CN108258606A - 一种正向闭环制造零部件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种正向闭环制造零部件的系统，包括制定方案单元、建模单元、有限元分析单元、3D打印单元、锻造处理单元、热处理单元、光饰处理单元和现场检测单元。使用本发明的系统，可以灵活互动定制维修作业的技术应用路线，形成闭环完整的产品技术链条。不仅可为电力设备的安全运行提供快速响应和保障，大大降低电力设备和人员事故的发生几率，同时也减少了维护检修作业次数，提高了维护检修作业过程的安全性。

Description

一种正向闭环制造零部件的系统

技术领域

本发明涉及先进制造领域，尤其涉及一种正向闭环制造零部件的系统。

背景技术

在电气设备维护检修作业中，由于存在大量磨损、寿命周期失效或损坏的零部件。由于厂家已不再生产该型号设备，无法提供部件更换和维护，而只能更换整个模块或者导致整套设备待修、提前结束设备使用的问题。同时，还存在紧急需要某种备\配件（如末屏盖、GIS取气口、取油口等），但采购周期长，而无法及时更换或使用的问题。在生产一线，检修人员存在自行创新和设计改进工作器具的需求，若采用传统生产方法，开模铸造，存在批量少，成本高的问题，造成单件或少量设计的工具几乎无法实现。大量储备备品备件则将耗费仓储资源及浪费资金，而不能及时更换零件又将导致设备“带病工作”，降低供电可靠性。

在电力设备运维检修工作中，涉及电气设备不同品牌、不同型号、不同批次的形式各异的零件；同时，检修人员在生产工作中不断接触新型设备，因此存在改进作业工器具和提升改造设备性能的需求，以提高生产效率。传统的设备定制部件工艺方法制约着上述工作的开展。因此，需要在电力设备采用柔性技术以制造运维设备零部件和创新改进设备的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种正向闭环制造零部件的系统，以解决目前零部件制造存在的上述不足问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种正向闭环制造零部件的系统，包括制定方案单元、建模单元、有限元分析单元、3D打印单元、锻造处理单元、热处理单元、光饰处理单元和现场检测单元，所述制定方案单元是根据检修作业现场提出的需求，制定定制零部件的方案，所述建模单元用于根据所述方案构建所述零部件的3D模型，所述有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析，并判断分析结果是否合格，所述3D打印单元用于根据所述 3D 模型逐层打印成型，获得零部件，所述锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理，所述热处理单元用于对所述零部件进行热处理，所述光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理，所述现场检测单元用于检测所述零部件的现场应用是否合格。

优选的，所述3D模型通过正向建模方式构建。

优选的，所述打印是采用激光选区熔化成型技术进行。

优选的，在所述打印过程中添加微量元素。

优选的，所述微量元素是通过超声共振渗透技术添加。

优选的，所述微量元素是钛。

优选的，所述锻造处理采用微分锻造技术。

优选的，所述热处理包括淬火和时效。

优选的，所述时效为人工时效。

优选的，所述光饰处理包括粗振、打磨和细振。

本发明的益处在于：

（1）以较低的成本满足用户的个性化需求，且相比现有技术大大提高了效率。

（2）通过运用有限元技术，保证了零部件的使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期。

（3）通过运用激光选区熔化成型技术，大大提高了零部件的加工精度。

（4）采用超声共振渗透技术添加微量元素，在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升。

（5）通过采用微分锻造等技术工艺，使得零部件材料结晶、合金化方面普遍优于传统锻造工艺。

（6）采用热处理技术大大提高了零部件的强度，保证良好的综合性能。

（7）通过光饰处理，确保零部件表面光整。

（8）拓展了维护检修作业的应用范围，极大减少设备因为小零件结束设备功能和设备故障效率，减少维护检修作业次数，提升了供电可靠性；同时延长设备使用生命周期，节约生产成本。

（9）提高了维护检修作业过程安全性，能开发出同时满足多个性能的新型维护检修作业器具，满足电气设备运行效率。

（10）合理科学的提高基层作业人员对设备的开发改造技术能力，有利于推动推广对广大职工创新工作，提升职工对工作的热情，提升了对电气设备维护工作科学性。

（11）可为企业提供可靠的快速设计、制造的定制化产品服务，不仅可为电力设备的安全运行提供快速响应和保障，大大降低电力设备和人员事故的发生几率，同时也将为企业节约大量运行维修和人力设备的成本，经济效益显著。

（12）可灵活互动定制维修作业的技术应用路线，形成闭环完整的产品技术链条。

附图说明

图 1 是本发明实施例制造系统结构示意图；

图 2 是本发明实施例运用有限元技术分析的流程图。

具体实施方式

一种正向闭环制造零部件的系统，如图1所示，包括制定方案单元、建模单元、有限元分析单元、3D打印单元、锻造处理单元、热处理单元、光饰处理单元和现场检测单元。其中：

制定方案单元是根据检修作业现场提出的需求，制定定制零部件的方案。在电力设备运维检修工作中，涉及电气设备不同品牌、不同型号、不同批次的形式各异的零件。同时，检修人员在生产工作中不断接触新型设备，因此存在改进作业工器具和提升改造设备性能的需求，以提高生产效率。可大量储备备品备件将耗费仓储资源及浪费资金，而不能及时更换零部件又将导致设备“带病工作”，降低供电可靠性。因此，当维护检修作业现场需要某种零部件时，就要提出制造需求，然后根据需求制定定制零部件的方案。

建模单元用于根据所述方案构建所述零部件的3D模型。构建零部件的3D模型，通常有两种方法，分为逆向建模和正向建模。所谓逆向建模，是通过逆向反求工程获得零部件的相关数据。具体方法为 ：先运用CT 扫描获得零部件的数据，再运用 Imageware 逆向工程软件消除噪点，进行特征提取，建立表面平顺的3D模型。而正向建模是采用专业建模软件对零部件进行建模。具体方法为：采用Unigraphics NX 3D建模软件，进行计算机辅助设计，精密构建零部件的3D模型。对于两种3D模型构建方法，模型的特征信息，可以相互借鉴和更新。本发明采用正向建模方法构建所述零部件的3D模型。

有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析，并判断分析结果是否合格。构建零部件的3D模型后，运用有限元技术，对零部件进行有限元分析。分析类型包括应力分析、疲劳分析，分析的目的是实现减小模型大倾角的曲面，实现零部件预计的使用寿命。应力分析是分析和求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法，主要用于确定与机械零件和构件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变。而疲劳分析则是分析在无限多次交变载荷作用下的最大破坏应力。

有限元分析的具体流程如图2所示：首先，初步确定，包括分析类型、单元类型、模型类型；然后，前处理，包括导入几何模型、定义材料属性、划分网格；接着，求解，包括施加约束和载荷、有限元求解；最后，后处理，包括评估结果、输出报告。如果分析结果满足要求，则进行下一步；不满足，则返回，对零部件的3D建模进行优化，之后重新进行有限元分析。

对零部件的3D模型进行有限元分析后，如果分析结果合格，则将该3D模型纳入仿真设计模型库，以不断充实和完善仿真设计模型库，其目的在于满足非标器具创新和加工制造设计的要求。如果分析结果不合格，则返回到制定方案单元重新制定定制方案。

3D打印单元用于根据所述 3D 模型逐层打印成型，获得零部件。在打印成型前，首先应用 mlab 模块 ( 一个基于 python 的模块，可以制作 3D 图像 ) 对所述 3D 模型进行切片处理，获得3D 模型的逐层截面。同时根据精度需求对每层截面的厚度以及分辨率等进行设置。一般切片的厚度为0.01mm~0.03mm，优选切片的厚度为0.02mm。其次，通过读取所述 3D 模型的逐层截面信息，利用激光选区熔化成型技术进行逐层打印继而将逐层粘合形成一个实物，该实物即为所定制的零部件。

目前，激光选区熔化成型技术（Selective Laser Melting，SLM）所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、钴铬合金和少量强度不高的铝合金等材料体系。为解决现有SLM成型合金材料的热裂问题，本发明从传统合金材料设计的角度出发，通过在SLM成型合金中添加微量元素的方法，获得了致密无裂纹的试样。本发明通过超声共振渗透技术添加钛微量元素，可使相结构与相变温度发生改变，即钛合金存在 3 种基体组织，也就是α,（α+β）和β，铝是稳定α元素，钼、铌和钒是稳定β元素。在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升；与原有粗大的柱状晶显微组织不同，微量元素改性后的组织为1mm量级的等轴晶；在细晶强化和析出强化的共同作用下，极限抗拉强度提升12%。

锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理。由于3D打印成型过程是无压力加工过程，无法获得锻造件的特性。为提高零部件的机械特性，必须对零部件进行锻造处理。所谓锻造就是借助外力的作用使零部件产生塑性变形，改变金属材料形状、改善金属内部金相组织，从而获得所需形状、尺寸和一定组织性能。本发明采用微分锻造等技术工艺，使得零部件材料结晶、合金化方面普遍优于传统锻造工艺。

热处理单元用于对所述零部件进行热处理。热处理就是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。其目的是通过改变材料的表面或内部组织，来改变工件性能，从而获取需要的机械性能。为了提高零部件的硬度和耐磨性，同时改善零部件的材料性能或化学性能，本发明的热处理包括淬火和人工时效两种工艺。淬火是将零部件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法，其目的是增加零部件的强度和硬度。淬火中常用的淬火剂有水、油、碱水和盐类溶液等。人工时效是将零部件加热到550~650℃并保持5-20小时进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底，确保最终的零部件具有优良的机械性能。经过锻造处理和热处理，大大提高了零部件的强度，保证其具有良好的综合性能。

光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理。光饰也称光整，是一项工件表面光饰加工新工艺，是将一定比例的工件、磨料和填加剂放在光饰机的容器中，依靠容器的周期性振动，使工件和磨料运动并相互磨削。其目的是使零部件表面光整、去毛刺、倒圆角、光亮抛光、去除合模线等。本发明的光饰处理包括粗振、打磨和细振。具体过程是：将零部件放到震动桶进行粗振，时间持续2.5小时；然后用尼龙轮打磨零部件合模线处；最后又将零部件放到震动桶进行细振，时间持续0.5小时左右。

现场检测单元用于检测所述零部件的现场应用是否合格。将上述经过光饰处理后的零部件应用于检修作业现场并进行实际检测，如合格，则该零部件可以进入现场应用，否则，返回到制定方案单元重新制定定制方案。

综上所述，本发明提供一种正向闭环制造零部件的系统，可灵活互动定制维修作业的技术应用路线，形成闭环完整的产品技术链条。该模式有别于传统的使用常用维护检修作业器具的技术路线，不仅可为电力设备的安全运行提供快速响应和保障，大大降低电力设备和人员事故的发生几率，同时也减少了维护检修作业次数，提高了维护检修作业过程的安全性。

Claims (10)

1.一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，包括制定方案单元、建模单元、有限元分析单元、3D打印单元、锻造处理单元、热处理单元、光饰处理单元和现场检测单元，所述制定方案单元是根据检修作业现场提出的需求，制定定制零部件的方案，所述建模单元用于根据所述方案构建所述零部件的3D模型，所述有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析，并判断分析结果是否合格，所述3D打印单元用于根据所述 3D 模型逐层打印成型，获得零部件，所述锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理，所述热处理单元用于对所述零部件进行热处理，所述光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理，所述现场检测单元用于检测所述零部件的现场应用是否合格。

2.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述3D模型通过正向建模方式构建。

3.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述打印是采用激光选区熔化成型技术进行。

4.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，在所述打印过程中添加微量元素。

5.根据权利要求4所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述微量元素是通过超声共振渗透技术添加。

6.根据权利要求4所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述微量元素是钛。

7.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述锻造处理采用微分锻造技术。

8.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述热处理包括淬火和时效。

9.根据权利要求8所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述时效为人工时效。

10.根据权利要求1所述的一种正向闭环制造零部件的系统，其特征在于，所述光饰处理包括粗振、打磨和细振。