CN108480821B - 一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，该方法以粗加工好的模具内表面作为增材基准面，采用熔化极惰性气体保护电弧增材工艺，通过特定的随形增材路径及角度制造出截面为圆形的内部随形通道，冷却介质在该通道中流动，流动方向与模腔内表面平行。包括以下步骤：步骤S1：三维圆形截面随形流道结构设计；步骤S2：流道结构分区及基体基准面铣削加工；步骤S3：流道下半部分的增材制造；步骤S4：流道上半部分流道内壁结构和其余结构的增材制造，步骤S5：模具腔体内表面机械加工。本发明采用低成本的电弧增材制造工艺技术，实现了大型模具复杂随形冷却流道的高效制造，具有节约原材料、降低制造成本、模具冷却效率高、冷却均匀性好等特点。

Description

一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法

技术领域：

本发明涉及一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法。

背景技术：

有机制品，如塑料制品、碳纤维复合材料制品、玻纤复合材料制品等在国民经济和人们日常生活中被广泛使用，应用模具实现有机制品的成型是最有效的制造方法。在有机制品成型的过程中，模具内部冷却不均是导致制品各种缺陷的主要因素之一。为了保证有机制品的质量，必须对模具温度进行严格的调节控制，一般采用在模具内部开设冷却流道的方式来控制模具的温度。受到传统加工方法的限制，传统的冷却流道为简单的直线型冷却流道。面对复杂结构的有机制品，就会出现冷却不均的状况。为了实现均匀、快速、精确地调控模具温度，随形冷却流道的概念被提出。随形冷却流道是指在模具中冷却流道路径沿着型腔表面以等高线的形式排布形成的冷却流道。随形冷却流道技术能够大幅提升模具的生产能力和生产水平，具有显著经济效益。

目前，模具随形流道的制造方法主要有粉床式选择性激光烧结，激光熔敷和扩散焊等。粉床式选择性激光烧结适用于微小尺寸模具或镶块的内部随形流道的制造，其优点是成型精度高，在微小和复杂流道的制造上适用性好，缺点在于其制造的结构尺寸小，制造过程对环境的要求严格，原材料成本高昂。激光熔敷可成型较大尺寸的模具结构，原材料可使用粉末或金属丝，使用粉末的原材料成本高昂且熔敷效率低下，使用金属丝则能实现较高的熔敷效率。以上两种方法所使用的热源均为激光光源，设备成本高昂又进一步限制此类方法在模具随形冷却流道制造上的应用。扩散焊方法对模具结构各分层的机械加工精度要求甚高，扩散焊过程中对压力，温度和时间的要求导致设备成本高昂，生产周期长。同时，扩散焊设备炉体的尺寸又进一步限制了随形冷却流道模具的成型尺寸。

电弧增材制造是以焊接电弧作为热源，通过将焊丝熔化，按照特定轨迹通过离散堆积的方式在基板母材自下而上逐层制造出所需结构件，得到由全堆焊焊缝金属组成的三维实体零件。与激光、电子束增材制造相比，具有生产成本低、生产效率高、环境污染风险低等优点，特别是成型效率方面，其堆积速度可达到8kg/h，能量利用率可达90%以上，不受零件结构尺寸的限制，十分适合大型模具主体以及随形冷却流道部分的快速、低成本的快速制造，具有广泛的应用前景。

目前，电弧增材制造的主要技术应用如下：通过电弧增材与铣削复合加工装置中的平面铣削功能来实时保证电弧增材制造过程中零件的尺寸精度（如授权专利201610353372.1），但该方法是通过传统的软件对零件水平分层再生产G代码，作为装置的执行路径。该方法未涉及也不适合封闭中空结构的制造。或只通过电弧送丝增材制造方法，在平面竖直方向上成形出简单结构同轴筒形件（如授权专利201210483539.8），该零件筒壁与水平面夹角固定，并未出现大范围的角度变化，也不是全封闭结构。类似的电弧增材结构制造方法均针对在水平面上为一闭合回路的金属结构（如公开专利CN106392270A、CN106944715A、CN107470620A），单层路径为单道次或多道次叠加而成。或电弧热源固定不动，利用变位机械的转动来实现同轴金属零件的增材制造过程（如公开专利CN107457469A）。

在模具制造领域，通过对热作模具失效部位进行激光扫描，然后利用软件进行三维造型和路径规划，最后使用电弧增材制造技术对热作模具失效部位进行实体增材修复（如公开专利CN106077901A），该技术局限性在于只增对模具内部上表面进行增材修复，而不是模具内部封闭结构的制造和修复。

现有专利方法主要集中于解决简单实体或二维闭合回路零件的制造，或是实体的表面修复等。此类电弧增材成形方向均为与增材基准面垂直或成固定角度，且此类成形零件都不是全封闭结构或圆拱形结构。电弧增材制造过程中，焊枪的姿态或垂直或成一定角度，并未根据实际需要实时变换焊枪姿态。综上所述，目前还缺乏电弧增材制造技术在复杂结构和模具结构上的应用技术开发，特别是还未见有电弧增材制造技术在模具内部随形流道制造上的新的应用技术出现。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，实现增材制造技术以更低的成本和更高的效率在大型模具腔体内部流道结构制造领域的应用；同时，其增材制造出的随形冷却流道，极大地提高了模具腔体的冷却效率和冷却均匀性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

步骤S1：在模具内靠近模腔表面区域进行其随形冷却流道（3）的三维分布模型的设计；

步骤S2：将模具划分为基体部分（1）、圆形截面随形冷却流道下半部分（2）、冷却流道上半部分内壁结构（4）和冷却流道上半部分其余结构（5），通过铣削加工出基体部分的随形基准表面（6）；

步骤S3：在基体部分的随形基准表面（6）上进行圆形截面随形冷却流道下半部分（2）的电弧增材制造；

步骤S4：对已增材制造出的圆形截面随形冷却流道下半部分（2）进行铣削加工，形成新的增材基准表面（8），然后进行冷却流道上半部分内壁结构（4）和冷却流道上半部分其余结构（5）的电弧增材制造；

步骤S5：对增材出的冷却流道上半部分其余结构（5）的上表面进行机械处理。

进一步的，所述电弧增材制造为使用熔化极惰性气体保护电弧焊接工艺进行熔敷金属层的三维堆积，其使用的材料为钢质焊丝，其使用的保护气体为氩气与二氧化碳混合气体，其增材制造熔敷效率范围0～8kg/h，加工余量≤5mm；电弧增材层间温度在25℃ ~ 60℃范围内并保持一致。

进一步的，冷却流道与中心线相垂直的截面为圆形，流道直径≥15mm。

进一步的，在步骤S1中，冷却流道的三维分布模型的进出水口数量≥2个。

进一步的，在步骤S2中，电弧增材结构的划分方式是针对单层流道，并以过圆形截面流道中心线且平行于模具腔体内表面（10）的曲面或平面作为上、下部分的分界面。

进一步的，在步骤S3和步骤S4中，圆形截面随形冷却流道下半部分（2）和冷却流道上半部分其余结构（5）的熔敷层分层方式在流道二维截面上是水平分层，在三维实体上是按随形面分层。

进一步的，在步骤S4中，冷却流道上半部分内壁结构（4）为单跨圆拱结构，增材制造过程中内部无需支撑结构，并且在模具腔体内表面法线方向上，冷却流道上半部分内壁结构（4）要先于冷却流道上半部分其余结构（5）进行增材制造；所述冷却流道上半部分内壁结构（4），其二维截面的增材制造采用熔敷层法线方向沿圆弧曲线变化的等弧度角分层方式。

进一步的，随形流道内表面的下半部分（7）经铣削加工为平滑的半圆弧表面，而其上半部分内壁结构为未加工过的焊道粗糙圆弧表面（9）。

进一步的，在电弧增材制造过程中，焊枪按路径规划的路线随形移动，并与路径曲线的切线方向保持垂直关系；对于圆形截面随形冷却流道下半部分（2）和冷却流道上半部分其余结构（5），在电弧增材过程中，焊枪始终处于随形面法线方向。

进一步的，冷却流道上半部分内壁结构（4）的电弧增材制造过程中，焊枪始终处于公称直径所在圆弧的切线方向，焊枪每层的变化角度β与流道半径R、熔敷层高h和层宽d有关，焊枪一旦与内壁增材结构发生干涉，焊枪角度需要反向回调，每次回调角度应＜β，直至结构距离L≤1mm，焊枪调整回法线方向焊合流道结构。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、本发明在大型模具基体上通过离散堆积增材制造的方式，更加快速灵活地制造模具腔体的内部随形冷却流道，大大提高原材料的利用率，获得高效的冷却效率和均匀的冷却效果，缩短模具合模过程中等待工件冷却的时间，改善因温度冷却不均匀所导致的工件变形情况；

2、本发明采用具有设备和材料成本低廉的电弧焊接技术进行金属结构增材制造，配合使用工业机器人，可在保证增材制造尺寸精度的前提下，大幅提高模具随形流道的制造可行性，适用于解决大型模具内部单层随形冷却流道的制造困难、生产周期长、成本高昂等难题。

3、本发明对圆形截面随形冷却流道采用分区先后增材制造的方式，配合不同的弧焊工艺参数、熔敷层堆积方式、焊枪姿态及干涉调整等，有效解决了无支撑结构条件下封闭式单跨圆拱结构的增材成形，制造出完整圆形截面的内部随形流道结构，相比其他截面形状的流道更能提升模具的冷却效果，突破了模具传统直流道的局限性，为大型模具腔体及其冷却结构的设计和制造提供了一种新方法。

附图说明：

图1是圆形截面随形冷却流道的增材分区构造示意图；

图2是图1中的A-A剖面构造示意图；

图3是圆形截面冷却流道下半部分弧焊增材制造过程示意图；

图4是圆形截面冷却流道上半部分弧焊增材制造过程示意图；

图5是圆形截面随形冷却流道内壁结构增材分层及焊枪干涉回调过程示意图。

图中：

1-模具基体部分；2-圆形截面随形冷却流道下半部分；3-随形冷却流道；4-冷却流道上半部分内壁结构；5-冷却流道上半部分其余结构；6-基体部分的随形基准表面；7-随形流道内表面的下半部分；8-随形流道上半部分增材基准表面；9-随形流道内表面的上半部分；10-模具腔体内表面；11-焊枪；12-铣刀。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1和图2示意性地表示了本实施例中的模具随形流道的内部结构。

本发明一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据模具型腔的几何形状及尺寸，结合电弧增材制造工艺，在模具内靠近模腔表面区域进行其随形冷却流道3的三维分布模型的设计；

步骤S2：如图2所示，将模具划分为基体部分1、圆形截面随形冷却流道下半部分2、冷却流道上半部分内壁结构4和冷却流道上半部分其余结构5，并进行各结构的增材路径规划。根据模具型腔的几何形状及尺寸，结合电弧增材制造工艺，通过铣削加工出基体部分的随形基准表面6。

步骤S3：如图3所示，在基体部分的随形基准表面6上进行圆形截面随形冷却流道下半部分2的电弧增材制造，通过调节弧焊工艺参数、焊道搭接量及层间温度等因素，来控制电弧成形质量及尺寸精度；

步骤S4：如图3中的过程（C）所示，对已增材制造出的圆形截面随形冷却流道下半部分2进行铣削加工，形成新的增材基准表面8。图如4所示，然后进行冷却流道上半部分内壁结构4和冷却流道上半部分其余结构5的电弧增材制造。

步骤S5：如图4所示，对增材出的冷却流道上半部分其余结构5的上表面进行机械处理，即进行机械加工和工艺处理，以形成满足使用性能要求的模具腔体内表面10。

本实施例中，冷却流道与中心线相垂直的截面为圆形，流道直径≥15mm。流道随形指的是在模具腔体内表面10要求冷却速度相同的区域，其内部随形流道中心线到模具腔体内表面10的最短距离保持一致，除模具两端保留流道的进出水口外其余流道部分为全封闭结构。

本实施例中，流道三维分布是根据模具腔体对内表面综合力学性能和冷却速度的要求来设计，冷却速度要求不同则冷却流道中心线到模具腔体内表面10的距离不同，冷却流道应根据模具大小、冷却要求和流道分布疏密来确定进出水口的数量，保证冷却介质的温度稳定性，进出水口数量≥2个。

本实施例中，在步骤S2中，电弧增材结构的划分方式是针对单层流道，并以过圆形截面流道中心线且平行于模具腔体内表面10的曲面或平面作为上、下部分的分界面。

本实施例中，所述电弧增材制造为使用熔化极惰性气体保护电弧焊接工艺进行熔敷金属层的三维堆积，其使用的材料为钢质焊丝，其使用的保护气体为氩气与二氧化碳混合气体，其增材制造熔敷效率范围0～8kg/h，加工余量≤5mm。电弧增材制造过程是根据增材结构尺寸来选择合理且不同的弧焊工艺参数及其焊道搭接量对增材尺寸精度及加工余量进行控制，电弧增材层间温度在25℃ ~ 60℃范围内并保持一致。

本实施例中，在步骤S3和步骤S4中，基体部分的随形基准表面6、随行流道上部分增材基准表面8与模具腔体内表面10不是完全随形一致，是根据有限元模拟计算结果和工程经验，充分考虑结构变形和尺寸成形精度后所确定的增材基准表面。

本实施例中，如图5所示，在步骤S3和步骤S4中，圆形截面随形冷却流道下半部分2和冷却流道上半部分其余结构5的熔敷层分层方式在流道二维截面上是水平分层，在三维实体上是按随形面分层。

本实施例中，在步骤S4中，冷却流道上半部分内壁结构4为单跨圆拱结构，增材制造过程中内部无需支撑结构，并且在模具腔体内表面法线方向上，冷却流道上半部分内壁结构4要先于冷却流道上半部分其余结构5进行增材制造，以保证流道的尺寸精度。所述冷却流道上半部分内壁结构4，其二维截面的增材制造采用熔敷层法线方向沿圆弧曲线变化的等弧度角分层方式。

本实施例中，随形流道内表面的下半部分7经铣削加工为平滑的半圆弧表面，而其上半部分内壁结构为未加工过的焊道粗糙圆弧表面9。

本实施例中，如图1所示，在电弧增材制造过程中，焊枪按路径规划的路线随形移动，并与路径曲线的切线方向X保持垂直关系；对于圆形截面随形冷却流道下半部分2和冷却流道上半部分其余结构5，在电弧增材过程中，焊枪始终处于随形面法线方向。冷却流道上半部分内壁结构4的电弧增材制造过程中，焊枪始终处于公称直径所在圆弧的切线方向，焊枪每层的变化角度β与流道半径R、熔敷层高h和层宽d有关。如图5所示，焊枪一旦与内壁增材结构发生干涉，焊枪角度需要反向回调（图5b），每次回调角度应＜β，直至结构距离L≤1mm，焊枪调整回法线方向焊合流道结构。

本实施例中，电弧增材制造过程中通过不断变换焊枪的姿态和控制层间温度，来控制整个流道截面的尺寸精度，保证流道到模腔内表面距离的一致性，并且避免焊枪与已成型部分发生位置干涉。本发明采用低成本的电弧增材制造工艺技术，实现了大型模具复杂随形冷却流道的高效制造，显著提高了大型模具随形冷却流道结构制造的可行性与工程适应性，具有节约原材料、降低制造成本、结构设计与材料分布灵活、模具冷却效率高、冷却均匀性好等特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上实施例所述并不用以限制本发明，凡在本发明申请专利范围所做的任何修改与修饰，均应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：在模具内靠近模腔表面区域进行其随形冷却流道（3）的三维分布模型的设计；

步骤S2：将模具划分为基体部分（1）、圆形截面随形冷却流道下半部分（2）、冷却流道上半部分内壁结构（4）和冷却流道上半部分其余结构（5），通过铣削加工出基体部分的随形基准表面（6）；

步骤S3：在基体部分的随形基准表面（6）上进行圆形截面随形冷却流道下半部分（2）的电弧增材制造；

步骤S4：对已增材制造出的圆形截面随形冷却流道下半部分（2）进行铣削加工，形成新的增材基准表面（8），然后进行冷却流道上半部分内壁结构（4）和冷却流道上半部分其余结构（5）的电弧增材制造；冷却流道上半部分内壁结构（4）为单跨圆拱结构，增材制造过程中内部无需支撑结构，并且在模具腔体内表面法线方向上，冷却流道上半部分内壁结构（4）要先于冷却流道上半部分其余结构（5）进行增材制造；所述冷却流道上半部分内壁结构（4），其二维截面的增材制造采用熔敷层法线方向沿圆弧曲线变化的等弧度角分层方式；

步骤S5：对增材出的冷却流道上半部分其余结构（5）的上表面进行机械处理。

2.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：所述电弧增材制造为使用熔化极惰性气体保护电弧焊接工艺进行熔敷金属层的三维堆积，其使用的材料为钢质焊丝，其使用的保护气体为氩气与二氧化碳混合气体，其增材制造熔敷效率范围0～8kg/h，加工余量≤5mm；电弧增材层间温度在25℃ ~ 60℃范围内并保持一致。

3.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：冷却流道与中心线相垂直的截面为圆形，流道直径≥15mm。

4.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：在步骤S1中，冷却流道的三维分布模型的进出水口数量≥2个。

5.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：在步骤S2中，电弧增材结构的划分方式是针对单层流道，并以过圆形截面流道中心线且平行于模具腔体内表面（10）的曲面或平面作为上、下部分的分界面。

6.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：在步骤S3和步骤S4中，圆形截面随形冷却流道下半部分（2）和冷却流道上半部分其余结构（5）的熔敷层分层方式在流道二维截面上是水平分层，在三维实体上是按随形面分层。

7.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：随形流道内表面的下半部分（7）经铣削加工为平滑的半圆弧表面，而其上半部分内壁结构为未加工过的焊道粗糙圆弧表面（9）。

8.根据权利要求6所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：在电弧增材制造过程中，焊枪按路径规划的路线随形移动，并与路径曲线的切线方向保持垂直关系；对于圆形截面随形冷却流道下半部分（2）和冷却流道上半部分其余结构（5），在电弧增材过程中，焊枪始终处于随形面法线方向。

9.根据权利要求1所述的一种圆形截面随形冷却流道的电弧增材制造方法，其特征在于：冷却流道上半部分内壁结构（4）的电弧增材制造过程中，焊枪始终处于公称直径所在圆弧的切线方向，焊枪每层的变化角度β与流道半径R、熔敷层高h和层宽d有关，焊枪一旦与内壁增材结构发生干涉，焊枪角度需要反向回调，每次回调角度应＜β，直至结构距离L≤1mm，焊枪调整回法线方向焊合流道结构。

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