CN112809311A - 锻件级零部件的修复与再制造方法、零部件、终端、介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于零部件表面修复技术领域，公开了一种锻件级零部件修复方法、零部件、终端、介质，首先通过三维反求获取零部件或工模具缺损部分CAD模型，然后根据该模型进行分层切片和路径规划，接着在该缺损面上，应用复合材料或与零部件或工模具本体相同的单一材料逐层微铸锻同步修复成形，直到获得满足锻件级品质要求的高可靠产品。本发明既解决了传统修复技术无法进行锻造而无法锻件级修复的瓶颈问题，又解决了基于平面分层并堆积的现有增材成形方法因效率较低、成本较高、难以曲面分层成形而尚未应用于大中型零部件或工模具修复的难题，具有普适性，能够使缺损表面不经过传统锻造而直接获得锻件品质；使用丝材修复，能显著降低修复成本、提高效率。

Description

锻件级零部件的修复与再制造方法、零部件、终端、介质

技术领域

本发明属于工模具修复技术领域，尤其涉及一种用于工模具表面缺损后进行修复的微铸锻复合制造方法、零部件、模具、终端、介质。

背景技术

零部件的质量和使用寿命直接关系到由零部件装配而成的装备的使用性能和寿命，制造生产设备还关系到生产效率、成本及产品质量。要求锻件级品质修复的冷轧辊、支撑辊、超高强度钢板冲压成形模具等工模具，以及飞机、发动机承力零部件制造难度大、价格高，一旦这些必须锻件品质的工模具和零部件表面出现较大损伤，由于目前尚无锻件级修复技术，整个工模具和零部件将报废，造成巨大的浪费和污染。如何实现锻件级品质的零部件和工模具修复，延续工模具使用时效，提高工模具的使用寿命，减少零部件或工模具置换次数，一直是机械制造业面临的重大瓶颈问题。工模具最普遍的失效形式是表面剥落和磨损。

目前，零部件和工模具损伤后多采用焊接方法修补后切削或磨削方式进行修复。但采用这种方式只能得到铸焊组织，无法达到锻件基体的性能和冶金质量，是非锻件级的修复方法，对提高工模具使用寿命意义不大，仅为一种补救措施。而采用表面修复与强化的热处理技术已成为延长工模具寿命的一个重要发展方向和途径，该技术不仅可以修复工模具，而且可以提高工模具的耐磨性，延长工模具的使用寿命，改善工模具的表面质量，具有明显的经济效益。工模具的表面修复与强化技术主要包括工模具表面的感应加热淬火技术、堆焊技术、热喷涂技术、热喷焊技术和激光表面改性技术等，但这些技术均无锻造环节，不能从根本上有效地提高工模具表面耐高温耐磨损耐腐蚀和开裂的抗力，达到锻件级修复水平。

(1)感应加热淬火技术

感应加热淬火技术将工件置于有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，工件表面被迅速加热到钢的相变临界温度之上，然后在冷却介质中快速冷却获得马氏体。感应加热以及冷处理技术于20世纪50年代在轧辊制造中得到应用。对9Cr2Mo钢冷轧辊进行双频淬火后，有效淬硬层为17.5mm，硬度达62HRC以上。

由于感应加热局限于表层一定深度内，工艺设备的成本较高，不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等，从而使其发展受到一定限制。

(2)堆焊技术

堆焊是在工件表面熔覆上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。工件采用堆焊技术修复后，堆焊层与母材能实现冶金结合，堆焊获得的表面层厚度最大。采用堆焊方法修复旧工模具和制造工模具已成为我国轧钢企业降低成本提高效益的重要举措。

堆焊修复技术由于工艺复杂，生产率低，硬度不太高，工模具在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件，显著增加了工艺成本。这些局限了堆焊技术的发展。

(3)热喷涂技术

热喷涂是采用热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷涂技术处理工件基体变形小，热影响区浅；喷涂层硬度比堆焊要高(>70HRC)，采用火焰喷涂修复KmTBMn5W3合金抗磨铸铁工模具，耐磨性比电弧堆焊提高了3～4倍。

该技术的主要局限性是涂层与基材结合强度较低(25MPa左右或>80MPa不等，结合机理主要是机械结合)，而且涂层存在孔隙和残余应力，韧性差，切削加工性较差。另外热喷涂热效率低，材料利用率低，而且在操作过程中存在一些危害因素。

(4)热喷焊技术

热喷焊技术是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。热喷焊技术修复轧辊时，热喷焊层组织致密，冶金缺陷少，喷焊层与基材为冶金结合，结合强度高，一般是热喷涂的10倍。

该技术缺点是热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，且热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多。

(5)激光表面改性技术

轧辊修复与强化常用的激光表面改性技术包括激光淬火技术、激光表面熔凝技术、激光表面熔覆、激光表面合金化。

激光淬火技术：利用激光束照射到钢铁材料的表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，表层通过内层材料的导热作用快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。激光淬火技术修复轧辊时，加热速度快、淬火硬度高、工件变形小(为高频淬火的1/10～1/3)、后道工序工作量小、无氧化、无污染。高速钢轧辊材料经激光淬火后表面硬度可高达68.5HRC。

激光表面熔凝技术：用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，熔化层表面在激光束移开以后由于基材内部导热而快速冷却并凝固结晶。激光熔凝技术处理轧辊，熔凝层比激光淬火层的总硬化层深度要深，硬度要高。

激光表面熔覆：采用激光加热将预先涂覆在材料表面的涂层与基体表面一起熔化后迅速凝固，得到成分与涂层基本一致的熔覆层。激光表面熔覆由于具有输入热量少，工件变形小，可以改善整体铸造粗糙度等优点在轧辊修复方面得到广泛应用。

激光表面合金化：用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在表面获得合金层。相对于激光熔覆，它的优点是可以在廉价基材表面获得与基材本身差别很大的具有良好表面性能的新合金层，从而延长工件的使用寿命并降低材料损耗。由于合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀，对皲裂和剥落等倾向不敏感。

但激光表面改性技术都普遍存在基材对激光吸收率低、激光加工系统投资大、整体修复效率低等问题，在一定程度上影响了该技术的推广应用。

通过上述分析可知，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的轧辊表面修复与强化的热处理技术均不能从根本上有效提高轧辊表面高温磨损和开裂的抗力，无法使零件修复至锻件水平，以及留有负公差，修复周期长、成本高、效率低、更换频繁等问题，不能满足日常生产需求，只能进行报废处理。

解决以上问题及缺陷的难度为：感应加热淬火技术由于感应加热局限于表层一定深度内，工艺设备的成本较高，不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等，从而使其发展受到一定限制。

堆焊修复技术由于工艺复杂，生产率低，硬度不太高，轧辊在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件，显著增加了工艺成本，这些局限了堆焊技术的发展。

热喷涂技术的主要局限性是涂层与基材结合强度较低(25MPa左右或>80MPa不等，结合机理主要是机械结合)，而且涂层存在孔隙和残余应力，韧性差，切削加工性较差。另外热喷涂热效率低，材料利用率低，而且在操作过程中存在一些危害因素。

热喷焊技术缺点是热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，且热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多。

激光表面改性技术都普遍存在基材对激光吸收率低、激光加工系统投资大、整体修复效率低等问题，在一定程度上影响了该技术的推广应用。

解决以上问题及缺陷的意义为：将微铸锻成形复合技术运用到零部件和工模具修复中，因其可实现熔化设定的粉材或丝材微铸并对熔铸微区进行连续微锻成形，可以得到与基体锻件性能和品质水平一致或更优的修复表面，其结构耐磨、耐腐蚀、经济上可以节约成本，提高零部件和工模具的使用寿命，减少更换次数。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于工模具表面缺损后进行修复的微铸锻复合制造方法、模具、终端、介质。

本发明是这样实现的，一种锻件级零部件的修复与再制造方法包括以下步骤：

(1)修复前测量：测量工模具表面缺陷尺寸，获得工模具表面缺陷形状和尺寸的CAD数据；

(2)形成三维模型：根据得到的CAD数据利用通用三维设计软件(如SolidWork、Catia等)形成工模具的缺损部分的三维CAD模型；

(3)计算厚度值：将工模具的缺损部分的三维CAD模型与该工模具相对应位置完好三维CAD模型进行数据比对，获取工模具上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复部分的厚度值及形状值；

(4)模型分层：根据第(3)步得到的相关数据和缺损部分的三维CAD模型，并依据原完好工模具的技术要求和尺寸精度要求等，利用自主开发的路径规划软件对工模具缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理；

(5)生成数控代码：根据工模具缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸数据及形状特点进行微铸锻修复路径规划，生成修复所需要的3D打印轨迹代码；

(6)微铸锻制造修复：采用数控的激光、电子束、电弧、等离子孤以及等离子弧激光复合热源中的一种，按照上述各层数控代码确定的轨迹，应用金属丝材或粉材，使用智能机床或机械手在工模具缺损表面上逐层微铸锻成形，同时利用微型轧制装置或塑性成形装置对熔积区域做锻压成形，直至达到相应增加的厚度值，得到所需的工模具；

(7)后处理：在工模具微铸锻修复全部完成后，修复部位局部施加研磨或抛光工艺，使工模具达到设计所需的表面质量要求。

进一步，所述金属丝材是工模具同成分材料，形态为丝材。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明根据零部件或工模具的体积大小、缺损部分形状复杂程度，首先通过三维反求获取工模具缺损部分三维CAD模型，然后根据三维模型进行分层切片和路径规划，然后在工模具缺损表面上，数字化梯度或单一材料逐层微铸锻成形，直到获得满足设计要求的锻件级高性能、高可靠的零部件或工模具；既解决了传统修复技术的熔积+机械加工+热处理的修复周期长、成本高、存在表面气孔和缩孔等缺陷造成的易失效的瓶颈问题，又解决了基于平面分层并堆积的现有快速成形方法因效率较低、成本较高、难以曲面分层成形而尚未应用于大中型工模具制造的问题，具有重要的应用前景。

本发明能够使工模具不经过传统锻造而直接获得锻件品质表面；使用丝材，能显著降低材料使用成本；使用等离子弧+激光作为微铸热源，相比传统的纯激光热源，能显著降低生产成本、提高效率。

本发明将微铸锻成形复合技术运用到零部件或工模具修复中，则可以得到与锻件水平一致的修复表面，其结构耐磨、耐腐蚀、经济上可以节约成本，提高工模具使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，可以根据这些附图理解本发明的基本技术原理。

图1是本发明实施例提供的锻件级零部件的修复与再制造方法流程图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种锻件级零部件的修复与再制造方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的锻件级零部件的修复与再制造方法具体包括：

S101，修复前测量：测量工模具表面缺陷尺寸，获得工模具轧辊形状和尺寸的CAD数据。

S102，形成三维模型：根据得到的CAD数据形成缺损工模具的三维CAD模型。

S103，计算厚度值：比对完好工模具的三维CAD模型和缺损工模具的三维CAD模型，获取工模具上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复的厚度值。

S104，模型分层：根据工模具表面的尺寸精度要求，对工模具缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。

S105，生成数控代码：根据工模具缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸数据及形状特点进行微铸锻修复路径规划，生成修复所需要的3D打印轨迹代码。

S106，微铸锻制造修复：采用数控的激光、电子束、电弧、等离子孤以及等离子弧激光复合热源中的一种，按照上述各层数控代码确定的轨迹，应用金属丝材或粉材，使用智能机床或机械手在工模具缺损表面上逐层微铸锻成形，同时利用微型轧制装置或塑性成形装置对熔积区域做锻压成形，直至达到相应增加的厚度值，得到所需的工模具。

S107，后处理：在工模具微铸锻修复全部完成后，局部施加研磨或抛光工艺，使工模具达到设计所需的表面质量要求。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1：冷轧辊修复

该冷轧辊材料是9Cr2Mo，辊身原始直径为600mm，表面磨损程度不一，辊身形貌准确测量及修复难度很大。

(1)测量冷轧辊表面缺陷尺寸和位置，三维反求获得缺损轧辊的三维CAD模型。(2)比对初始轧辊的三维CAD模型和缺损轧辊的三维CAD模型，获取轧辊上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复的厚度值。以该冷轧辊辊身表面磨损程度最严重的一处为例，测得此处直径为596mm，经与原始模型比对，则此处应增加厚度值为2mm。(3)根据轧辊表面的尺寸精度要求，对轧辊缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。(4)根据轧辊缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸及形状特点进行修复路径规划，生成修复加工所需的各层数控代码。(5)采用数控的等离子弧激光复合热源，按照各层数控代码指定的轨迹，应用9Cr2Mo金属丝材，设定焊接电流为40A～80A，使用智能机械手在缺损轧辊表面上相应位置逐层熔积成形，同时利用微型轧制装置对熔积区域作锻压成形与加工，直至达到应增加的2mm厚度值，得到所需的冷轧辊。(6)在轧辊微铸锻修复全部完成后，施加少量抛光加工，使轧辊达到设计所需的表面质量要求。

实施例2：热轧辊修复

该热轧辊材料是60CrMnMo，辊身原始直径为700mm，表面有磨损及剥落等缺陷，形貌复杂，辊身表面准确测量及修复难度很大。

(1)测量该热轧辊表面缺陷尺寸和位置，三维反求获得缺损轧辊的三维CAD模型；(2)比对初始轧辊的三维CAD模型和缺损轧辊的三维CAD模型，获取轧辊上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复的厚度值。以该热轧辊辊身表面剥落面积较大较典型的一处为例，测得此处剥落深度为2mm，经与原始模型比对并进行修正，则此处应增加厚度值为2.7mm。(3)根据轧辊表面的尺寸精度要求，对轧辊缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。(4)根据轧辊缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸及形状特点进行修复路径规划，生成修复加工所需的各层数控代码。(5)采用数控的等离子弧激光复合热源，按照各层数控代码指定的轨迹，应用60CrMnMo金属丝材，设定焊接电流为40A～80A，使用智能机械手在缺损轧辊表面上相应位置逐层熔积成形，同时利用微型轧制装置对熔积区域作锻压成形与加工，直至达到应增加的2.7mm厚度值，得到所需的冷轧辊。(6)在轧辊微铸锻修复全部完成后，施加少量抛光加工，使轧辊达到设计所需的表面质量要求。

实施例3：压铸模具修复

该压铸模具材料是50号锻造钢材，其凹模部分中有一个半径为20mm、深20mm的半凹球结构，该半凹球结构在长时间的反复使用过程中已经出现一定程度的磨损，经精确测量，该处磨损量已达3mm，达到报废标准。现采用微铸锻复合制造修复的方法进行修复。

(1)测量该压铸模具凹模缺损部分表面缺陷尺寸和位置，三维反求获得缺损凹模的三维CAD模型；(2)比对初始凹模的三维CAD模型和缺损凹模的三维CAD模型，获取压铸模具上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复的厚度值。(3)根据压铸模具凹模表面的尺寸精度要求，对压铸模具凹模缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。(4)根据压铸模具凹模缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸及形状特点进行修复路径规划，生成修复加工所需的各层数控代码。(5)采安装在机器人末端执行器上的非熔化极气体保护焊的等离子弧熔积枪，焊接电流50～80A数字化逐层熔积成形铁-镍-铬合金材料，直至达到应增加的厚度值；所述坯体的其它部分也按测量后求得的应增加的厚度值，数字化逐层熔积成形铁-镍铬合金材料，最终得到所需尺寸的模具。(6)在微铸锻修复全部完成后，施加少量抛光加工，使压铸模具凹模达到设计所需的表面质量要求。

实施例4：注塑模具修复

该注塑模具材料是45号锻造钢材，其凹模部分中有一个半径为18mm、深18mm的半圆凸台结构，该半圆凸台结构在长时间的反复使用过程中已经出现一定程度的磨损，经精确测量，该处磨损量已达2mm，达到报废标准。现采用微铸锻复合制造修复的方法进行修复。

(1)测量该注塑模具凹模缺损部分表面缺陷尺寸和位置，三维反求获得缺损凹模的三维CAD模型；(2)比对初始凹模的三维CAD模型和缺损凹模的三维CAD模型，获取注塑模具凹模上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复的厚度值。(3)根据注塑模具凹模表面的尺寸精度要求，对注塑模具凹模缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。(4)根据注塑模具凹模缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸及形状特点进行修复路径规划，生成修复加工所需的各层数控代码。(5)采用安装在熔积成形数控机床加工头上的电压为420v～480V，频率为10赫兹的YAG固体激光器发出的激光束，数字化逐层熔积成形不锈钢合金材料，直至达到应增加的厚度值；所述坯体的其它部分也按测量后求得的应増加的厚度值，数字化逐层熔积成形45号钢材料，最终得到所需尺寸的、带随型冷却流道的模具。(6)在微铸锻修复全部完成后，施加少量抛光加工，使注塑模具凹模达到设计所需的表面质量要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述锻件级零部件的修复与再制造方法包括：

通过三维反求获取零部件或工模具缺损部分三维CAD模型，根据获取的所述三维CAD模型进行分层切片和路径规划，再在所述缺损表面上，数字化梯度或单一材料逐层微铸锻成形，直到获得满足设计要求的锻件级表面的工模具。所谓微铸锻成形为，热源按计算机控制轨迹移动，逐点熔化设定的粉材或丝材，实现数字化微铸成形，在成形过程中或之后对微铸成形区进行连续微锻成形。

2.如权利要求1所述的锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述锻件级零部件的修复与再制造方法具体包括：

(1)修复前测量：测量工模具表面缺陷尺寸，获得工模具轧辊形状和尺寸的CAD数据；

(2)形成三维模型：根据得到的CAD数据形成缺损工模具的三维CAD模型；

(3)计算厚度值和宽度值及表面轮廓；

(4)模型分层：根据工模具表面的尺寸精度要求，对工模具缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理；

(5)生成数控代码：根据工模具缺损部分三维CAD模型分层切片数据和各层尺寸数据及形状特点进行微铸锻修复路径规划，生成修复所需要的3D打印轨迹代码；

(6)微铸锻复合制造修复，得到所需的锻件级零部件和工模具表面；

(7)后处理：在工模具微铸锻修复全部完成后，局部施加表面处理、研磨或抛光工艺，使工模具达到设计所需的表面质量要求。

3.如权利要求2所述的锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：将工模具缺损部分的三维CAD模型与该工模具相对应位置完好三维CAD模型进行数据比对，获取工模具上缺损部分的位置和数据，该数据即是需要修复部分的厚度值及形状值。

4.如权利要求2所述的锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：根据步骤(3)得到的相关数据和缺损部分的三维CAD模型，并依据原完好工模具的技术要求和尺寸精度要求，利用路径规划软件对工模具缺损部分的三维CAD模型进行分层切片处理。

5.如权利要求2所述的锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：

微铸锻制造修复：采用数控的激光、电子束、电弧、等离子孤以及等离子弧激光复合热源中的一种，按照上述各层数控代码确定的轨迹，应用金属丝材或粉材，使用智能机床或机械手在工模具缺损表面上逐层微铸锻成形，同时利用微型轧制装置或塑性成形装置对熔积区域做锻压成形，直至达到相应增加的厚度值，得到所需的工模具。

6.如权利要求5所述的锻件级零部件的修复与再制造方法，其特征在于，所述金属丝材是工模具同成分材料，形态为粉材或丝材。

7.一种利用权利要求1～6任意一项所述锻件级零部件的修复与再制造方法制造的零部件或工具与模具。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述锻件级零部件的修复与再制造方法。

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