CN112218738A

CN112218738A - 确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法

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Publication number: CN112218738A
Application number: CN201980034946.0A
Authority: CN
Inventors: M·维克特
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: CN112218738B; ES2930822T3; WO2019228847A1; JP7408580B2; US20210208575A1; EP3801981A1; EP3801981B1; US11320812B2; JP2021526084A

Abstract

本发明涉及一种确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法，其包括以下步骤：(a)创建待制造的成品零件的结构模型，所述待制造的成品零件的结构模型用作下一步骤(b)的第一次执行的初始模型；(b)对水力侵蚀研磨方法进行数学仿真，利用该数学仿真，从初始模型开始产生具有修正的几何形状的中间模型；(c)将步骤(b)中产生的中间模型与成品零件的结构模型进行比较，并确定待制造的成品零件的结构模型与中间模型之间在结构模型的每个节点处与成品零件的结构模型的表面正交的距离，并将该正交距离与预定极限值进行比较；(d)通过在步骤(b)中用作初始模型的模型的表面上的每个节点处，以相反的符号与该表面正交地加上在步骤(c)中确定的距离的5‑99％，并且重复步骤(b)至(d)，从而创建所述部件的修正模型，如果在步骤(c)中确定的正交距离在至少一个节点处大于预定极限值，则将在步骤(d)中创建的修正模型在步骤(b)中用作新的初始模型；(e)当在步骤(c)中在每个节点处确定的成品零件的结构模型和中间模型之间的正交距离降至低于预定极限值时，终止仿真，最后执行的步骤(b)的初始模型对应于待确定的毛坯零件几何形状。

Description

确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法

本发明涉及一种确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法。

水力侵蚀研磨方法是其中包含研磨颗粒的液体在待加工的表面上流动的加工方法。在流动期间，包含在液体中的研磨颗粒撞击待加工部件的表面，使得相应的表面在冲击期间从部件上被研磨颗粒侵蚀性材料侵蚀性地研磨。在这种情况下，取决于研磨颗粒的几何形状、特别是形状和尺寸分布，可以进行非常精细的表面加工，特别是也可以处理非常精细的结构。水力侵蚀研磨方法可以例如用于处理由金属、陶瓷和/或塑料制成的3D打印部件的表面，其具有50-500μm之间表面粗糙度。当使用相应的部件时，这些表面粗糙度导致不希望的效果，例如结垢或压力损失增加。为了在研磨方法之后能够在误差公差内与精确的几何形状相符，部件的几何形状必须任选地在制造方法期间，特别是在通过3D打印方法制造的情况下已经需要改变，并且必须能够精确地且以受控的方式调节研磨方法。

例如由WO 2014/000954A1已知，通过水力侵蚀方法在内燃机的喷射阀中的喷嘴上倒孔，从而使得以此方式可以在非常小的孔上研磨和倒圆具有尖锐边缘的过渡部，燃料通过所述非常小的孔在高压下喷入内燃机中。对于该方法，包含研磨颗粒的液体流过注射喷嘴。为了使通过喷嘴的孔的流动均匀并因此使边缘均匀地倒圆，将空心体引入喷射阀中，并且将包含研磨颗粒的液体引导通过在空心体中形成的内部流动通道和在空心体与喷射阀的内壁之间形成的外部流动通道。在这种情况下，为了均匀的结果，可以使用不同的包含研磨颗粒的液体，所述液体流过内部和外部流动通道，和/或包含研磨颗粒的液体可以以不同的流速或压力通过内部和外部流动通道输送。

例如，P.A.Rizkalla，Development of a Hydroerosion Model using a Semi-Empirical Method Coupled with an Euler-Euler Approach，Dissertation，RoyalMelbourne Institute of Technology，University of Melbourne，2007年11月，第36-44页描述了水力侵蚀研磨的数学仿真。尽管这描述了通过研磨来改变表面的方式，但是，不可能由此推导出必须对毛坯零件进行成型，以便在研磨之后由毛坯零件形成具有所需尺寸的成品零件的方式。

文献JP H06 315849A公开了一种提供高精度抛光的方法，包括测量待抛光物体的形状，由测量结果计算抛光面的各个点处的必需抛光量，计算所需的抛光次数，并判断假定在最佳抛光轨迹中进行抛光的物体的表面形状。该方法旨在减少传统抛光工艺中所需的工作，该工作是由于重复抛光物体和测量抛光步骤的结果直至获得抛光物体的最终所需形状的步骤产生的。然而，该文献提出的方法受到待抛光物体的给定原始形式以及所选抛光装置和工具的工艺参数的限制。

因此，本发明的目的是提供一种方法，利用该方法，在水力侵蚀研磨方法中成型为成品零件的毛坯零件的几何形状可以以这样的方式确定，即，通过水力侵蚀研磨方法制备的成品零件具有在预定公差内的所需几何形状。

该目的通过一种确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法来实现，该方法包括以下步骤：

(a)创建待制造的成品零件的结构模型，所述待制造的成品零件的结构模型用作下一步骤(b)的第一次执行的初始模型；

(b)对水力侵蚀研磨方法进行数学仿真，利用该数学仿真，从初始模型开始产生具有修正的几何形状的中间模型；

(c)将步骤(b)中产生的中间模型与成品零件的结构模型进行比较，并确定待制造的成品零件的结构模型与中间模型之间在结构模型的每个节点处与成品零件的结构模型的表面正交的距离，并将该正交距离与预定极限值进行比较；

(d)通过在步骤(b)中用作初始模型的模型的表面上的每个节点处，以相反的符号与该表面正交地加上在步骤(c)中确定的距离的5-99％，并且重复步骤(b)至(d)，从而创建所述部件的修正模型，如果在步骤(c)中确定的正交距离在至少一个节点处大于预定极限值，则将在步骤(d)中创建的修正模型在步骤(b)中用作新的初始模型；

(e)当在步骤(c)中在每个节点处确定的成品零件的结构模型和中间模型之间的正交距离降至低于预定极限值时，终止仿真，最后执行的步骤(b)的初始模型对应于待确定的毛坯零件几何形状。

通过这种方法，可以在成品零件的预定公差内确定毛坯零件必须具有的几何形状，以便在所进行的水力侵蚀研磨方法期间形成所需的成型零件。

为了生成待制造的成品零件的结构模型，优选首先利用任何所需的计算机辅助设计程序(CAD程序)生成所需成品零件的三维图像。在所需成品零件的三维图像的创建期间，必须小心以使其精确地真实反映所需成品零件的比例。随后，将以此方式创建的图像转换成结构模型。对于结构模型，将网格放置在成品零件的图像上。在这种情况下，必须小心以使网格的各个节点(即至少两个网格线以不等于180°的角度接触的点)以结构模型仍然以足够的精度反映所需成品零件的方式来选择。特别是在小的结构上，例如小半径或曲率，两个节点之间的距离必须足够小，以便仍然精确地描述几何形状。由于在含研磨颗粒的液体流受到扰动的部件位置上，例如在表面上的凸起或凹陷处，以此方式改变的流动将导致研磨颗粒在表面上的效果发生改变，因此在这些位置上，各个节点之间的距离也应该选择得足够小。在这种情况下，所选的节点之间的距离取决于待加工部件的尺寸和成品零件的所需尺寸公差。尺寸公差越大，则两个节点之间的距离可以选择得越大。随着与待加工表面的距离增加，两个节点之间的距离同样可以增加。如果将同样能够生成成品零件的图像的仿真程序用于步骤(b)中的计算，则当然可以使用相同的程序来创建图像和由图像生成结构模型。

构造合适的结构模型的方式对于本领域技术人员是已知的，其中可使用常规仿真程序来创建结构模型，所述结构模型通常还包括用于生成结构模型的模块。取决于步骤(b)中的所需计算方法，可以使用以有限差分、有限元或有限体积操作的仿真程序。常规的和优选的是使用基于有限元的仿真程序，例如可由

获得的那些。

在步骤(b)中，从初始模型出发，对水力侵蚀研磨方法进行数学仿真，其中通过数学仿真产生中间模型。为了对水力侵蚀研磨方法进行数学仿真，一方面对包含研磨颗粒的液体的流动进行数学仿真，另一方面对研磨颗粒在液体中的输送进行数学仿真，并且与此相关地对研磨颗粒对待加工部件的冲击和由此产生的材料侵蚀进行数学仿真。为了计算，可以使用市售仿真程序。例如，P.A.Rizkalla，Development of a Hydroerosion Modelusing a Semi-Empirical Method Coupled with an Euler-Euler Approach，Dissertation，Royal Melbourne Institute of Technology，University of Melbourne，2007年11月，第36-44页描述了一种可能的用于水力侵蚀研磨方法的模型。然而，除了此处描述的数学仿真之外，也可以使用本领域技术人员已知的研磨方法的任何其他数学仿真，借助该数学仿真描述包含在液体中的研磨颗粒从表面侵蚀和材料侵蚀的形式。

如上所述，数学仿真可以用有限差分法、有限元法或有限体积法来执行，其中通常使用有限元法的商业仿真程序来执行。

优选将对应于预期的后续制造工艺的工艺数据用作用于数学仿真的边界条件和物质数据。用于数学仿真的物质数据还应对应于预期的后续制造方法的那些。例如，使用包含所用研磨颗粒的液体的压力、温度和体积流速作为水力侵蚀研磨方法的数学仿真的边界条件。用于数学仿真的包含研磨颗粒的液体的物质数据例如是液体的粘度和液体的密度，其他物质数据是研磨颗粒的形状、尺寸和材料以及液体中研磨颗粒的量。其他工艺数据是部件的几何形状(该形状用作结构模型)，以及包含研磨颗粒的液体输送通过的通道的几何形状。用于数学仿真的另一工艺量是研磨方法的时间。

如果在实施水力侵蚀研磨方法时计划改变工艺条件，例如包含研磨颗粒的液体的压力或温度，或者特别是包含研磨颗粒的液体的体积流速，则在研磨方法的数学仿真中也相应地考虑工艺条件的这些变化。除了体积流速和压力的变化之外，工艺条件的变化还与研磨方法期间几何形状的变化有关。

当包含研磨颗粒的液体在一个流动方向上流过待加工表面时，如果不能到达表面上所有的待加工位置，则可以将部件重新定位，以使得包含研磨颗粒的液体在另一个方向上流过该位置，或者使包含研磨颗粒的液体的流动方向反向，以使得其在待加工表面上在相反方向上流动。包含研磨颗粒的液体的流动方向的这种变化同样是在研磨方法的数学仿真中要考虑的工艺条件的变化。

由于步骤(b)中的水力侵蚀研磨方法的数学仿真，中间模型具有与初始模型经受水力侵蚀研磨方法时形成的几何形状相对应的几何形状。由于在第一次执行步骤(b)时，将成品零件的结构模型用作初始模型，因此在第一次执行步骤(b)时确定的中间模型具有这样的形状，其中，加工表面已经被改变，以使得所生成的中间模型反映了从成品零件开始表面已经被研磨的分量。因此，中间模型具有将成品零件的所需几何形状基本上正好相反的方式与初始模型所需的形状区分开来的几何形状，以便在研磨工艺结束时获得所需的成品零件。

为了接近所需的毛坯零件的形状，以便在所需公差内获得所需的成品零件，在步骤(c)中，将在步骤(b)中生成的中间模型与成品零件的结构模型进行比较，并且在结构模型的每个节点处确定待制造的成品零件的结构模型与中间模型之间的与成品零件结构模型的表面正交的距离。将在每个节点中确定的该正交距离与预定极限值进行比较。在这种情况下，预定的极限值优选为成品零件的尺寸公差。

如果在至少一个节点处，成品零件的结构模型与步骤(b)中确定的中间模型之间的正交距离大于预定极限值，则执行步骤(d)，并且如果在所有节点处，成品零件的结构模型与步骤(b)中确定的中间模型之间的正交距离小于预定极限值，则执行步骤(e)并且结束该方法。

在步骤(d)中，通过在步骤(b)中用作初始模型的模型表面上的每个节点处，以相反的符号与初始模型的表面正交地加上步骤(c)中确定的距离的5-99％，优选为步骤(c)中确定的正交距离的30-70％，特别是步骤(c)中确定的距离的40-60％，例如50％，来创建部件的修正模型。随后，重复步骤(b)至(d)，在步骤(d)中创建的修正模型在步骤(b)中用作新的初始模型。将步骤(c)中确定的正交距离的5-99％，优选30-70％，特别是40-60％，例如50％而不是将步骤(c)中确定的整个正交距离加到步骤(b)中使用的初始模型上，这确保了该方法收敛并且在所有情况下都找到在水力侵蚀研磨方法中由其制造成品零件的毛坯零件的几何形状。

由于步骤(b)中生成的中间模型与步骤(c)中的成品零件的结构模型的比较，因此在每次执行中，记录仍然导致初始模型与成品零件的偏差的正交距离。通过将该正交距离的一部分加到步骤(b)中的初始模型上以便为随后执行的步骤(b)至(d)创建新的初始模型，在每次执行中，所需毛坯零件的形状被更接近地近似。一旦步骤(b)中生成的中间模型在每个节点中具有小于预定极限值的与成品零件的结构模型的正交距离，则该迭代方法就产生所需的毛坯零件的形状，以便通过水力侵蚀研磨方法制造成品零件。在这种情况下，毛坯零件的形状由步骤(b)中的初始模型反映，其中，生成其表面在预定公差内(即在预定极限值内)对应于成品零件的模型以作为中间模型。

取决于待制造的成品零件，所需的公差以及因此的预定极限值可以在待制造的成品零件的整个待加工表面上相等。然而，也可以为成品零件的不同表面或表面的不同区域指定不同的公差，从而然后对于步骤(b)的中间模型和成品零件的结构模型之间的正交距离也获得不同的极限值。

通过水力侵蚀研磨方法，可以加工部件(例如孔)内部的两个表面，或者还有外表面，即部件外部的面。在组件内部的表面的情况下，组件优选通过孔的入口和出口与包含研磨颗粒的液体流过的管线连接。以此方式，包含研磨颗粒的液体仅被引导通过待加工的孔，并且不会流过外表面，从而使得外表面不会被包含研磨颗粒的液体改变。

如果意欲通过水力侵蚀研磨方法加工外表面，则将组件放置在包含研磨颗粒的液体流过的通道中。在这种情况下，液体可以在外表面上流动。对于这种情况下的数学仿真，在仿真中还必须考虑通道。对于其中意欲通过水力侵蚀研磨方法加工部件的内表面和外表面的情况，可在一个加工步骤中通过将部件放置在通道中来加工它们，或者在两个步骤中通过首先流过内表面，关闭部件中的开口，然后将部件放置在通道中以便加工外表面来加工它们。当然，也可以以不同的顺序进行加工，例如首先加工外表面，然后加工内表面。在每种情况下，以意欲实施水力侵蚀研磨方法的方式进行数学仿真。

特别有利的是，将通过数学仿真确定的、旨在通过水力侵蚀研磨方法加工以形成成品零件的毛坯零件的几何形状在CNC辅助的制造方法中用作毛坯零件或用于制造毛坯的工具的规格。作为替代，通过数学仿真确定的毛坯零件的几何形状也可用于增材制造方法，例如3D打印。

例如，当不能通过机械加工制造方法制造毛坯零件，而是例如通过铸造方法制造毛坯零件时，使用用于制造毛坯零件的工具。所有可能的材料，例如金属、塑料或甚至陶瓷，都可以通过水力侵蚀研磨方法进行加工。取决于待加工的材料，为研磨颗粒选择合适的材料、合适的形状和合适的尺寸。同样根据待加工的毛坯零件的材料，选择液体中研磨颗粒的比例、液体和液体的压力、温度和体积流速以及研磨方法的时间。

所述确定毛坯零件的几何形状的方法可以利用不同的工艺条件或物质数据重复地执行。以此方式，该方法不仅可以用于确定毛坯零件的几何形状，而且可以用于确定最合适的工艺条件和研磨颗粒，在这种情况下，对于成品零件的恒定形状，改变的工艺条件和研磨颗粒还可以导致毛坯零件的不同几何形状。

由于数学仿真的复杂性，所述确定毛坯零件的几何形状的方法优选在可编程计算机单元上执行，特别是在计算机或图形输入板上执行，在这种情况下，计算机单元必须被配置成使得数据可以例如经由键盘或触摸屏输入。为此，使用计算机程序，当计算机程序在可编程计算机单元上运行时，通过该计算机程序执行该方法。计算机程序可以存储在机器可读存储介质上，例如存储在永久或可重写存储介质上，或者与计算机设备相关联，或者储存在可移动CD-ROM、DVD、蓝光光盘或USB棒上。此外或者作为替代，计算机程序可以提供在计算机设备上，例如在服务器上，用于例如经由诸如因特网的数据网络或诸如电话线或无线连接的通信连接进行下载。

该方法以示例的方式在附图中表示，并且将借助下文的描述更详细地解释。

该单一附图示出了本发明方法的流程图。

在第一步骤1中，创建所需部件的三维图像。优选地，三维图像的创建是借助于计算机辅助图形程序，通常是CAD程序来执行的。借助合适的程序，由三维图像生成结构模型。在这种情况下，可以基于矩形网格或三角形网格生成结构模型，具有多边形单元的任何其他网格形状也是可能的，例如五边形、六边形或八边形网格元素。具有不同数量顶点的网格元素的组合也是可能的。然而，优选使用矩形网格或三角形栅格。

在生成所需组件的结构模型之后是第二步骤2，在该步骤中从初始模型出发，对水力侵蚀研磨方法进行仿真，从而生成中间模型，该中间模型的几何形状与在水力侵蚀研磨方法之后用于仿真的初始模型所具有的几何形状相对应。

在这种情况下，水力侵蚀研磨方法用在工艺条件来仿真，所述工艺条件意欲随后用于制造组件的水力侵蚀研磨方法中。

在第一次执行步骤2时，将在步骤1中生成的所需部件的结构模型用作数学仿真的初始模型。

在第三步骤3中，将在步骤2中生成的中间模型与所需部件的结构模型进行比较。为此，在所需部件的结构模型的每个节点处，确定在数学仿真中计算的中间模型的到表面的正交距离，并将其与预定极限值进行比较。在这种情况下，预定极限值优选为所需部件的尺寸公差。

如果在至少一个节点处的正交距离大于预定极限值，则执行第四步骤4，其中，将到用于步骤2中的数学仿真的初始模型表面的正交距离的5-99％，优选30-70％，特别是40-60％，更特别优选50％以相反的符号相加。这意味着如下情况：在中间模型中计算的位于所需部件表面之下的表面部分的距离被加到初始模型的表面上，从而使得初始模型的表面被升高，而在中间模型中计算的位于所需部件的表面之上的表面部分的距离被从初始模型的表面减去，从而使得初始模型的表面被降低。以此方式，生成修正的模型。以该修正的模型作为初始模型，然后再次执行步骤2和3。如果在步骤3的比较期间，至少一个节点处的正交距离再次大于预定极限值，则再次重复步骤4、2和3。重复该程序，直至在步骤3中，在每个节点处，所需部件的结构模型与在步骤2中计算的中间模型之间的正交距离小于预定极限值。

一旦在每个节点处的正交距离都小于预定极限值，则终止该方法。这由附图标记5表示。用于步骤2的最后执行的初始模型于是对应于在水力侵蚀研磨方法中使用以获得所需部件的毛坯零件的几何形状。

优选地，由初始模型产生三维图像，特别是CAD图，该初始模型对应于在水力侵蚀研磨方法中使用的毛坯零件。然后，该三维图像例如可以用作CNC工艺的输入文件以制造毛坯零件，或者还用于制造用于制造毛坯零件的工具。

如上所述，尤其是在使用机械加工方法时，通过CNC方法来实施毛坯零件的制造，并且意欲铸造毛坯零件时，通过制造工具来实施毛坯零件的制造。

然而，除了上述制造方法之外，作为替代方案，还可以通过增材制造方法，例如通过3D打印方法制造毛坯零件。

Claims

1.一种确定在水力侵蚀研磨方法中成型以形成成品零件的毛坯零件的几何形状的方法，其包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其中数学仿真(b)是利用有限差分法、有限元法或有限体积法来执行的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中将对应于预期的后续制造工艺的工艺数据用作步骤(b)中的数学仿真的边界条件和物质数据。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述工艺数据包括体积流速，所用的包含研磨颗粒的液体的物质数据，所用的研磨颗粒的形状、尺寸和材料，包含研磨颗粒的液体的几何数据、压力和温度以及水力侵蚀研磨方法的时间。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中在该研磨方法的数学仿真中还考虑水力侵蚀研磨方法中所希望的工艺条件的变化。

6.如权利要求5所述的方法，其中工艺条件的变化包括在所述研磨方法的时间内体积流速的变化和压力的变化，以及几何形状的变化。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中将步骤(e)中确定的毛坯零件的几何形状用作毛坯零件的CNC辅助制造工艺中的规格，或者用作用于制造毛坯零件的工具的规格。

8.一种计算机程序，当其在计算机上运行时，执行如权利要求1-7中的一项所述的方法。