CN112916878B - 一种增材制造环形件矫形方法 - Google Patents

一种增材制造环形件矫形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材制造环形件矫形方法，通过制备与待矫形环形件理论模型内腔内壁贴合的内支撑结构；将待矫形环形件套设于内支撑结构外侧；然后采用钢丝在待矫形环形件外圈施加预紧力后进行缠绕，在待矫形环形件外圈形成钢丝缠绕圈，利用内支撑结构作为支撑，然后采用钢丝进行缠绕，利用钢丝的挠性，将其随形缠绕在物体表面，缠绕时给钢丝施加预紧力，由此在零件表面产生一定压应力，从而实现环形件矫形，使用该方法对薄壁零件进行矫形，可以避免普通工装体积大，异形贴合面加工难度大的问题，将待矫形环形件进行去应力处理，从而能够快速实现环形件矫形，提高矫形质量。采用钢丝缠绕矫形方法，可以很好的规避施力不均匀的问题。

Description

一种增材制造环形件矫形方法
技术领域
本发明属于金属激光增材制造技术领域，涉及一种增材制造环形件矫形方法。
背景技术
增材制造融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。增材制造作为一种新的技术，今年来得到飞速发展，特别是在航空、航天领域，鉴于增材制造无需模具、快速制造复杂零件的优点，金属激光增材制造得到广泛应用。
随着金属增材制造技术的应用，通过不断摸索，工艺技术水平不断提高。近年来，通过金属增材制造技术制备的零件尺寸也越来越大。增材制造是基于离散-堆积原理，在无数层的堆积烧结后，零件内部积聚了大量的内应力。虽然在增材制造的过程中添加了很多支撑辅助结构，但零件仍难免存在一定的变形。
对于变形的零件，类似于板类零件可以通过矫形的方式将零件尺寸恢复到技术要求范围内。通常的矫形方法有冷矫形和热矫形，冷矫形，主要通过一定的工装对零件某处或整体进行施加一定的力，一般是让零件发生塑性变形，将零件矫正到理论尺寸；热矫形，主要是通过对零件进行加热，然后利用与零件外形一样的工装对零件进行施加力，将零件矫正到理论尺寸。因采用增材制造技术制备的环形零件往往比较复杂，外形不规则，采用常用的矫形方法，将很难对变形零件实施矫形。例如对半机匣，两个对半机匣是异形结构，且外形存在大量筋板，该零件通过激光增材制造技术成形后存在一定变形，由于零件空间不规则的外形和筋板加固作用，很难对该零件通过常用矫形方法矫正到理论尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造环形件矫形方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种增材制造环形件矫形方法，包括以下步骤：
S1，对待矫形环形件进行热处理，消除待矫形环形件打印成型过程的内应力，并去除待矫形环形件上的辅助支撑结构；
S2，制备与待矫形环形件理论模型内腔内壁贴合的内支撑结构；
S3，固定内支撑结构，将待矫形环形件套设于内支撑结构外侧；
S4，然后采用钢丝在待矫形环形件外圈施加预紧力后进行缠绕，在待矫形环形件外圈形成钢丝缠绕圈；
S5，最后将待矫形环形件与钢丝缠绕圈在真空热下进行去应力处理，去应力处理后拆除钢丝缠绕圈，即可完成待矫形环形件矫形。
进一步的，内支撑结构材料采用钢。
进一步的，内支撑结构采用实心结构。
进一步的，采用分层缠绕的方式，相邻两层内层缠绕圈数小于外层缠绕圈数。
进一步的，具体的，采用钢丝在待矫形环形件外圈从待矫形环形件一端缠绕至另一端形成第一层钢丝缠绕圈，相邻两圈钢丝不接触；在待矫形环形件外圈第一层钢丝缠绕圈外圈缠绕第二层钢丝缠绕圈，第二层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝间距小于第一层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝间距；依次缠绕，直至最后一层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝接触，完成待矫形环形件钢丝缠绕圈的缠绕。
进一步的，相邻两层的钢丝缠绕圈的缠绕圈数相差3。
进一步的，在待矫形环形件外圈缠绕钢丝预紧力为50～500N。
进一步的，缠绕钢丝时，采用垫板对待矫形环形件外表面凹陷部位进行填充，使垫板外表面与待矫形环形件最外面层表面平齐。
进一步的，在氩气氛围，600℃～1200℃下保温1～3小时后自然冷却，完成去应力处理。
进一步的，钢丝直径为0.2～1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种增材制造环形件矫形方法，通过制备与待矫形环形件理论模型内腔内壁贴合的内支撑结构；固定内支撑结构，将待矫形环形件套设于内支撑结构外侧；然后采用钢丝在待矫形环形件外圈施加预紧力后进行缠绕，在待矫形环形件外圈形成钢丝缠绕圈，利用内支撑结构作为支撑，然后采用钢丝进行缠绕，利用钢丝的挠性，将其随形缠绕在物体表面，缠绕时给钢丝施加预紧力，由此在零件表面产生一定压应力，随着缠绕圈数的增加，压应力层层累积，最终在零件表面产生随形压力，将零件压紧到内支撑结构上，从而实现环形件矫形，使用该方法对薄壁零件进行矫形，可以避免普通工装体积大，异形贴合面加工难度大的问题，最后将待矫形环形件与钢丝缠绕圈在真空热下进行去应力处理，去应力处理后拆除钢丝缠绕圈，从而能够快速实现环形件矫形，提高矫形质量。采用钢丝缠绕矫形方法，可以很好的规避施力不均匀的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中高温合金机匣结构示意图。
图2为本发明实施例中内支撑结构示意图。
图3为本发明实施例中高温合金机匣组合结构示意图。
图中，1、左机匣；2、右机匣；3、筋板；4、凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例，如图1所示，本申请针对高温合金机匣结构进行矫形，高温合金机匣包括对称设置的左机匣1和右机匣2，左机匣和右机匣中间中空腔结构，左机匣和右机匣形成环形件。具体包括以下步骤：
S1，对待矫形环形件进行热处理，消除待矫形环形件打印成型过程的内应力，并去除待矫形环形件上的辅助支撑结构；
待矫形环形件为高温合金机匣结构，采用激光增材制造技术(SLM-激光选区熔化成形)制备；
S2，根据左机匣和右机匣理论模型，制备与左机匣和右机匣理论模型内腔内壁贴合的内支撑结构，如图2所示；
内支撑结构材料采用钢，内支撑结构采用实心结构，防止内支撑结构在矫形过程中变形。
S3，采用三维扫描仪对左机匣和右机匣外形进行检测，将扫描结果与理论模型进行比对，得到零件的变形位置和变形量。
S4，将左机匣和右机匣安装到内支撑结构工装上，内支撑结构通过工装固定在工作台上，不会发生水平方向的移动；如图3所示。
S5，采用将直径0.2～1mm钢丝固定在零件轴向的一端(首端)，然后采用缠绕机以一定的50～500N的预紧力对零件实施缠绕，从首端开始，按层进行缠绕，缠绕到另一端时第一层缠绕完毕，再以这一端为起始往首端缠绕完成第二层，依次反复缠绕。第一层缠绕时，缠绕的圈数为2～5圈，第二层缠绕时，缠绕圈数为5～8圈，依次类推，下一圈缠绕圈数比上一圈增加3圈，直至缠绕时本圈钢丝与上一圈钢丝已无间隙，然后将这一层缠绕圈数为固定圈数持续进行缠绕。
高温合金机匣外圈设有横向和纵向筋板3，横向和纵向筋板3之间形成凹槽4，为保证钢丝能对高温合金机匣外形面施加压力，缠绕时在由筋板划分的凹槽里面放置垫板，垫板尺寸小于凹槽尺寸，垫板厚度为0.2～1mm的钢片，垫板的总厚度与凹槽深度相同。
S6，将缠绕完成的零件连同工装一起进行真空热处理去应力处理，加热温度为600℃～1200℃，保温1～3小时，氩气冷却。
S7，热处理完成后，将钢丝拆除，得到矫形后的零件。
S8，采用三维扫描仪对矫形完的左机匣和右机匣零件分别进行外形尺寸检测，并将扫描三维轮廓与零件理论模型进行拟合比对，得出矫形后的零件实际外形与理论外形的偏差，以检验矫形结果。矫形完成。
所述的零件矫形工装-内支撑结构材料为钢，具体爱用碳钢、不锈钢或高温合金材料。
所述的钢丝直径为0.2～1mm，材料为钢，可以为碳钢、不锈钢，也可以为高温合金材料。
所述的钢丝缠绕时，缠绕机对钢丝施加一定预紧力，大小为50～500N。
所述的为保证缠绕的钢丝能对零件外形面施加压力，在每个由筋板划分的凹槽里面放置数片尺寸比格子尺寸略小，厚度为0.2～1mm的钢片，钢片的总厚度跟筋板的高度(凹槽深度)相同，确保钢丝施加的预紧力产生的压力能够传递到外形面。钢片的材料可以为碳钢、不锈钢，也可以为高温合金材料。
所述的钢丝缠绕时，第一层缠绕的圈数为2～5圈，第二层缠绕时，缠绕圈数为5～8圈，依次类推，下一圈缠绕圈数比上一圈增加3圈，直至缠绕时本圈钢丝与上一圈钢丝已无间隙，然后将这一层缠绕圈数为固定圈数持续进行缠绕。
本发明的矫形方法适合于异形薄壁件发生变形后的矫形处理，采用钢丝缠绕进行预紧，钢丝具有很大的挠性，利用该特点可以将其随形缠绕在物体表面，缠绕时给钢丝施加预紧力，由此在零件表面产生一定压应力，随着缠绕圈数的增加，压应力层层累积，最终在零件表面产生随形的压力，将零件压紧到内支撑结构上。根据零件的壁厚大小和变形程度，可以调整缠绕钢丝的丝径大小和缠绕圈数。使用该方法对薄壁零件进行矫形，可以避免普通工装体积大，异形贴合面加工难度大的问题。同时，对于高温合金左机匣和右机匣这种带筋板的对半开口类的零件，若零件局部位置产生较大变形，矫形时零件将无法放入普通的一体化工装中，导致无法实施矫形。采用钢丝缠绕矫形方法，可以很好的规避上述问题。

Claims (8)

1.一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对待矫形环形件进行热处理，消除待矫形环形件打印成型过程的内应力，并去除待矫形环形件上的辅助支撑结构；
S2，制备与待矫形环形件理论模型内腔内壁贴合的内支撑结构；
S3，固定内支撑结构，将待矫形环形件套设于内支撑结构外侧；
S4，然后采用钢丝在待矫形环形件外圈施加预紧力后进行缠绕，在待矫形环形件外圈形成钢丝缠绕圈；采用分层缠绕的方式，相邻两层内层缠绕圈数小于外层缠绕圈数；采用钢丝在待矫形环形件外圈从待矫形环形件一端缠绕至另一端形成第一层钢丝缠绕圈，相邻两圈钢丝不接触；在待矫形环形件外圈第一层钢丝缠绕圈外圈缠绕第二层钢丝缠绕圈，第二层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝间距小于第一层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝间距；依次缠绕，直至最后一层钢丝缠绕圈相邻两圈钢丝接触，完成待矫形环形件钢丝缠绕圈的缠绕；
S5，最后将待矫形环形件与钢丝缠绕圈在真空加热下进行去应力处理，去应力处理后拆除钢丝缠绕圈，即可完成待矫形环形件矫形。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，内支撑结构材料采用钢。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，内支撑结构采用实心结构。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，相邻两层的钢丝缠绕圈的缠绕圈数相差3。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，在待矫形环形件外圈缠绕钢丝预紧力为50~500N。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，缠绕钢丝时，采用垫板对待矫形环形件外表面凹陷部位进行填充，使垫板外表面与待矫形环形件最外面层表面平齐。
7.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，具体的，在氩气氛围，600℃~1200℃下保温1~3小时后自然冷却，完成去应力处理。
8.根据权利要求1所述的一种增材制造环形件矫形方法，其特征在于，钢丝直径为0.2~1mm。
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