CN107992649A - 一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，具体包括有如下步骤：第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，并对建立的三维有限元模型进行网格划分；第二步：待第一步完成后，对打印粉末材料的性能参数进行定义；第三步：待第二步完成后，建立热源加载条件；第四步：确定增材制造最终应力场，包括线切割高度、方向的确定。本发明的数值模拟方法，能对线切割过程及切割完成后的零件变形进行预测、线切割过程工装工艺设计、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形。

Description

一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法

技术领域

本发明属于激光打印技术领域，具体涉及一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法。

背景技术

3D打印技术是一种基于离散-堆积原理，并通过逐层烧结实现产品构型的新型材料加工技术，近几年已经在航空航天领域中得到广泛应用，该技术具有全数字化、高柔性、无模具生产、复杂结构高精度实现性的技术特点，直接由零部件的三维数字模型驱动产品制造，无需模具整体一次性成形。

目前，金属3D打印技术所实现试件的力学性能已可达到锻件材料的标准，在金属3D打印技术领域中，激光选区熔化技术(SLM)具有突出的复杂结构高精度实现能力，非常适用于高性能要求的复杂结构零部件制备。就现有技术而言，金属3D打印工艺的一般流程顺序为：激光成形、吹粉、热处理、线切割、去支撑、打磨抛光。

在航空航天领域中，产品的尺寸精度、外廓形貌与产品的性能息息相关，在增材制造过程中，由于其成形工艺的制约，零件通过逐层堆积所导致零件成形完成后内部聚集大量的内应力。而在航空航天领域部分零件不需要热处理(或工艺要求先做线切割)从基板上切割下来，最后由于线切割过程中内应力的释放导致零件最终形貌与树模相差甚远，导致零件报废。目前尚无科研院所对增材制造线切割过程零件的变形进行理论支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，能对线切割过程及切割完成后的零件变形进行预测、对线切割过程工装工艺设计提供理论参考、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形。

本发明所采用的技术方案是，一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，并对建立的三维有限元模型进行网格划分；

第二步：待第一步完成后，对打印粉末材料的性能参数进行定义；

第三步：待第二步完成后，建立热源加载条件；

第四步：确定增材制造最终应力场，包括线切割高度、方向的确定。

本发明的特点还在于：

第一步具体按照以下方法实施：

对待线切割的零件及基板进行三维有限元模型的建立，将待线切割的零件及基板进行不同的层面的建模，再连接层与层之间的每一层的网格模型，保证建模过程与增材制造的过程每一层的轮廓区域一一对应；

对增材制造零件进行网格划分，三维有限元模型整体整体采用全六面体网格划分，最小单元控制为1.5×1.5×1.5mm。

在第二步中：

增材制造过程中的导热系数W/m·℃、对流换热系数W/m²·℃、密度Kg/m³、比热J/Kg·℃、泊松比、弹性模量N/m²、热膨胀系数1/℃和屈服极限MPa参数通过脚本化有限元分析进行迭代拟合，最终得出其塑性应变和流变应变的函数曲线图。

第三步建立热源加载条件的具体方法如下：

采用一种移动半椭球热源对其进行热载荷加载，具体如下：

式(1)中：Q为电极之间热源温度；T为瞬态加热温度；R为电极加热中心的有效加热半径；r为任意一点离加热中心原点的距离；P为电机的总功率；

增材制造过程中：激光铺粉粉末层高为0.05mm；激光道与道搭接宽度为0.08mm；激光功率为280w；激光扫描速度为886mm/s；激光能量有效利用率45％；打印粉末为TC4。

第四步具体按照以下方法实施：

对增材制造过程及打印结束后零件整体的应力状态及变形状态进行记录，对线切割方向、线切割高度进行设置，分析最终线切割对零件整体产生的变形状态。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的数值模拟方法，通过仿真对比沿不同方向、不同高度对增材制造零件进行线切割过程，获得零件线切割过程及切割完成后零件的整体应力、变形分布规律；

(2)本发明的数值模拟方法，对于线切割过程及切割完成后零件的变形进行预测、对线切割过程工装工艺设计、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的模型的俯视图；

图2是本发明实施例中涉及的模型的正视图；

图3是本发明实施例中采用四面体网格进行划分模型的示意图；

图4是本发明实施例中采用六面体网格进行划分模型的示意图；

图5是本发明实施例中增材制造过程打印完成后零件的仿真变形云图；

图6是本发明实施例方案一中增材制造打印完成后线切割20％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图7是本发明实施例方案一中增材制造打印完成后线切割60％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图8是本发明实施例方案一中增材制造打印完成后线切割90％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图9是本发明实施例方案二中增材制造打印完成后线切割20％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图10是本发明实施例方案二中增材制造打印完成后线切割60％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图11是本发明实施例方案二中增材制造打印完成后线切割90％时零件的仿真变形云图(放大10倍)；

图12切割完成后零件底部边框到垂直到顶部的变形分布趋势图。

(图2～图12的原图均为彩色图)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，包括有以下步骤：

第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，并对建立的三维有限元模型进行网格划分；

对待线切割的零件及基板进行三维有限元模型的建立，与传统CAD建模不同的是，这里将待线切割的零件及基板进行不同的层面的建模，再连接层与层之间的每一层的网格模型，保证建模过程与增材制造的过程每一层的轮廓区域一一对应；

对增材制造零件进行网格划分，三维有限元模型整体采用全六面体网格划分，最小单元控制为1.5×1.5×1.5mm。

第二步：待第一步完成后，对打印粉末材料的性能参数进行定义；

本次线切割过程仿真分析中，除了泊松比、弹性模量等常规物理参数外，3D打印粉末在高温下的热性能参数无法获知，本发明中针对目前的性能参数对其进行脚本化有限元插值计算。

第三步：待第二步完成后，建立热源加载条件；

线切割过程是连续电极融化的热加工过程，在整个放电过程中，电极线切割过程的热温度场、热应力场均属于完全非线性瞬态热传导；由于其快速、集中、穿透性极强，故不能选用传统的高斯热源、双椭球热源、甚至采用两者拟合热源迭代出的新的热载荷；

本发明中采用一种移动半椭球热源对其进行热载荷加载，其传热效果、热传导、热辐射均能满足线切割过程中的特点，具体算法如下：

式(1)中：Q为电极之间热源温度；T为瞬态加热温度；R为电极加热中心的有效加热半径；r为任意一点离加热中心原点的距离；P为电机的总功率；

在增材制造过程中：激光铺粉粉末层高为0.05mm；激光道与道搭接宽度为0.08mm；激光功率为280w；激光扫描速度为886mm/s；激光能量有效利用率45％；打印粉末为TC4(本次仿真采用粉末库材料TiAl6V4-powder)。

第四步：确定增材制造最终应力场，包括线切割高度、方向的确定；

对增材制造过程及打印结束后零件整体的应力状态及变形状态进行记录，对线切割方向、线切割高度进行设置，分析最终线切割对零件整体产生的变形状态。

实施例

本发明一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法：

第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，对建立的三维有限元模型进行网格划分；

模型设计为薄壁、内流道特征，该模型俯视图及模型正视图如图1、图2所示：整体模型轮廓为220×220×380mm，内部椭圆形貌内腔长轴、短轴分别为180×80mm，流道孔尺寸为流道个数78个；基板尺寸为255×255×40mm；

对增材制造零件进行网格划分，模型整体采用全六面体网格划分，最小单元控制为1.5×1.5×1.5mm，模型整体共生成2500321个六面体单元；

由于增材制造过程是完全非线性瞬态分析过程，四面体网格由于立体相交性的局限性，不符合增材制造的逐层堆积特点，因此本发明模型采用全六面体网格进行分析，不仅体现出增材制造的特点，而且在计算精度与准确度上均由于四面体网格，全六面体网格化模型如图4所示；面网格最小单元控制在2mm以下，如图3所示，采用四面体网格进行划分，面网格不参与有限元分析；由于基材不属于最终模型(需进行线切割去除)，故不参与网格的划分。

第二步：定义打印粉末材料的性能参数；

增材制造过程导热系数(W/m·℃)、对流换热系数(W/m²·℃)、密度(Kg/m³)、比热(J/Kg·℃)、泊松比、弹性模量(N/m²)、热膨胀系数(1/℃)和屈服极限(MPa)这些参数通过脚本化有限元分析进行迭代拟合，最终得出其塑性应变和流变应变的函数曲线图；

第三步：热源的加载；

热源采用半椭球热源对其进行热载荷加载，其传热效果、热传导、热辐射均能满足线切割过程中的特点，具体算法如下：

式(1)中：Q为电极之间热源温度；T为瞬态加热温度；R为电极加热中心的有效加热半径；r为任意一点离加热中心原点的距离；P为电机的总功率；

在增材制造过程中：激光铺粉粉末层高为0.05mm；激光道与道搭接宽度为0.08mm；激光功率为280w；激光扫描速度为886mm/s；激光能量有效利用率45％；打印粉末为TC4(本次仿真采用粉末库材料TiAl6V4-powder)；

第四步：增材制造最终应力场的确定，对打印结束后沉积态零件进行线切割过程及切割完成后零件的应力应变场分析。

方案一、采用线切割沿x轴距离基板2.0mm处进行线切割过程模拟仿真，图5～图8中虚线为原始数模外廓形貌；由图5可以看出，通过仿真增材制造结束后零件的最大变形为1.39mm，整体变形主要集中在外廓边的过度处；如图6所示，线切割刚开始20％时，零件最大变形为1.56mm，整体变形趋势与增材制造结束时分布基本一致，未发生太大变化；如图7所示，当切割至60％时，最大变形已达到1.99mm，最大变形主要集中在切割一侧与两边的过度处；如图8所示，切割将近90％时，最大变形已达到3.40mm，最大变形区域移至模型上端及切割端一侧，模型顶部椭圆形外口变成扁平状，与原始数模椭圆形貌产生差距。

方案二、沿y轴同样距离基板2.0mm处进行线切割仿真，图9～图11中虚线为原始模型外廓形貌；由图9可以看出，线切割刚开始20％时，零件最大变形为1.79mm，对比沿x轴方向最大变形明显偏大，整体变形趋势与x轴方向一致；如图10所示，切割至60％时，最大变形已达到2.98mm，同样比沿x轴方向偏大；如图11所示，切割将近90％时，最大变形已达到5.22mm，比沿x轴方向打了将近2mm左右，但模型顶部椭圆形外口与原始数模椭圆形貌基本形似，未产生形状异同；图12为模型底部边框到垂直到顶部的变形分布趋势图，由图12可看出，z轴方向变形整体呈抛物线状分布。

线切割过程是一种利用电极钼丝与零件之间脉冲放电时产生的热能熔化从而对零件进行分割，因而实现零件与多余体去除的热加工方法。由于线切割放电过程会引起一个非常复杂的瞬态热加工过程，电极之间的高温引起的变形对于传统力学测量设备而言都无法准确测量，不可避免的会产生热应力等缺陷，因此目前对线切割引起的零件变形的研究仍处于理论探索阶段。

本发明一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法的关键点在于：

(1)采用有限元法模拟增材制造线切割过程中应力、应变的变化，掌握线切割过程、线切割结束后热应力场动态分布；

(2)根据线切割过程的特殊性，选取加载热源为半椭球型热源输入，其传热效果、热传导、热辐射均能满足线切割过程中的特点；

(3)对切割过程选取不同方向、不同高度进行模拟仿真，通过有限元分析出最佳切割方向、最佳切割高度，能节省人力和物力，避免由于经验法切割导致零件变形、甚至报废；同样对线切割过程工装工艺设计、提高零件成品质量具有重要意义。

本发明采用有限单元法模拟仿真线切割过程中两极放电后热应力场的变化，掌握线切割过程、线切割结束后热应力场动态分布，对于线切割过程及切割完成后的零件变形进行预测、线切割过程工装工艺设计、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形具有重要意义。

Claims (5)

1.一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，其特征在于，具体包括有如下步骤：

第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，并对建立的三维有限元模型进行网格划分；

第二步：待第一步完成后，对打印粉末材料的性能参数进行定义；

第三步：待第二步完成后，建立热源加载条件；

第四步：确定增材制造最终应力场，包括线切割高度、方向的确定。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第一步具体按照以下方法实施：

对待线切割的零件及基板进行三维有限元模型的建立，将待线切割的零件及基板进行不同的层面的建模，再连接层与层之间的每一层的网格模型，保证建模过程与增材制造的过程每一层的轮廓区域一一对应；

对增材制造零件进行网格划分，三维有限元模型整体整体采用全六面体网格划分，最小单元控制为1.5×1.5×1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，其特征在于，在所述第二步中：

增材制造过程中的导热系数W/m·℃、对流换热系数W/m²·℃、密度Kg/m³、比热J/Kg·℃、泊松比、弹性模量N/m²、热膨胀系数1/℃和屈服极限MPa参数通过脚本化有限元分析进行迭代拟合，最终得出其塑性应变和流变应变的函数曲线图。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第三步建立热源加载条件的具体方法如下：

采用一种移动半椭球热源对其进行热载荷加载，具体如下：

<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>6</mn> <mi>Q</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msup> <msubsup> <mi>P</mi> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

式(1)中：Q为电极之间热源温度；T为瞬态加热温度；R为电极加热中心的有效加热半径；r为任意一点离加热中心原点的距离；P为电机的总功率；

增材制造过程中：激光铺粉粉末层高为0.05mm；激光道与道搭接宽度为0.08mm；激光功率为280w；激光扫描速度为886mm/s；激光能量有效利用率45％；打印粉末为TC4。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第四步具体按照以下方法实施：

对增材制造过程及打印结束后零件整体的应力状态及变形状态进行记录，对线切割方向、线切割高度进行设置，分析最终线切割对零件整体产生的变形状态。