状最大限度接近设计形状。增材制造过程机构运动流畅，制造效率高。

Description

空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法
技术领域
本发明涉及一种打印方法，尤其涉及一种空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法。
背景技术
三元叶轮广泛应用在航空发动机，蒸汽轮机，空气压缩机鼓风机等产品上，叶轮的叶片在空间上扭曲的曲面，压缩的液体流动损失小，效率更高。传统的三元叶轮制造方法包括五轴加工中心加工，电解加工，化学腐蚀等，这些方法加工效率不高，由于使用材料去除的方法去除大量的叶片中间材料，材料利用率低。近年来出现使用激光近净成形制造的方式制造叶轮的方法。
激光近净成形(LENS)是使用激光作为热源，使用金属粉末或者丝材作为原料，通过数控CNC装备的运动，实现金属材料的层层叠加，建造特殊形状的零件。通常的CNC装备为三轴(XYZ)运动,用平面均匀厚度的切片方法来实现增材制造。虽然机构简单易于实现，但是针对空间复杂形状结构，需要设计和制造大量的辅助支撑；同时，由于切片是平面的，很多较平坦的区域表面质量差，不得不减少切片的厚度，来提高表面质量，但是却降低了制造的效率。
申请号为201510481989.7一种三元叶轮叶片激光近净成形方法，该发明公开了一种三元叶轮叶片激光近净成形方法，该发明使用三轴的CNC数控设备，其原理根据叶轮叶片倾斜角度和扭转角度将整个叶轮叶片分段，针对分段叶轮叶片，为激光束与垂直方向设定合理的预设夹角，然后进行叶轮叶片成形。
该发明由于使用三轴的CNC数控设备，无法直接制造扭曲的叶片曲面，所以把零件分成若干段扭转制造。首先扭转激光头偏转的过程需要人工干预，偏转后要重新设置制造基准点，增加制造的不可控性。叶片是连续光滑的曲面，分段制造必须加大零件的余量，增加增材制造和去除余量的时间，增加材料和能源的消耗。该发明没有从根本上改变分层的方式，增材制造后零件的表面会有很多台阶。
发明内容
针对传统三轴激光近净成形增材制造的平面分层切片加工余量大，表面粗糙等问题，提出空间的非均匀厚度分层切片方式，每个切片层中间的层高可以逐渐变化；同时，在扫描运动轨迹的的垂直方向上，沉积的宽度也可以逐渐变化。
这种空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法，步骤如下：
A.建立叶轮叶片CAD三维模型，对叶轮叶片进行分层，提取每层轮廓线信息，并同时在每层切片上提取参考点的层高及宽度信息；
B.确定参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
C.确定参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
D.将参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系和参考点的宽度信息与激光的功率、送粉量及扫描速度的函数关系，通过CAM生成机床的控制代码并输入五轴增材制造装备，对叶轮叶片进行打印。
所述的激光也可以为离子束、电子束以及电弧等热源。
所述的送粉也可以为送丝，就是说送进的材料可以为粉末也可以为丝材。
所述的对叶轮叶片进行分层方法为通过对叶轮叶片上下流体进入端和流出端的叶片高度的等分，提取叶轮叶片几何模型的数据，可以得到流体流动方向上的层分割曲线，测量相邻层的分割曲线上的点位距离，得到相邻层的层高，这个层高在流体运动方向上是渐变的。所述对叶轮叶片进行分层，叶轮叶片的每层的层高可以相等，叶轮叶片的每层的层高也可以不相等，叶轮叶片的每层扫描轨迹的宽度可以相等，叶轮叶片的每层扫描轨迹的宽度也可以不等。
所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系，是工艺参数数据库里的对应关系。通过简单的打印测试，可以得到特定材料，针对固定激光近净成形系统的激光功率，送粉量及扫描速度的一个合理区间，在该工艺参数区间内，可以得到性能和形状都合适的打印实体。通过实践验证的工艺参数数据库，包含了层高与激光功率、送粉量及扫描速度的对应关系。
所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系，是工艺参数数据库里的对应关系。通过简单的打印测试，可以得到特定材料，针对固定激光近净成形系统的激光功率，送粉量及扫描速度的一个合理区间，在该工艺参数区间内，可以得到性能和形状都合适的打印实体。通过实践验证的工艺参数数据库，包含了扫描宽度与激光功率、送粉量及扫描速度的对应关系。
所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系。
所述的参考点的层高和宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系可以为参考点的层高与送粉量成正比，与扫描速度成反比；参考点的宽度与扫描速度平方根近似成反比，与激光功率平方根成正比。
所述的五轴增材制造装备也可以是六轴关节臂机器人。
本发明的优点在于：本发明技术方案直接使用零件三维数学模型提取几何形状信息，生成与模型几乎一致的制造用的程序，制造出的零件形状最大限度接近设计形状。制造过程中空间姿态变化适应曲面的走向，精度和表面质量都非常高。同时使用先进的五轴技术及对附加轴的联动控制，增材制造过程机构运动流畅，制造效率高。
附图说明
图1为空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法的示意图
图2为叶片层高的提取示意图
图3为叶片宽度的提取示意图
标记如下：1-保护气，2-激光，3-粉末，4-打印头，5-叶轮基体，6-叶轮叶片轮廓线，7-叶轮叶片已经打印部分，8-叶片出气口轮廓线，9-叶片进气口轮廓线，10-轮毂面轮廓线，11-盖盘面轮廓线，12-切片分割线，13-叶片截面的中线，14-叶片截面轮廓线，15-叶片宽度
具体实施方式
下面结合附图对空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法进行进一步说明。
这种空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法，步骤如下：
A.建立叶轮叶片CAD三维模型，建立叶轮叶片中间的几何曲面模型，并进行分层，提取每层轮廓线信息，并同时在每层轮廓线上提取参考点的层高及宽度信息；
B.确定参考点的层高信息与激光2功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
C.确定参考点的宽度信息与激光2功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
D.通过参考点的层高和宽度信息得到激光2功率、送粉量及扫描速度，通过CAM生成包含参考点坐标、刀轴方向和工艺参数的机床控制代码，输入五轴增材制造装备，对叶轮叶片进行打印。激光2也可以为离子束、电子束或者电弧等热源。五轴增材制造装备也可以是六轴关节臂机器人。对叶轮叶片进行分层方法为通过对叶轮叶片上下流体进入端和流出端的叶片高度的等分，提取叶轮叶片几何模型的数据，可以得到流体流动方向上的层分割曲线，测量相邻层的分割曲线上的点位距离，得到相邻层的层高，这个层高在流体运动方向上是渐变的。对叶轮叶片进行分层，叶轮叶片的每层的层高可以相等，叶轮叶片的每层的层高也可以不相等，叶轮叶片的每层扫描轨迹上的宽度可以相等，叶轮叶片的每层扫描轨迹上的宽度也可以不等。
参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系，是工艺参数数据库里的对应关系。通过简单的打印测试，可以得到特定材料，针对固定激光近净成形系统的激光功率，送粉量及扫描速度的一个合理区间，在该工艺参数区间内，可以得到性能和形状都合适的打印实体。通过实践验证的工艺参数数据库，包含了层高与激光功率、送粉量及扫描速度的对应关系。
参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系，是工艺参数数据库里的对应关系。通过简单的打印测试，可以得到特定材料，针对固定激光近净成形系统的激光功率，送粉量及扫描速度的一个合理区间，在该工艺参数区间内，可以得到性能和形状都合适的打印实体。通过实践验证的工艺参数数据库，包含了扫描宽度与激光功率、送粉量及扫描速度的对应关系。
参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系。
参考点的层高和宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系可以为参考点的层高与送粉量成正比，与扫描速度成反比；参考点的宽度与扫描速度平方根成反比，与激光功率平方根成正比。
参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为工艺参数数据库里的一一对应关系，一对应多的对应关系，或者针对特定的激光近净成形系统，参考点的层高与送粉量成正比，与扫描速度成反比。
参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为工艺参数数据库里的对应关系，一对应多的对应关系，或者针对特定的激光近净成形系统，参考点的宽度与扫描速度的平方根成反比，与激光功率的平方根成正比。
实施例一：
一、通过对叶轮叶片CAD三维模型的数据的提取，得到每层切片各个点位的层高以及该点的宽度。
如图2叶片层高的提取示意图，将叶轮叶片沿叶片出气口轮廓线8、叶片进气口轮廓线9方向均分成相等的层数，附图2中将叶轮叶片分为4层，包括轮毂面轮廓线10，盖盘面轮廓线11和切片分割线12共计得到5条曲线，每条曲线上按精度提取等数量的点，测量上下相邻曲线的同位置两点距离得到该位置的层高。
如图3叶片宽度的提取示意图，图3是图2的截面，将前述曲面上叶轮叶片截面轮廓线14上按精度提取等数量的点，测量同层曲线上各点与其宽度方向上对面叶轮叶片截面轮廓线14上对应点的距离，得到该点的叶片宽度15。
由于扫描宽度，打印层高与激光的功率和送粉量，扫描速度等参数存在对应的关系，参考点的层高与送粉量成正比，与扫描速度成反比；参考点的宽度与扫描速度平方根成反比，与激光功率平方根成正比，通过工艺数据库的检索找到该点位匹配的工艺参数，包括激光功率，送粉量，扫描速度等；
切片的层高和宽度是在工艺参数数据库范围内可以实现的数据，通过测量计算和分析得到合适的分层层高；当针对几何模型测量的宽度较大，超出数据库范围时，采用多道的方式实现。
通过重新构造曲面降低单层内最小最大高度的偏差范围。
当宽度方向超出数据库的最大宽度值时，增加轨迹数量来实现较宽宽度。超出最小值时，保留最小的参数。
二、上述得到的数据通过CAM生成适合机床的控制代码并输入五轴加工中心。控制代码是7轴或者以上联动的格式(如G01X10Y5Z3A100.005C2.168P1600E0.8F200)。
如图1所示，激光2在保护气1的保护下向叶轮基体5上送粉末3，打印头在叶轮基体5上按照叶轮叶片轮廓线6开始打印叶轮叶片，叶轮叶片已经打印部分7如图1所示。
三、五轴加工中心的系统，除了具有五轴联动插补，还具备附加的2轴共计7轴参与联动插补功能；
四、程序代码控制数控机床，实现增材制造过程中生长方向上层高可变化，生长方向的垂直方向宽度可变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要结构和优点。本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可以有尺寸和方向等的变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法，步骤如下：
A.建立叶轮叶片CAD三维模型，对叶轮叶片进行分层，提取每层轮廓线信息，从轮廓线上提取参考点信息，并同时在每层切片上提取参考点的层高及宽度信息；
B.确定参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
C.确定参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系；
D.将参考点的层高信息，宽度信息通过数据库检索或者函数计算得到激光的功率、送粉量及扫描速度的数据，通过CAM系统生成包含轨迹参考点位，刀轴方向，激光功率，送粉量和扫描速度的机床的控制代码，输入数控五轴增材制造装备，对叶轮叶片进行打印。
2.根据权利要求1所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述的激光也可以为离子束、电子束或者电弧。
3.根据权利要求1所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述的送粉也可以为送丝。
4.根据权利要求1所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述对叶轮叶片进行分层方法为通过对叶轮叶片上下流体进入端和流出端的叶片高度的等分，提取叶轮叶片几何模型的数据，可以得到流体流动方向上的层分割曲线，测量相邻层的分割曲线上的点位距离，得到相邻层的层高，这个层高在流体运动方向上是渐变的。
5.根据权利要求1所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系为可以为唯一的对应关系；所述的参考点的层高信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系；所述的参考点的宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系也可以是一对应多的对应关系。
6.根据权利要求5所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述的参考点的层高和宽度信息与激光功率、送粉量及扫描速度的函数关系可以为参考点的层高与送粉量成正比，与扫描速度成反比；参考点的宽度与扫描速度平方根成反比，与激光功率平方根成正比。
7.根据权利要求1所述的空间扭曲曲面的叶轮叶片的五轴联动打印方法,其特征在于：所述的五轴增材制造装备也可以是六轴关节臂机器人。
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