CN110586941A - 一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法 - Google Patents

一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，并具体公开了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法，其包括回转工作台、应力消除装置、频率检测装置、成形装置和应力检测装置，其中：应力消除装置包括激振台和激振器，激振台固定在所述激振器上，且其上固定有基板，激振器固定在所述回转工作台上；频率检测装置、成形装置和应力检测装置安装在基板上方；系统工作时，成形装置每堆积数层待成形零件后，频率检测装置获取此时零件的固有频率，应力消除装置以此固有频率振动以消除零件内应力，然后由应力检测装置对零件内应力进行检测，从而在零件逐层堆积的过程中控制零件变形，提高零件的形状尺寸精度。

Description

一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法。
背景技术
金属零件的传统制造方法是采用铸锻铣分离的工艺，首先铸造锻胚，再经过反复锻打，铣削加工成各部零件，最后组装成零件。这种减材加工工艺虽然可以得到满足质量和精度要求的零件，但是存在加工周期长、材料利用率低、效率不高等缺点。
而金属增材制造技术是采用材料逐层累加的方法直接将数字化模型加工成实体零件的新型制造技术，这种技术打开设计桎梏，释放设计想象空间，给大型金属复杂零件整体制造提供了可能。其基本工艺过程为：通过高能束(电弧、激光等)热源将丝材熔化，然后通过喷嘴将小金属熔滴逐层堆积或沉积，在这过程中随动辅以锻打、铣削，从而得到性能可控的大型金属整体零件。由于增材制造是一个多物理场复合的过程，其电弧、等离子体或激光等热源、熔滴成形过程的热收缩、层与层之间的热温差、改善性能时的锻打、以及后期的铣削、磨削，因此它是一个温度场、力场、应力场相互影响、相互作用的过程。而大型金属零件特别是承力件，其质量不仅要求力学性能达标，还要求制造完成后形状、尺寸、甚至精度达到设计要求。由于增材制造过程为熔滴逐层堆积，热、力、应力相互作用应力也逐层形成、积聚，在制造过程中或完成后应力会慢慢释放，产生形变。特别值得注意的是大型零件，尺寸精度在整体制造过程中逐层进行保证，逐层制造过程中应力慢慢产生和积累，一些应力会随时间自然释放，带来前层尺寸误差，而随着整体制造过程的完成，成形件自然状态下的应力释放，大型零件累积的形变量，会造成其形变超出设计容许范围，甚至发生翘曲变形，这对大型金属零件来说是一个不可接受的结果。
针对上述质量问题，目前的研究者采用了将金属增材制造技术与并行控制、超声波强化工艺相结合，从而改善成形件的力学性能和表面尺寸精度。例如，专利CN109746443A公开了一种增材制造过程中并行控制零件变形和精度方法，它通过在加工过程中，控制待加工零件位置不变，同时在不同加工层或者相同加工层实施不同的工序，从而实现一步到位式超短流程的高精度高性能增材制造，但是这种方法无法消除应力对成形件变形的影响。专利CN106735967B公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，它通过在增材制造过程中施加非接触式超声波振动提高形核率从而起到细化熔池晶粒的作用，同时减少成形件内部缺陷的产生，提高了零件的力学性能，但是这种方法无法在根本上消除成形件在生产过程中产生的内应力。目前针对增材制造过程中的应力消除和变形控制尚是空白。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法，其目的在于，通过频率检测装置和应力消除装置配合，在增材制造过程中对应力进行消除，并由应力检测装置对待成形零件内应力进行检测，从而在零件逐层堆积的过程中控制零件变形，提高零件的形状尺寸精度。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统，包括回转工作台、应力消除装置、频率检测装置、成形装置和应力检测装置，其中：所述应力消除装置包括激振台和激振器，所述激振台固定在所述激振器上，且其上固定有基板，所述激振器固定在所述回转工作台上；所述频率检测装置、成形装置和应力检测装置安装在所述基板上方；
工作时，成形装置在基板上逐层堆积待成形零件，每堆积数层后，频率检测装置获取此时待成形零件的固有频率，激振器以与此固有频率相同的频率振动，以消除待成形零件内应力；然后应力检测装置对待成形零件内应力进行检测，若应力值大于或等于预定应力阈值，则激振器重复振动直至应力值小于预定应力阈值，若应力值小于预定应力阈值，则成形装置继续堆积待成形零件。
作为进一步优选的，所述频率检测装置包括敲击装置和传感器，所述敲击装置位于所述基板上方，所述传感器安装在所述基板上；检测时，敲击装置对待成形零件进行敲击，传感器获取此时待成形零件回振特性，进而根据此回振特性得到此时待成形零件的固有频率。
作为进一步优选的，所述应力检测装置为超声波应力检测装置。
作为进一步优选的，所述超声波应力检测装置包括超声波发射探头、超声波接收探头、超声波信号发生器和回波处理器，所述超声波发射探头和超声波接收探头布置在待成形零件两侧，所述超声波信号发生器与所述超声波发射探头相连，所述回波处理器与所述超声波接收探头相连。
按照本发明的另一方面，提供了一种金属零件增材制造过程中变形控制方法，其采用上述系统实现，包括如下步骤：
S1成形装置按预设轨迹在基板上堆积数层待成形零件，频率检测装置获取此时待成形零件的固有频率；
S2激振器以与此固有频率相同的频率振动，从而通过激振台带动待成形零件振动，以消除待成形零件内应力；
S3应力检测装置对待成形零件内应力进行检测，若检测到的应力值大于或等于预定应力阈值，则重复S2直至检测到的应力值小于预定应力阈值；若检测到的应力值小于预定应力阈值，则转入步骤S4；
S4重复S1至S3若干次，直至完成零件的制造。
作为进一步优选的，获取待成形零件固有频率具体包括如下步骤：敲击装置在预定敲击点对待成形零件进行敲击，传感器获取此时待成形零件回振特性，进而根据此回振特性得到此时待成形零件的固有频率。
作为进一步优选的，所述S1中堆积层数优选为三层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明将增材制造与应力消除和检测融合到同一机床，相比于传统将增材制造与应力消除、应力检测分床进行，提高了零件加工效率，实现在同一台设备、同一位置直接逐层制造出满足使用要求的金属整体零件，特别适合大型高性能复杂异形零件的加工，实现原来必须由若干零件拼接而成的大型零件的整体原位制造，使大型结构件的变形得以控制。
2.本发明的变形控制系统整体结构紧凑且稳定，减小回转台因零件工况原因需进行翻转时的倾覆力矩。
3.本发明利用了渐变可调频率激振器，可适应随着零件的逐层增长固有频率不断变化的情况，从而在增材制造过程中，实现在加工过程中消除应力，极大地减少了零件内应力，提高了零件表面的形状和尺寸精度，从而实现在增材制造过程中对大型金属零件变形的控制；同时针对不同材料的零件固有频率的差异，利用计算机来调整激振器的振动频率，以适应不同的工况；并且根据振动时效原理，在零件的固有频率下进行振动，可以缩短振动处理时间，消除应力和稳定精度的效果更好，能源消耗也最少。
4.本发明考虑到增材制造的逐层制造(包括堆积、轧制、辅以铣削磨削)情况，超声波应力检测设备检测零件当前制造层的内应力，保证了一定检测深度的同时，也保证了检测精度；而且超声波检测的成本低，携带便捷，受限性小，非常适合于实现增材制造过程中的应力逐层在线检测。
附图说明
图1为本发明实施例金属零件增材制造过程中变形控制系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例中回转工作台和应力消除装置三维图；
图3为本发明实施例金属零件增材制造过程中变形控制方法流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-回转工作台，2-气动卡盘，3-计算机，4-超声波信号发生器，5-超声波发射探头，6-敲击装置，7-回波处理器，8-喷嘴，9-轧辊机构，10-控制装置，11-超声波接收探头，12-待成形零件，13-传感器，14-基板，15-激振台，16-激振器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种金属零件增材制造过程中变形控制系统，如图1所示，包括回转工作台1、应力消除装置、频率检测装置、成形装置、应力检测装置和计算机3，其中：
回转工作台1为机电式万能回转工作台，其包括水平工作台和双轴变位机构，水平工作台可沿x、y、z三个维度方向移动，其上通过定位销固定有气动卡盘2；双轴变位机构安装在水平工作台下方，用于使水平工作台沿y、z两个方向轴向旋转；
应力消除装置包括激振台15和激振器16，激振台15下端为圆柱状凸起，其半径与激振器16半径相同，并通过环形卡盘将其与激振器16上端固定，激振台15上通过夹具固定有基板14，基板14用于放置待成形零件12；激振器16下端固定在气动卡盘2上，具体的，激振器16为渐变可调频率激振器，如压电陶瓷激振器；
频率检测装置包括传感器13和敲击装置6，传感器13为加速度振动传感器，其安装在基板14上，敲击装置6、成形装置和应力检测装置位于基板14上方；成形装置包括喷嘴8、轧辊机构9和控制装置10，喷嘴8、轧辊机构9均与控制装置10相连，并在控制装置10的控制下进行零件堆积和轧辊；
计算机3与应力消除装置、频率检测装置和超声检测装置相连。
进一步的，应力检测装置为超声波应力检测装置，其包括超声波发射探头5、超声波接收探头11、超声波信号发生器4和回波处理器7，超声波发射探头5和超声波接收探头11布置在待成形零件12两侧，超声波信号发生器4与超声波发射探头5相连，回波处理器7与超声波接收探头11相连。
采用上述系统进行变形控制，如图3所示，包括如下步骤：
S1对待成形零件12的三维模型进行分层处理，根据各层形状特点和加工参数，生成适合零件结构的成形轨迹；
S2成形装置在控制装置10的控制下按此成形轨迹在基板14上堆积数层待成形零件12；敲击装置6在预定敲击点对待成形零件12进行敲击，同时由传感器13获取此时待成形零件12回振特性并传递给计算机3，计算机3对该回振特性进行处理生成零件的频响特性图，从而确定此时待成形零件12的固有频率；具体的，敲击装置6进行多次敲击，以确定准确的固有频率，同时从敲击试验的结果还可以判断出零件是否达到所预期的强度和韧性；
S3激振器16以与此固有频率相同的频率振动，从而通过激振台15带动待成形零件12振动，以消除待成形零件12内应力；同时，通过回转工作台1的翻转来调整待成形零件12和激振器16的相对位置，进行检测和制造位置的变换。
S4开启超声波信号发生器4，其产生的激励信号传至超声波发射探头5，使其发射超声波信号并在零件内部形成临界折射纵波，传播一段距离后由超声接收探头11接收回波信号并转换为模拟信号传至回波处理器7，经回波处理器7放大、滤波、整形和AD转换后传至计算机3，计算机3计算出零件内应力值；若检测到的应力值大于或等于预定应力阈值，则重复S3直至检测到的应力值小于预定应力阈值；若检测到的应力值小于预定应力阈值，则转入步骤S5；
S5重复S2至S4若干次，直至完成零件的制造。
优选的，S2中每堆积三层待成形零件12后进行一次频率检测和应力消除，同时若对零件有后续提高表面精度的铣削和磨削等处理，也需进行应力消除和检测。
进一步的，S2中待成形零件12的固有频率还可以通过线激光扫描后进行有限元分析得到，或通过加工过程刀具受力检测频谱分析得到。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种金属零件增材制造过程中变形控制系统，其特征在于，包括回转工作台(1)、应力消除装置、频率检测装置、成形装置和应力检测装置，其中：所述应力消除装置包括激振台(15)和激振器(16)，所述激振台(15)固定在所述激振器(16)上，且其上固定有基板(14)，所述激振器(16)固定在所述回转工作台(1)上；所述频率检测装置、成形装置和应力检测装置安装在所述基板(14)上方；
工作时，成形装置在基板(14)上逐层堆积待成形零件(12)，每堆积数层后，频率检测装置获取此时待成形零件(12)的固有频率，激振器(16)以与此固有频率相同的频率振动，以消除待成形零件(12)内应力；然后应力检测装置对待成形零件(12)内应力进行检测，若应力值大于或等于预定应力阈值，则激振器(16)重复振动直至应力值小于预定应力阈值，若应力值小于预定应力阈值，则成形装置继续堆积待成形零件(12)。
2.如权利要求1所述的金属零件增材制造过程中变形控制系统，其特征在于，所述频率检测装置包括敲击装置(6)和传感器(13)，所述敲击装置(6)位于所述基板(14)上方，所述传感器(13)安装在所述基板(14)上；检测时，敲击装置(6)对待成形零件(12)进行敲击，传感器(13)获取此时待成形零件(12)回振特性，进而根据此回振特性得到此时待成形零件(12)的固有频率。
3.如权利要求1所述的金属零件增材制造过程中变形控制系统，其特征在于，所述应力检测装置为超声波应力检测装置。
4.如权利要求3所述的金属零件增材制造过程中变形控制系统，其特征在于，所述超声波应力检测装置包括超声波发射探头(5)、超声波接收探头(11)、超声波信号发生器(4)和回波处理器(7)，所述超声波发射探头(5)和超声波接收探头(11)布置在待成形零件(12)两侧，所述超声波信号发生器(4)与所述超声波发射探头(5)相连，所述回波处理器(7)与所述超声波接收探头(11)相连。
5.一种金属零件增材制造过程中变形控制方法，采用如权利要求1-4任一项所述的系统实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1成形装置按预设轨迹在基板(14)上堆积数层待成形零件(12)，频率检测装置获取此时待成形零件(12)的固有频率；
S2激振器(16)以与此固有频率相同的频率振动，从而通过激振台(15)带动待成形零件(12)振动，以消除待成形零件(12)内应力；
S3应力检测装置对待成形零件(12)内应力进行检测，若检测到的应力值大于或等于预定应力阈值，则重复S2直至检测到的应力值小于预定应力阈值；若检测到的应力值小于预定应力阈值，则转入步骤S4；
S4重复S1至S3若干次，直至完成零件的制造。
6.如权利要求5所述的金属零件增材制造过程中变形控制方法，其特征在于，获取待成形零件(12)固有频率具体包括如下步骤：敲击装置(6)在预定敲击点对待成形零件(12)进行敲击，传感器(13)获取此时待成形零件(12)回振特性，进而根据此回振特性得到此时待成形零件(12)的固有频率。
7.如权利要求5所述的金属零件增材制造过程中变形控制方法，其特征在于，所述S1中堆积层数优选为三层。
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