CN111112617B - 减小激光增材制造过程热输入的底板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小激光增材制造过程热输入的底板，包括基板、设置于基板上的空心柱体、连接空心柱体与基板之间用于加固空心柱体的梗腋；所述基板上设置有用于使液体进入所述基板和空心柱体的通孔。本发明将常规的方形厚板用薄板代替作为增材制造的基板，在基板上的空心柱体上激光增材制造，不仅增加散热，减小对增材的热输入，而且改善激光增材制造过程中对基板应力集中的分布情况，减少变形。

Description

减小激光增材制造过程热输入的底板
技术领域
本发明涉及一种激光增材制造的底板，尤其涉及一种减小激光增材制造过程热输入的底板。
背景技术
制造业的绿色化趋势向环保化或绿色化方向发展，成为制造业在21世纪的必由之路。环保化制造或绿色化制造是综合考虑环境影响和制造效率的现代制造模式，也是目前所倡导的循环经济的一个方面。随着我国科学技术的不断发展与进步，具有直接、快速、绿色、柔性、数字化、智能化特点的增材制造技术逐渐引起相关领域人员的重视。这不仅有效避免了能源浪费以及环境污染，而且与我国坚持推进资源、环境和社会可持续发展的理念相同。
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。本文指的一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧或者激光等高能束为热源，通过丝材或粉材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。它不仅具有沉积效率高；材料利用率高；整体制造周期短、成本低；对零件尺寸限制少；易于修复零件等优点，还具有原位复合制造以及成形大尺寸零件的能力。较传统的铸造、锻造技术和其它增材制造技术具有一定先进性，与铸造、锻造工艺相比，它无需模具，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化和并行化制造，对设计的响应快，特别适合于小批量、多品种产品的制造。
但是增材制造技术依然存在一定问题，增材制造技术的加工精度不够高需要熔覆多道进行补救，所以在制作工件时，热输入过大很容易造成工件的应力集中，严重影响工件的质量，不利于工件的正常使用。而研究表明，影响工程机械装备服役寿命的因素众多，应力是其关键因素之一，内部存在的应力集中很有可能会导致工件本身出现裂纹。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种减小激光增材制造过程热输入的底板，该底板不仅能够发挥常规的支撑作用，而且能够改善底板的应力集中、减小增材制造过程中对于工件的热输入，避免对于工件质量的影响。
技术方案：本发明的减小激光增材制造过程热输入的底板，包括基板、设置于基板上方的空心柱体、连接基板与空心柱体之间用于加固空心柱体的梗腋，所述基板上设置有用于使液体进入所述基板和筒体的通孔。
优选地，所述通孔横向贯穿基板的第一通孔，竖向贯通第一通孔、空心柱体的第三通孔。
优选地，所述第一通孔、第三通孔的半径不大于基板高度的1/10，不小于基板高度的1/15；所述第一通孔的圆心到基板底面之间的距离不大于基板高度的3/4，不小于基板高度的1/4。
优选地，所述第三通孔面积之和不大于空心柱体内侧面积的25%。
优选地，所述空心柱体的四周设置有向基板延伸的多道梗腋。
优选地，沿所述梗腋横向贯穿设置有第二通孔。
优选地，所述第二通孔半径不大于所述空心柱体高度的1/12，不小于空心柱体高度的1/16，所述第二通孔圆心到基板上表面距离不大于空心柱体高度的1/2，不小于柱空心柱体高度的1/3。
优选地，所述空心柱体的横截面形状与所述增材成形的结构横截面形状相同，所述空心柱体的内外壁之间壁厚大于同位置增材成型结构的内外壁之间壁厚至少30mm。
优选地，所述梗腋包括由空心柱体内、外侧顶点表面分别过渡至基板上表面的第一梗腋、第二梗腋，所述第一梗腋在基板上的延伸末端与距离所述延伸末端横向间距最小的通孔之间的距离大于所述通孔直径的3倍。
优选地，所述第一梗腋、第二梗腋的过渡为平滑过渡，形状为直线或凹圆弧；当增材成型结构的高度与空心柱体高度之比小于等于1时，则梗腋的两条切线相交角度大于90°且小于125°；当增材成型结构的高度与空心柱体高度之比大于1且小于等于2时，则梗腋的两条切线相交角度大于等于125°且小于等于155°；当增材成型结构的高度与空心柱体高度之比大于2时，则梗腋的两条切线相交角度大于155°且小于等于180°。
有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本发明的结构取代常规的增材制造厚底板，一方面改善对底板应力集中的分布情况，另一方面在增材过程中浸入冷水中，能够显著降低对于工件的热输入，提高工件质量。2、在基板上开设多道相互交叉且相交于基板圆心的通孔，并在与空心柱体下方与基板相交面开设有竖孔，利用连通器原理确保空心柱体内外水位保持一致，避免空心柱体内外温度不同而造成较大的应力集中，甚至变形。3、在存在梗腋的空心柱体处开设有通孔，既保证冷却用水的流量，又保证了空心柱体整体的刚度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的剖视图与侧视图；
图3为本发明的俯视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1~3所示，其中：1、基板，2、空心柱体，3、第一梗腋，4、第二梗腋，5-1、第一通孔，5-2、第二通孔，6、第三通孔。本发明的减小激光增材制造过程热输入的底板包括基板1，设置于基板1上方的空心柱体2，空心柱体2的形状根据激光增材制造成型结构的形状来确定，本实施例的基板1为圆形，空心柱体2为空心圆筒；在空心柱体2的内、外两侧顶点分别平滑过渡到基板1表面的第一梗腋3、第二梗腋4，本实施例的第一梗腋3、第二梗腋4分别为凹圆弧，且在空心柱体2的内外侧各设置相互对称的4道凹圆弧。沿4道梗腋横向贯穿设置有第三通孔5-2，既保证冷却用水的流量，又保证了空心柱体2整体的刚度。在基板1的侧面横向贯穿基板1开设有第一通孔5-1，在基板1的竖向上开设有第三通孔6，第一通孔5-1和第三通孔6的数量根据实际需要设置，优选为2~8条通孔；液体通过第一通孔5-1、第二通孔5-2、第三通孔6进入空心柱体2内，使所述空心柱体2内、外侧的液体压强一致，即，通孔的直径能够使空心柱体2内冷却水的液面距空心柱体2的顶端距离始终保持一致，避免了空心柱体2内外温度不同而造成较大的应力集中，甚至变形。本实施例的基板1、空心柱体2及第一梗腋3、第二梗腋4一体成型。在制作过程中先制备底面积与基板1面积相同、高度与基板1和空心柱体2高度之和相同的柱状工件雏形，然后根据激光增材制造成型结构切割出基板1上方的空心柱体2形状，及其内、外侧的第一梗腋3、第二梗腋4，最后在基板1侧面和空心柱体2上的梗腋结构处开设第一通孔5-1、第二通孔5-2，并从基板1上表面圆心位置开设第三通孔6至与第一通孔5-1相交。
以需要激光增材制造高550mm，外直径为900mm，内直径为780mm，壁厚为60mm的圆筒为例，根据试样要求先确定基板1设为圆形薄板，而基板1上方的空心柱体设为圆筒状结构，再确定基板1上方空心柱体2的参数，要为熔覆区域外预留出一定空间方便激光增材制造的进行。本实施例的空心柱体2的外半径为468mm，内半径为372mm，两侧各预留出18mm。基板1的半径设为空心柱体2外半径的1.8倍，为842.4mm，取850mm。根据试件重量，空心柱体2的高度为100mm，基板1高度为100mm，第一通孔5-1和第三通孔6的半径设为8mm。两条相互垂直的第一通孔5-1与第三通孔6的圆心位置均设为在基板1侧面高度中点。基板1上表面圆心处竖向设置有第三通孔6，本实施例设置有五个，其中四个第三通孔6的圆心与基板1的圆心之间的距离L均相等，为93mm，第三通孔6的圆心与基板1的圆心连线呈90°，另一个第三通孔6的圆心位于基板1的圆心处，深度均为50mm。第三通孔6与第一通孔5-1相交，深度为50mm。内、外侧的第一梗腋3、第二梗腋4均为四道梗腋，外侧的第二梗腋4为平行梗腋，占空心柱体2外壁面积的50%；处于空心柱体2内侧的第一梗腋3为锥形，占空心柱体2内壁面积的50%。每道梗腋以第三通孔6的圆心与基板1的圆心的连线为对称轴对称设置。第二梗腋4在圆形基板1延伸结束的位置为圆形基板1的边缘，故外侧的第二梗腋4在圆形基板1上所占距离L1为382mm。第一梗腋3在圆形基板1延伸结束的位置为基板1上方空心柱体2内侧与第三通孔6边缘之间的中点，即135.5mm。第二梗腋4在基板1上所占距离为基板1的半径减去空心柱体2的外半径，为212.5mm。内、外侧的梗腋均使用凹圆弧过渡，且圆弧两条切线相交角度为165°。在每道外侧梗腋的中心位置横向设置有第二通孔5-2，共四道，且第二通孔5-2半径均为8mm。

Claims (9)

1.一种减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，包括基板（1）、设置于基板（1）上的空心柱体（2）、连接基板（1）与空心柱体（2）之间用于加固空心柱体（2）的梗腋，所述基板（1）上设置有用于使液体进入所述基板（1）和空心柱体（2）内部的通孔；所述梗腋包括在所述空心柱体（2）内、外表面分别向所述基板（1）表面延伸设置的第一梗腋（3）和第二梗腋（4），所述第一梗腋（3）在基板（1）上的延伸末端与距离所述延伸末端横向间距最小的通孔之间的距离大于所述通孔直径的3倍。
2.根据权利要求1所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述通孔包括横向贯穿基板（1）的第一通孔（5-1），竖向贯通第一通孔（5-1）与空心柱体（2）的第三通孔（6）。
3.根据权利要求2所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述第一通孔（5-1）、第三通孔（6）的半径不大于基板（1）高度的1/10，不小于基板（1）高度的1/15；所述第一通孔（5-1）的圆心到基板（1）底面之间的距离不大于基板（1）高度的3/4，不小于基板（1）高度的1/4。
4.根据权利要求2所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述第三通孔（6）面积之和不大于空心柱体（2）内侧面积的25%。
5.根据权利要求1所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，沿所述空心柱体（2）的四周设置有向基板（1）延伸的多道梗腋。
6.根据权利要求1所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述梗腋上开设有横向贯通的第二通孔（5-2）。
7.根据权利要求6所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述第二通孔（5-2）的半径不大于所述空心柱体（2）高度的1/12，不小于空心柱体（2）高度的1/16，所述第二通孔（5-2）的圆心到基板（1）上表面的距离不大于空心柱体（2）高度的1/2，不小于柱空心柱体（2）高度的1/3。
8.根据权利要求1所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述空心柱体（2）的形状与增材成型结构的形状相同，所述空心柱体（2）的壁厚大于增材成型结构的壁厚至少30mm。
9.根据权利要求1所述的减小激光增材制造过程热输入的底板，其特征在于，所述第一梗腋（3）和第二梗腋（4）的过渡形状为直线或凹圆弧；当增材成型结构的高度与空心柱体（2）的高度之比小于等于1时，所述梗腋的两条切线相交角度大于90°且小于125°；当增材成型结构的高度与空心柱体（2）高度之比大于1且小于等于2时，所述梗腋的两条切线相交角度大于等于125°且小于等于155°；当增材成型结构的高度与空心柱体（2）高度之比大于2时，所述梗腋的两条切线相交角度大于155°且小于等于180°。
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