CN110640146A - 一种零件表面缺损区域模块化增减材复合修复方法 - Google Patents

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Abstract

一种零件表面缺损模块化增减材复合修复方法,涉及机械加工的技术领域。其主要过程包括对零件表面缺损区域进行三维扫描，获取待修复区域的点云数据；根据点云数据计算缺损区域的特征参数；根据特征参数选取相应的几何模块；对缺损区域进行模块化铣削去除加工，获得规则待修复区域；对待修复区域进行模块化激光熔敷修复；对激光修复表面进行精密铣削加工，完成修复。本发明通过增减材复合方式，将复杂不规则的缺损形貌修整为规则几何体，在此基础上对模块化的待修复几何体进行激光熔敷修复，路径规划方便快捷，从而整体提高修复效率。此外，对激光熔敷区域的精密铣削加工可以保持修复表面形状轮廓的修复精度，同时也提高修复表面的使用性能。

Description

一种零件表面缺损区域模块化增减材复合修复方法
技术领域
本发明涉及机械加工的技术领域，尤其涉及对零件表面缺损区域增减材复合修复方法的技术领域。
背景技术
诸如飞机结构件、发动机零部件、精密齿轮以及金属模具等贵重零部件在生产制造过程中表面出现的一些过切、损伤导致报废。或者这些零部件在使用一段时间后，承载表面或接触区域也会出现不同程度的损伤，导致零件无法继续使用。由于这些零件一般比较贵重，生产过程也比较复杂，因为一些表面损伤结果导致整个零件报废，往往造成极大的经济损失和资源浪费。
随着材料技术、激光技术的日益进步，基于激光烧结的增材制造技术，即激光3D打印技术已经在航空航天、汽车、模具、医疗等行业得到越来越多的应用。作为一项先进的制造技术，它首先需要获得制造对象的数字化模型，并对模型进行分层处理。然后通过送粉机构将分状材料送至目标处，经激光照射或烧结（对金属材料需要烧结）而成形，经过逐层堆积最终形成完整的对象零件。其技术特点为金属零件的表面修复提供了一种可行的解决方案。目前，激光3D打印在零部件表面损伤修复领域已有较多应用。
授权公告号CN105598450B公开了一种零部件损伤的激光立体仿形修复方法，包括以下步骤:（1）对损伤零部件对应的标准零部件的外观进行三维扫描，建立标准结构模型;（2）对损伤零部件的外观进行三维扫描，建立损伤零部件的实际结构模型;（3）对标准结构模型和实际结构模型进行比对求差得到与损伤区域完全对应的修复区结构模型;（4）控制激光立体仿形设备按照修复区结构模型对损伤零部件的损伤区域进行激光熔敷修复。该发明能够在保证较高精度的条件下，对金属或非金属零部件进行精密修复，修复尺寸更加接近原尺寸，并能节省后续机加工时间，缩短了修复周期，同时修复材料与原损伤部位为冶金结合，结合力强，性能稳定性高，成品率高，具有广阔的推广应用前景。但是该方法需要将对象的实际模型和原始模型进行对比求差，从而获得待修复区域的数据。当面对无法提供原始模型的修复对象时，该方法具有一定局限性。
授权公告号CN104651832B公开了一种用于大型金属零件的表面修复工艺，其主要步骤包括：（1）将激光熔覆喷头的工艺参数与激光熔覆喷头出口处粉束汇聚长度相关联;（2）建立三维模型;（3）生成激光熔覆喷头扫描轨迹路径;确定激光熔覆喷头的最大倾斜角度，根据步骤（1）中建立的关联关系，选择激光熔覆喷头的工艺参数、以及粉束汇聚长度，并控制激光熔覆喷头按照步骤（3）中生成的扫描轨迹路径，对待修复的金属零件的表面进行修复。该发明的修复工艺中，激光熔覆喷头可连续变姿态运动，从而始终保持激光熔覆喷头轴线方向与被修复零件表面法向重合，实现了对于大型零件及设备的表面进行快速激光熔覆修复，减少修复前对工件进行搬运和装夹的繁琐工作量。但是该方法没有涉及对待修复区域预处理的相关描述，仅仅提到建立三维模型。当面对曲率变化大且频繁的复杂待修复区域时，激光熔覆喷头需要频繁的摆动以保持喷头轴线方向与被修复区域表面法向重合。
发明内容
本发明结合数控加工、三维测量以及激光熔敷（激光3D打印）等技术提出面向零部件局部损伤的模块化增减复合修复方法，在克服现有技术缺陷的情况下，提高了对零部件表面算上的修复效率与修复质量。
一种零件表面缺损模块化增减材复合修复方法，包括以下步骤：
（1）、将待修复零件放置在工作台上，使待修复区域I所在面朝上；
（2）、对待修复区域I及其周边进行激光三维扫描，获得缺损部位及周围区域的点云数据,同时扫描坐标参考点；
（3）、对步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据进行计算处理，得到缺损部位的特征参数；
（4）、根据步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据估算缺损区域原始表面的法矢量；根据步骤（3）的特征参数选择一个适合缺损区域的规则的包络几何体模块，所述包络几何体模块作为特征模块；
（5）、对待修复区域I进行铣削加工，将缺损区域加工成步骤（4）所选择的特征模块形状，得到修复区域Ⅱ；
（6）、对步骤（5）的修复区域Ⅱ进行激光3D打印修复，修复高度略高出周围表面，形成修复区域Ⅲ；
（7）、对步骤（6）的修复区域Ⅲ表面进行精密铣削加工，去除多余修复材料，获得光滑表面，得到修复表面Ⅳ，修复完成。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、区别于现有工艺，本发明借助三维测量技术获得零件表面损伤区域的特征数据，根据特征对形状不规则、形貌复杂的原始损伤区域进行模块化去除，形成形状简单、模块化的待修复几何体。在此基础上对模块化的待修复几何体进行激光熔敷修复，路径规划方便快捷，从而整体提高修复效率。
2、本发明可预置多种几何体模块的铣削程序、激光熔敷程序，针对不同修复模块，可直接调用预置程序，只需修改模块特征参数，就可实现快速增减材修复过程，提高修复效率。
3、本发明利用铣刀对多余的修复突出区域进行精密铣削加工去除，可以保持修复表面形状轮廓的修复精度，同时获得高的加工表面质量，去除激光熔敷过程对材料的热应力影响。由于精密铣削过程对表面修复区域的材料具有机械碾压作用，使表面形成一定压应力，一方面保证了修复表面的几何精度，同时也提高修复表面的使用性能。
附图说明
图1是本发明修复方法的流程图。
图2a-图2d是利用本发明的修改方法，以球面修复模块为例的实施过程示意图。
图2a是缺损表面截面示意图。
图2b是球面模块化铣削修整截面示意图。
图2c是铣削区域激光熔敷修复后截面示意图。
图2d是精密铣削后修复表面截面示意图。
图3a是采用球面模块修复缺损表面示意图。
图3b是图3a的截面示意图。
图4a是采用槽模块修复缺损表面示意图。
图4b是图4a的截面示意图。
其中：101-原始表面，102-缺损区域截面形貌，103-缺损区域外接圆直径D，104-缺损区域最大深度h，201-铣削表面，202-铣削后表面区域直径D’，203-铣削区域深度h’，204铣削球面半径R，205-铣削球面球心，301-待修复球体模块，302-修复凸出高度t，303-激光熔敷修复表面，401-周边完好区域表面，402-精密铣削后修复表面；501-缺损区域长度参数，502-缺损区域宽度参数，601-铣削加工后槽长度参数，602-铣削加工后槽宽度参数。
具体实施方式
一种零件表面缺损模块化增减材复合修复方法，包括以下步骤：
（1）、将待修复零件放置在工作台上，使待修复区域I所在面朝上；
（2）、对待修复区域I及其周边进行激光三维扫描，获得缺损部位及周围区域的点云数据,同时扫描坐标参考点；
（3）、对步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据进行计算处理，得到缺损部位的特征参数；
（4）、根据步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据估算缺损区域原始表面的法矢量；根据步骤（3）的特征参数选择一个适合缺损区域的规则的包络几何体模块，所述包络几何体模块作为特征模块；
（5）、对待修复区域I进行铣削加工，将缺损区域加工成步骤（4）所选择的特征模块形状，得到修复区域Ⅱ；
（6）、对步骤（5）的修复区域Ⅱ进行激光3D打印修复，修复高度略高出周围表面，形成修复区域Ⅲ；
（7）、对步骤（6）的修复区域Ⅲ表面进行精密铣削加工，去除多余修复材料，获得光滑表面，得到修复表面Ⅳ，修复完成。
本发明的步骤（3）中，得到缺损部位的特征参数时，根据缺损区域沿曲面该处法向投影区域的大小，计算外接圆直径D；根据缺损区域沿曲面该处法向最大深度计算修复深度h。
本发明的步骤（5）中，铣削加工使用刀具为球头铣刀，铣削区域直径D’为缺损部位外接圆直径D的λ倍，λ取1.2～1.5，铣削深度为h’， h’为修复深度h的λ倍。
本发明的步骤（6）中，对修复区域Ⅱ进行3D打印修复，采用喷粉激光熔敷增材加工方法；修复深度略高于铣削深度h’0.8mm至1.5mm。
本发明的步骤（7）中，精密铣削加工使用刀具为球头铣刀。
下面结合球面损伤修改的过程进行详细说明：
（1）、将零件置于工作台面，对零件表面局部损伤部位进行三维测量，获取局部损伤区域、周边完好表面以及参考点的点云数据。可采用目前较为成熟的非接触式激光三维扫描测量方法进行点云采集。
（2）、根据获取的点云数据计算损伤区域的特征参数。此过程需要从损伤部位的法向投影、截面投影计算特征参数。如图2a中所示为球面模块，特征参数包括损伤区直径D（对应图2a中的103）、深度h（对应图2a中的104）等。具体可以通过损伤区域周边完好表面的点云数据计算损伤表面的平均法矢量，再计算损伤区域截面数据。
（3）、根据损伤区域的特征参数，对损伤区域进行模块化数控加工。当原始表面（对应图2a中的101）受到损伤后，损伤区域即待修复区域I（对应图2a中的102）的原始形貌往往比较复杂、不规则，不利于直接进行激光熔敷修复。因此，此步骤通过采用球头铣刀，对损伤区域的原始表面进行铣削加工（属于减材加工），使得损伤区域转变成形状规则的几何体，本实施例为球面模块，球面形状是根据损伤区域的几何特征参数计算而来。
（3-1）、步骤（3）中计算铣削模块特征参数时，以图2为例，从缺损区域法向投影面测量缺损区域的长端外接圆直径D（对应图2a中的103）；再从与法向垂直的截面方向测量缺损区域的最大深度h（对应图2a中的104）。实际加工时，对特征参数进行λ倍的放大（本例中λ取1.2～1.5），即图2b中D’（ 对应图2b中的202）和h’（ 对应图2b中的203），尽可能使缺损区域及其内部裂纹等微缺陷能够被去除。
（3-2）、根据放大后的特征参数D’（ 对应图2a中的202）和h’（ 对应图2a中的203），根据几何关系可计算出铣削球面的球体半径R（对应图2a中的204），球心坐标O（对应图2a中的205）等数据帮助生成铣削加工轨迹。
（3-3）、选择合适的球头铣刀，对缺损区域进行模块化铣削加工，形成铣削加工表面201，得到修复区域Ⅱ。
（4）、根据加工部位特征参数生成模块化激光熔敷修复，对铣削加工过的待修复区域进行激光3D打印。此过程采用的是喷粉式激光3D打印技术，将特定的粉体材料送至待修复区域，在激光作用下烧结固化与零件融为一体。
（4-1）步骤4中模块化修复几何体（对应图2c中的301）（以球面体为例）要略高于周围完好表面一定高度t（对应图2c中的302），t取值0.5mm～1mm，给后续铣削加工留出一定的余量。
（4-2）根据要求对修复几何体进行分层，选择合适的层厚以及激光熔敷路径，修复完好形成激光熔敷修复区域Ⅲ（对应图2c中的303）。
（5）根据缺损区域周边完好表面（对应图2d中的401）的点云数据，按照曲率变化规律拟合出缺损区域的缝合表面（对应图2a中的101），即原始完好表面，对该表面进行精密铣削加工，去除掉激光熔敷修复多出的余量，形成修复表面Ⅳ（对应图2d中的402）。
（5-1）拟合表面过程尽可能保证表面的光滑，高精度还原原始完好表面。
（5-2）精密铣削过程采用球头铣刀，根据表面质量要求来设计加工参数和走刀轨迹。
此外，如图3a、图3b、图4a、图4b所示，根据缺损区域的形状特征可设计不同几何模块，当缺损区域长轴与短轴相近时可选择图3a、图3b的球面模块；其中501对应的是缺损区域长度参数，502对应的是缺损区域宽度参数；当两者相差较大时，可选择图4a、图4b的槽模块，其中601对应的是铣削加工后槽长度参数，602对应的是铣削加工后槽宽度参数。
以上仅是本发明的一种实施情况，本发明内容不局限于此。

Claims (5)

1.一种零件表面缺损模块化增减材复合修复方法，包括以下步骤：
（1）、将待修复零件放置在工作台上，使待修复区域I所在面朝上；
（2）、对待修复区域I及其周边进行激光三维扫描，获得缺损部位及周围区域的点云数据,同时扫描坐标参考点；
（3）、对步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据进行计算处理，得到缺损部位的特征参数；
（4）、根据步骤（2）中获得的缺损部位及周围区域的点云数据估算缺损区域原始表面的法矢量；根据步骤（3）的特征参数选择一个适合缺损区域的规则的包络几何体模块，所述包络几何体模块作为特征模块；
（5）、对待修复区域I进行铣削加工，将缺损区域加工成步骤（4）所选择的特征模块形状，得到修复区域Ⅱ；
（6）、对步骤（5）的修复区域Ⅱ进行激光3D打印修复，修复高度略高出周围表面，形成修复区域Ⅲ；
（7）、对步骤（6）的修复区域Ⅲ表面进行精密铣削加工，去除多余修复材料，获得光滑表面，得到修复表面Ⅳ，修复完成。
2.根据权利要求1所述的零件表面缺损模块化增减材复合修复方法，其特征在于：上述步骤（3）中，得到缺损部位的特征参数时，根据缺损区域沿曲面该处法向投影区域的大小，计算外接圆直径D；根据缺损区域沿曲面该处法向最大深度计算修复深度h。
3.根据权利要求1或2所述的零件表面缺损增减复合修复方法，其特征在于：上述步骤（5）中，铣削加工使用刀具为球头铣刀，铣削区域直径D’为缺损部位外接圆直径D的λ倍，λ取1.2～1.5，铣削深度为h’， h’为修复深度h的λ倍。
4.根据权利要求3所述的零件表面缺损增减复合修复方法，其特征在于：上述步骤（6）中，对修复区域Ⅱ进行3D打印修复，采用喷粉激光熔敷增材加工方法；修复深度略高于铣削深度h’0.8mm至1.5mm。
5.根据权利要求1所述的零件表面缺损增减复合修复方法，其特征在于：上述步骤（7）中，精密铣削加工使用刀具为球头铣刀。
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