CN110125402A - 一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法。该方法包括：对零件的三维模型进行分层切片处理，生成每个层面的轮廓信息；将每一层轮廓分割成四个区域；分别对四个加工区域规划成形路径，输入成形参数，生成加工程序；采用至少两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面的相间隔区域进行熔丝沉积成形，其中，第一丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅰ与零件加工区域Ⅱ的总和，第二丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅲ与零件加工区域Ⅳ总和，第一丝束同轴的电子枪加工的区域与第二丝束同轴的电子枪加工的区域在中间部位重合，并且该重合的加工区域横跨零件加工区域Ⅱ和零件加工区域Ⅲ。

Description

一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法。
背景技术
电子束熔丝成形是一种新兴的增材制造技术，建立在成熟的高能束流堆焊与熔敷技术基础上，同时融合了快速原型(Rapid Prototyping)、计算机辅助设计与制造(CAD&CAM)、柔性自动化技术，实现了高性能复杂结构致密金属零件的近净成型直接制造，是当前先进制造技术发展的崭新方向。
目前较为常用的电子束熔丝沉积成形技术均采用旁轴送丝沉积成形方法。在成形过程中，由于成形路径轨迹不断变化，使得在成形过程中每道成形的几何形状和尺寸精度不一致，导致最终成形零件尺寸和精度保证困难，易产生未熔合缺陷，甚至严重影响成形过程的顺利进行。电子枪布局或采用定枪式或定枪式，但都采用单一电子枪，在制造大型零件时采用单热源会造成构件局部温度较高，极易发生变形。目前在制造大型零件时，为了获得良好的组织性能会使用较小的能量输入，相应的降低送丝速度，造成成形效率下降。
因此，发明人提供了一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，能够解决旁轴送丝成形在沉积路径发生改变时成形几何形状和成形精度不一致的问题，降低成形过程中产生的应力，提高成形效率，实现高效精确沉积成形。
本发明的实施例提出了一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，该成形方法包括：
基于三维造型软件构造出零件的三维模型并转换成STL格式文件，通过数据处理软件对STL格式的零件三维模型进行分层切片处理，生成每个层面的轮廓信息；
将每一层轮廓分割成四个区域，依次是零件加工区域Ⅰ、零件加工区域Ⅱ、零件加工区域Ⅲ及零件加工区域Ⅳ；
根据零件三维模型，分别对四个加工区域规划成形路径，输入成形参数，生成加工程序；
采用至少两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面的相间隔区域进行熔丝沉积成形，其中，第一丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅰ与零件加工区域Ⅱ的总和，第二丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅲ与零件加工区域Ⅳ总和，第一丝束同轴的电子枪加工的区域与第二丝束同轴的电子枪加工的区域在中间部位重合，并且该重合的加工区域横跨零件加工区域Ⅱ和零件加工区域Ⅲ；
当两组电子枪加工区域的局部温度超过预设温度值时，停止对该加工区域加工，转移至其相邻的加工区域，直至温度降低到预设值以下，使零件温度场均匀分布，完成整个层面的丝束同轴熔丝沉积成形。
进一步地，在采用两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面加工时，第一丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅲ进行加工。
进一步地，当零件加工区域Ⅰ的局部温度超过预设温度值时，第一丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第一丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅱ，至温度降低到预设温度值以下，使第一丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。
进一步地，当零件加工区域Ⅲ的局部温度超过预设温度值时，第二丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第二丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅳ，至温度降低到预设温度值以下，使第二丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。
进一步地，在第一丝束同轴的电子枪加工区域和第二丝束同轴的电子枪加工区域的温度均降低到预设温度值以下后，第一丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅲ进行加工，直至完成整个层面的加工。
进一步地，在完成一个层面的成形后，继续下一个层面的成形，直至完成整个零件的成形。
进一步地，第一丝束同轴的电子枪和第二丝束同轴的电子枪均包括电子枪和送丝机构，所述送丝机构将金属丝材通过电子枪的环形电子束流同轴送出，所述电子枪和送丝机构均安装在可移动的横梁上，随横梁在三坐标方向运动。
本发明的一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法的有益效果有：
1、采用丝束同轴方式加工，电子枪体积较小，成本也较低，一方面可以降低设备成本，另一方面可以克服旁轴送丝带来的成形精度不高等问题。
2、结合在线温度监控系统，多束源协同控制，一方面可以成倍提高成形效率，另一方面又可控制成形温度场，减少内应力，降低变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法的加工区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了任何等同修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例的一种高效低应力电子束熔丝沉积成形方法的加工区域示意图，图中的序号21是第一丝束同轴的电子枪加工的区域范围，序号22是零件加工区域Ⅰ，序号23是零件加工区域Ⅱ，序号24是两个电子枪加工重合区域，序号25是零件加工区域Ⅲ，序号26是零件加工区域Ⅳ，序号27是第二丝束同轴的电子枪加工的区域范围。本发明采用的技术方案思路是：
1、在同一个真空室内设置有至少两组丝束同轴电子枪系统，每组丝束同轴电子枪系统均包括相应的送丝机构和电子枪，送丝机构将金属丝材通过电子枪的环形电子束流同轴送出，电子枪和送丝机构安装在可移动的横梁上，可随横梁实现在三坐标方向运动。
2、相邻电子枪的加工范围部分重叠，以实现加工区域的无遗漏覆盖，通过控制系统分配并定义每把电子枪的加工区域；
3、各把电子枪的控制系统集成在一起，由一个多路控制系统集中控制，既能够实现多个电子枪的同步协调工作，也可以单独控制各电子枪工作。
4、工作平台上加装测温装置，测量零件底面温度，真空室顶部加装热成像装置，测量零件表面温度，共同组成零件温度监控系统。
本发明的成形方法至少包括了以下步骤S110～步骤S150：
步骤S110，基于三维造型软件构造出零件的三维模型并转换成STL格式文件，通过数据处理软件对STL格式的零件三维模型进行分层切片处理，生成每个层面的轮廓信息。
步骤S120，将每一层轮廓分割成四个区域，依次是零件加工区域Ⅰ、零件加工区域Ⅱ、零件加工区域Ⅲ及零件加工区域Ⅳ。
步骤S130，根据零件三维模型，分别对四个加工区域规划成形路径，输入成形参数，生成加工程序。
步骤S140，采用两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面的相间隔区域进行熔丝沉积成形，其中，第一丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅰ与零件加工区域Ⅱ的总和，第二丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅲ与零件加工区域Ⅳ总和，第一丝束同轴的电子枪加工的区域与第二丝束同轴的电子枪加工的区域在中间部位重合，并且该重合的加工区域横跨零件加工区域Ⅱ和零件加工区域Ⅲ。
步骤S150，当两组电子枪加工区域的局部温度超过预设温度值时，停止对该加工区域加工，转移至其相邻的加工区域，直至温度降低到预设值以下，使零件温度场均匀分布，完成整个层面的丝束同轴熔丝沉积成形。
进一步地，在步骤S140中，在采用两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面加工时，第一丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅲ进行加工。
当零件加工区域Ⅰ的局部温度超过预设温度值时，第一丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第一丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅱ，至温度降低到预设温度值以下，使第一丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。同理，当零件加工区域Ⅲ的局部温度超过预设温度值时，第二丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第二丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅳ，至温度降低到预设温度值以下，使第二丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。
在第一丝束同轴的电子枪加工区域和第二丝束同轴的电子枪加工区域的温度均降低到预设温度值以下后，第一丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅲ进行加工，直至完成整个层面的加工。在完成一个层面的成形后，继续下一个层面的成形，直至完成整个零件的成形。
作为一种优选实施例，第一丝束同轴的电子枪和第二丝束同轴的电子枪均包括电子枪和送丝机构，所述送丝机构将金属丝材通过电子枪的环形电子束流同轴送出，所述电子枪和送丝机构均安装在可移动的横梁上，随横梁在三坐标方向运动。
综上，在具体实施加工时，其工作流程是：
1、运用三维造型软件构造出零件的三维模型并转化成STL格式文件，数据处理软件对STL格式的零件三维模型进行分层切片处理，生成每个层面的轮廓信息，将轮廓分割成四个区域：依次是零件加工区域Ⅰ22、零件加工区域Ⅱ23、零件加工区域Ⅲ25及零件加工区域Ⅳ26；
2、分别对四个加工区域规划成形路径，输入成形参数，生成加工程序；
3、两把电子枪同时工作，第一丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅰ22进行加工，同时第二丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅲ25进行加工；
4、当局部温度超过设定值时，第一丝束同轴的电子枪和第二丝束同轴的电子枪停止对其工作，转而加工其相邻区域，即第一丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅱ23进行加工，第二丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅳ26进行加工，直至温度降低设定值以下，使零件温度场均匀分布；
5、第一丝束同轴的电子枪继续加工零件加工区域Ⅰ22，第二丝束同轴的电子枪继续加工零件加工区域Ⅲ25，直至完成整个层面的加工；
6、完成一个层面的成形后，继续下一个层面的成形，直至完成整个零件的成形。
以上所述仅为本申请的实施例而已，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，包括：
基于三维造型软件构造出零件的三维模型并转换成STL格式文件，通过数据处理软件对STL格式的零件三维模型进行分层切片处理，生成每个层面的轮廓信息；
将每一层轮廓分割成四个区域，依次是零件加工区域Ⅰ、零件加工区域Ⅱ、零件加工区域Ⅲ及零件加工区域Ⅳ；
根据零件三维模型，分别对四个加工区域规划成形路径，输入成形参数，生成加工程序；
采用至少两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面的相间隔区域进行熔丝沉积成形，其中，第一丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅰ与零件加工区域Ⅱ的总和，第二丝束同轴的电子枪加工的区域范围包含并且远大于零件加工区域Ⅲ与零件加工区域Ⅳ总和，第一丝束同轴的电子枪加工的区域与第二丝束同轴的电子枪加工的区域在中间部位重合，并且该重合的加工区域横跨零件加工区域Ⅱ和零件加工区域Ⅲ；
当两组电子枪加工区域的局部温度超过预设温度值时，停止对该加工区域加工，转移至其相邻的加工区域，直至温度降低到预设值以下，使零件温度场均匀分布，完成整个层面的丝束同轴熔丝沉积成形。
2.根据权利要求1所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，在采用两组丝束同轴电子枪系统同时对加工层面加工时，第一丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪对零件加工区域Ⅲ进行加工。
3.根据权利要求2所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，当零件加工区域Ⅰ的局部温度超过预设温度值时，第一丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第一丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅱ，至温度降低到预设温度值以下，使第一丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。
4.根据权利要求3所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，当零件加工区域Ⅲ的局部温度超过预设温度值时，第二丝束同轴的电子枪停止对该加工区域进行工作，第二丝束同轴的电子枪转移至相邻的零件加工区域Ⅳ，至温度降低到预设温度值以下，使第二丝束同轴的电子枪加工区域的零件温度场均匀分布。
5.根据权利要求4所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，在第一丝束同轴的电子枪加工区域和第二丝束同轴的电子枪加工区域的温度均降低到预设温度值以下后，第一丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅰ进行加工，此时第二丝束同轴的电子枪继续对零件加工区域Ⅲ进行加工，直至完成整个层面的加工。
6.根据权利要求1或5所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，在完成一个层面的成形后，继续下一个层面的成形，直至完成整个零件的成形。
7.根据权利要求6所述的高效低应力电子束熔丝沉积成形方法，其特征在于，第一丝束同轴的电子枪和第二丝束同轴的电子枪均包括电子枪和送丝机构，所述送丝机构将金属丝材通过电子枪的环形电子束流同轴送出，所述电子枪和送丝机构均安装在可移动的横梁上，随横梁在三坐标方向运动。
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