CN109967907A - 一种智能化模具3d打印增材制造工艺 - Google Patents

一种智能化模具3d打印增材制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。本发明的目的在于为了增大模具焊接工艺的智能化、自动化，提高模具生产的效率，提供一种新的智能化模具3D打印增材制造工艺。

Description

一种智能化模具3D打印增材制造工艺
技术领域
本发明涉及自动化模具的加工技术领域，特别涉及一种智能化模具3D打印增材制造工艺。
背景技术
模具的加工工艺包括以下步骤：气刨→探伤(排除夹杂、裂纹)→扫描→预热模具→焊接→焊后热处理→扫描→打磨→检验出库。
现有专利号为CN201510795835.5、专利名称为“基于熔化极气体保护焊和数控加工的金属焊接3D打印方法”的中国发明专利公开了一种金属焊接3D打印方法，但是其缺少堆焊路径规划优化的模拟工艺，堆焊过程中容易造成焊接的弧坑塌陷，焊接精度低，并且堆焊工艺未做优化设置，焊缝的机械性能并不能满足更高的工业需求。因此，为了增大模具焊接工艺的智能化、自动化，提高模具生产的效率，需要研究开发一种新的智能化模具3D打印增材制造工艺。
发明内容
本发明的目的在于为了提高模具焊接工艺的智能化、自动化，提高模具生产的效率，提供一种新的智能化模具3D打印增材制造工艺。
本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，堆焊路径规划优化的模拟工艺为螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺。在堆焊的过程中使焊枪的路径以螺旋线的方式递进，具体的是在一条与焊接面垂直基准线上向上移动焊枪、然后焊枪起弧向右、向前、向左、向后在起弧点收弧形成封闭矩形路线，然后再在基准线上向上移动焊枪，重复封闭矩形路线，此为螺旋线的方式递进。这种方式最终起弧、收弧重叠在一处，形成一道较为对称平直的焊缝。同时在堆焊的过程中，相邻的焊道会反复重熔，在液态金属表面张力的作用下会使得焊缝表面变得较平整。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位喷涂清洗剂；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用冷却剂冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
作为本发明的进一步改进，清洗剂的组分及配比为三氯乙烯100份，三乙醇胺5-10份，一乙醇胺10-15份，羟基月桂酸10-15份，油酸钠1-5份，羟苯异丁酯3-5份。
作为本发明的进一步改进，冷却剂的组分及配比为水100份，丁烷10-15份，甘油异硬脂酸酯10-15份，硼砂5-10份，1，3-二氯丙醇25-30份，氨基环氧氯丙烷10-15份。
作为本发明的进一步改进，步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用的清洗剂能够去除模具表面的原始氧化膜，有效避免焊缝内工艺气孔的出现，清洗剂中的羟苯异丁酯能促进三氯乙烯、三乙醇胺、一乙醇胺对工件表面的形成微槽的活性，增加焊缝的熔深，显著提高焊缝的成形质量。
2.本发明采用的冷却剂喷涂焊缝，能有效细化焊缝加热影响区的晶粒，提高焊缝的强度，并且通过喷涂冷却剂甘油异硬脂酸酯也能有效防止焊接凝固裂纹，提高焊缝的塑性和拉伸性能。
3.本发明还设置有堆焊路径规划优化的模拟工艺，具体的采用螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺，能有效减少焊接的弧坑塌陷，有助于提高焊接工艺的精度，进而增加焊缝的稳定性和拉伸强度。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明披露了利用熔化焊焊机、数控机床、3D打印设备组成复合三工位的快速成形系统。其中，熔化焊焊机作为焊接热源、3D打印设备作为运动装置、数控机床对零件表面进行加工。三者共同搭建快速成型制造技术实验平台，并与的ER50-6实芯焊丝配合使用，进行金属零件的打印制造，具体实施方式如下。
实施例1
本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，扫描的方法为采用Z字扫描、每层旋转一定角度，具体的是，采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷，从而获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，堆焊路径规划优化的模拟工艺为螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位不进行预处理；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用冷却剂冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
作为本发明的进一步改进，冷却剂的组分及配比为水100份，丁烷10-15份，甘油异硬脂酸酯10-15份，硼砂5-10份，1，3-二氯丙醇25-30份，氨基环氧氯丙烷10-15份。
作为本发明的进一步改进，步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
实施例2
本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，扫描的方法为采用Z字扫描、每层旋转一定角度，具体的是，采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷，从而获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，堆焊路径规划优化的模拟工艺为螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位喷涂清洗剂；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用空冷冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
作为本发明的进一步改进，清洗剂的组分及配比为三氯乙烯100份，三乙醇胺5-10份，一乙醇胺10-15份，羟基月桂酸10-15份，油酸钠1-5份，羟苯异丁酯3-5份。
作为本发明的进一步改进，步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
实施例3
本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，扫描的方法为采用Z字扫描、每层旋转一定角度，具体的是，采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷，从而获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，堆焊路径规划优化的模拟工艺为螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位喷涂清洗剂；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用冷却剂冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
作为本发明的进一步改进，清洗剂的组分及配比为三氯乙烯100份，三乙醇胺5-10份，一乙醇胺10-15份，羟基月桂酸10-15份，油酸钠1-5份，羟苯异丁酯3-5份。
作为本发明的进一步改进，冷却剂的组分及配比为水100份，丁烷10-15份，甘油异硬脂酸酯10-15份，硼砂5-10份，1，3-二氯丙醇25-30份，氨基环氧氯丙烷10-15份。
作为本发明的进一步改进，步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
对比例
本发明提供一种智能化模具3D打印增材制造工艺，包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，扫描的方法为采用Z字扫描、每层旋转一定角度，具体的是，采用方向平行路径进行实体填充，即每一段填充路径之间相互平行，在边界线内往复扫描进行填充，为了避免起弧和收弧阶段出现弧坑缺陷，在堆焊下一层时，避开上层起弧点一定距离的方式来消除内部可能产生的累计误差和缺陷，从而获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺，具体的，本对比例中未对堆焊路径进行优化。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位不进行预处理；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用空冷冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
作为本发明的进一步改进，步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
对实施例1-实施例3以及对比例中的模具转向节制备测试试样，根据GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》测试焊缝的在拉伸性能和弯曲性能，结果如下表1。
表1不同试样的性能测试
从上表1中可以看出，实施例1-3中抗拉伸强度最低为586.3MPa，最高抗拉伸强度达到664.8Mpa，相对于对比例最高提高了53％，最低、最高屈服强度分别达到423.9MPa和466.1MPa，相对与对比例最高提高了63.7％，塑性达到了46.6％，证明了经过本发明的生产工艺步骤，转向节的焊缝得到了优异的韧性、抗拉伸性能和塑性，弯曲性能为试样弯曲180°的表征，与对比例表征无太明显的差异，因此实施例1-3相对于对比例的机械性能得到了很好的改善。并且实施例1-3堆焊的单臂墙体外观表征均未出现弧坑坍塌，但是对比例在收弧的一侧发生了严重坍塌，影响了焊缝的成型。
以上对本发明所提供的一种智能化模具3D打印增材制造工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：包括步骤：S1：在Unity3D软件中设计出所需3D焊接模具的三维实体模型；S2：采用CAD模型切片算法对模具进行焊层分布，获得所需3D焊接工艺的模具熔敷路径规划；S3：在Unity3D后处理软件中设置焊接角度进行模具焊接的模拟工艺；S4：以熔化焊焊机作为焊接热源，以3D打印设备作为运动装置，以数控机床对焊缝表面根据设计的路径规划采用堆焊方式逐层形成熔覆层进行焊接加工。
2.根据权利要求1所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述步骤S3中还包括堆焊路径规划优化的模拟工艺。
3.根据权利要求2所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述堆焊路径规划优化的模拟工艺为螺旋递进重熔的规划的优化的模拟工艺。
4.根据权利要求1所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述步骤S4包括以下步骤：a、对模具焊接部位喷涂清洗剂；b、对焊接部位局部热处理；c、采用焊条进行焊接；d、最后再采用冷却剂冷却定型；e、然后重复步骤b-d进行堆焊。
5.根据权利要求4所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述清洗剂的组分及配比为三氯乙烯100份，三乙醇胺5-10份，一乙醇胺10-15份，羟基月桂酸10-15份，油酸钠1-5份，羟苯异丁酯3-5份。
6.根据权利要求4所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述冷却剂的组分及配比为水100份，丁烷10-15份，甘油异硬脂酸酯10-15份，硼砂5-10份，1，3-二氯丙醇25-30份，氨基环氧氯丙烷10-15份。
7.根据权利要求1所述的一种智能化模具3D打印增材制造工艺，其特征在于：所述步骤S4的焊接操作的焊接参数为：接电流为60-100A、焊接电压为20-30V、送丝速度为4-10m/min、行走速度为200-350mm/min。
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