CN113118466B - 一种构件增材过程中基板残余应力控制方法及构件增材设备 - Google Patents
一种构件增材过程中基板残余应力控制方法及构件增材设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种构件增材过程中基板残余应力控制方法及构件增材设备，包括以下步骤：S1、利用三维软件建立增材结构件和基板的三维实体模型；S2、对增材过程进行模拟仿真分析，得到增材过程中基板的应力分布结果；S3、根据基板的应力分布结果确定增材过程中的基板应力集中区域；S4、对基板应力集中区域的上表面或下表面进行打磨，得到金属光泽表面；S5、在金属光泽表面涂覆耦合剂，在基板上进行增材生产；S6、利用超声波应变仪每n秒一次测量金属光泽表面的残余应力值σ；连续3次测得的σ大于设定阈值的基板区域为待去应力区域；S7、对待去应力区域采用超声波冲击强化；S8、返回步骤S6。本发明的好处是基板翘曲变形小。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种构件增材过程中基板残余应力控制方法及构件增材设备。
背景技术
公开号为CN110586941A的中国专利申请公开了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法，其包括回转工作台、应力消除装置、频率检测装置、成形装置和应力检测装置，其中：应力消除装置包括激振台和激振器，激振台固定在所述激振器上，且其上固定有基板，激振器固定在所述回转工作台上；频率检测装置、成形装置和应力检测装置安装在基板上方；系统工作时，成形装置每堆积数层待成形零件后，频率检测装置获取此时零件的固有频率，应力消除装置以此固有频率振动以消除零件内应力，然后由应力检测装置对零件内应力进行检测，从而在零件逐层堆积的过程中控制零件变形，提高零件的形状尺寸精度。
现有技术存在的问题是：由于增材过程是利用高温热源将丝材或粉材加热熔化，然后快速凝固逐层堆积的过程，在这一过程中伴随着热量向基板传导。基板由于较大的温度梯度而发生较大的翘曲变形，对夹具造成损伤并且产生残余应力，而残余应力大小超过某一临界值将会使夹具撕裂和变形，严重影响增材的尺寸精度并且造成一定的经济损失和资源浪费。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：增材制造过程中，基板翘曲变形较大，严重影响增材的尺寸精度，使得工作台夹具容易受力变形开裂的问题。
为了达到上述的目的，本发明的具体技术方案如下：
一种构件增材过程中基板残余应力控制方法，包括以下步骤：S1、利用三维软件建立增材结构件和基板的三维实体模型；S2、利用有限元分析软件对步骤S1中的所述增材结构件和基板的三维实体模型进行网格划分，得到所述增材结构件和所述基板的三维有限元模型；基于所述增材结构件和所述基板的三维有限元模型对增材过程进行模拟仿真分析，得到增材过程中所述基板的应力分布结果；S3、根据步骤S2得到的所述基板的应力分布结果确定所述增材过程中的基板应力集中区域；S4、对步骤S3中确定的所述基板应力集中区域的上表面或下表面进行打磨，得到金属光泽表面；S5、在步骤S4得到的所述金属光泽表面涂覆耦合剂，在所述基板上进行增材生产；S6、利用超声波应变仪每n秒一次测量所述金属光泽表面的残余应力值σ，7≥n≥3；连续3次测得的所述σ大于设定阈值的一个所述金属光泽表面对应的基板区域为待去应力区域；持续在所述基板上进行所述增材生产；S7、对步骤S6中的所述待去应力区域采用超声波冲击强化法以消除所述基板的应力；持续在所述基板上进行所述增材生产；S8、返回步骤S6直到完成所述增材生产。
进一步优选的技术方案中，步骤S4中，所述金属光泽表面的粗糙度小于0.05。
进一步优选的技术方案中，步骤S7中，所述超声波冲击强化法以超声波设备为动力源，所述超声波设备推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击所述待去应力区域，使所述基板发生塑性变形。
进一步优选的技术方案中，用σs表示所述基板的屈服强度，步骤S6中的所述设定阈值为0.8σs。
本发明还提供一种构件增材设备，用于实施所述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，包括机台、夹具、基板、超声波换能器、第一导波杆、激振底座、第二导波杆和升降座；所述升降座、超声波换能器、所述第一导波杆、所述激振底座和所述第二导波杆从下到上依次连接，所述激振底座与所述第二导波杆可拆卸连接，所述第二导波杆的数量为两件以上，所述第二导波杆的顶部与所述基板应力集中区域抵接；所述机台上设有通槽，所述通槽设于所述激振底座的上方，所述夹具与所述机台和所述基板均连接，所述基板设于所述通槽中；所述夹具的数量为两件以上，所述夹具包括夹持部和夹持驱动部，所述夹持驱动部与所述机台连接，所述夹持驱动部驱动所述夹持部平移，所述夹持部包括相互连接的侧部片体和底部片体，所述侧部片体用于连接所述基板的侧壁，所述底部片体用于承托所述基板的底部。
进一步优选的技术方案中，还包括水冷盘，所述水冷盘包括上盘和下盘，所述下盘呈环形，所述下盘中设有呈环形的下水槽，所述下水槽开口向上，所述下盘的截面呈U型；所述上盘呈环形，所述上盘中设有呈环形的上水槽，所述上水槽开口向上，所述上盘包括上盘本体、内连接板和外连接板，所述内连接板和所述外连接板均呈环形，所述上盘本体的截面呈U型，所述内连接板的内侧壁与所述下水槽的内侧壁密封连接，所述内连接板的外侧壁与所述上盘本体的内侧壁密封连接，所述外连接板的内侧壁与所述上盘本体的外侧壁密封连接，所述外连接板的外侧壁与所述下水槽的外侧壁密封连接；所述上盘本体、所述内连接板、所述下盘、所述外连接板之间围成所述下水槽；所述上盘本体的外侧壁上设有喷水孔，所述喷水孔与所述下水槽和所述上水槽均连通；还包括进水管和出水管，所述进水管的顶部与所述下水槽连通，所述出水管的顶部与所述上水槽连通，所述出水管的底部和所述进水管的底部均设于所述下盘的下方；所述第二导波杆的上部设于所述水冷盘的中心；所述水冷盘的顶部与所述基板的底部连接。
本发明的有益效果在于：在增材生产过程中，对基板应力集中区域的检测一直在进行中，对基板应力集中区域采用超声波冲击强化法消除应力的过程也能够及时进行，避免基板翘曲变形，从而避免影响增材的尺寸精度，避免夹具变形开裂的问题。
附图说明
图1是本发明的构件增材设备的示意图；
图2是本发明的水冷盘的示意图。
图中：1-机台，2-基板，21-基板应力集中区域，3-增材构件，4-夹具，41-夹持驱动部，42-夹持部，421-侧部片体，422-底部片体，5-超声波换能器，6-第一导波杆，7-激振底座，8-第二导波杆，9-升降座，11-水冷盘，12-上盘，121-上水槽，122-上盘本体，123-内连接板，124-外连接板，13-下盘，131-下水槽，14-喷水孔，15-进水管，16-出水管。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
以下是本发明的构件增材过程中基板残余应力控制方法的实施例，具体地：
一种构件增材过程中基板残余应力控制方法，包括以下步骤：S1、利用三维软件建立增材结构件和基板的三维实体模型；S2、利用有限元分析软件对步骤S1中的增材结构件和基板的三维实体模型进行网格划分，得到增材结构件和基板的三维有限元模型；基于增材结构件和基板的三维有限元模型对增材过程进行模拟仿真分析，得到增材过程中基板的应力分布结果；S3、根据步骤S2得到的基板的应力分布结果确定增材过程中的基板应力集中区域；S4、对步骤S3中确定的基板应力集中区域的上表面或下表面进行打磨，得到金属光泽表面；S5、在步骤S4得到的金属光泽表面涂覆耦合剂，在基板上进行增材生产；S6、利用超声波应变仪每n秒一次测量金属光泽表面的残余应力值σ，7≥n≥3；连续3次测得的σ大于设定阈值的一个金属光泽表面对应的基板区域为待去应力区域；持续在基板上进行增材生产；S7、对步骤S6中的待去应力区域采用超声波冲击强化法以消除基板的应力；持续在基板上进行增材生产；S8、返回步骤S6直到完成增材生产。
现有技术中，残余应力的检测方法主要分为有损检测和无损检测两大类，包括盲孔法、压痕应变法、X射线衍射法、中子衍射法等。在各种无损检测残余应力的方法中，压痕应变法由于检测效率低、准确性差、成本高等不足，无法满足实时检测的要求，X射线衍射法受材料表面组织状态影响较大，中子衍射法则无法检测尺寸较大的焊件，而超声应变仪测量周期仅3-5秒，检测效率高，测量结果准确性好，可实现对增材过程中残余应力的实时检测。因此，本发明采用的是超声应变仪检测构件增材过程基板的残余应力。超声波应变仪是利用超声波在应力集中区域传播会导致传播速度发生改变，表现为相位的变化，来测量基板残余应力大小；测量应力为表面应力，受基板内部缺陷影响可忽略不计。残余应力的消除方法主要有超声波冲击强化、热处理时效法、振动时效、喷丸处理等，其中热处理时效能耗高、成本高、污染严重、周期长，并且热处理时若温度控制不好，局部温度过高会造成材料屈服强度下降，甚至可能出现再热脆化和再热裂纹，并且一般在增材结构件成型后利用热处理消除残余应力，不适用于增材过程中；振动时效是利用共振使增材结构件整体产生微小的塑性变形，减小残余应力且强化基体；喷丸是将高速弹丸喷射到工件表面，使工件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，这种方法成本较高，效率低。超声冲击强化方法作为消除残余应力的手段，是目前公认较为可靠和实用的方法。
本发明的创新点在于，在增材生产过程中，对基板应力集中区域的检测一直在进行中，对基板应力集中区域采用超声波冲击强化法消除应力的过程也能够及时进行，避免基板翘曲变形，从而避免影响增材的尺寸精度，避免夹具变形开裂的问题。
进一步优选的实施例中，步骤S4中，金属光泽表面的粗糙度小于0.05，基板的表面能够露出金属光泽，被打磨过的表面能够与未被打磨过的表面区分开，方便后续超声波冲击处理时定位。
进一步优选的实施例中，步骤S7中，超声波冲击强化法以超声波设备为动力源，超声波设备推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击待去应力区域，使基板发生塑性变形。冲击工具在基板表面形成压应力强化作用，同时基板塑性变形会闭合微观裂纹，改善增材过程中基板的缺陷。
一些实施例中，用σs表示基板的屈服强度，步骤S6中的设定阈值为0.8σs。将0.8σs作为应力值的阈值能够保证在超声波冲击处理之前基板不会开裂，基板的变形也不至于将夹具崩断。
如图1～图2，是本发明的构件增材设备的实施例，具体地：
一种构件增材设备，用于上述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，包括机台1、夹具4、基板2、超声波换能器5、第一导波杆6、激振底座7、第二导波杆8和升降座9；升降座9、超声波换能器5、第一导波杆6、激振底座7和第二导波杆8从下到上依次连接，激振底座7与第二导波杆8可拆卸连接，第二导波杆8的数量为两件以上，第二导波杆8的顶部与基板2应力集中区域抵接；机台1上设有通槽，通槽设于激振底座7的上方，夹具4与机台1和基板2均连接，基板2设于通槽中；夹具4的数量为两件以上，夹具4包括夹持部42和夹持驱动部41，夹持驱动部41与机台1连接，夹持驱动部41驱动夹持部42平移，夹持部42包括相互连接的侧部片体421和底部片体422，侧部片体421用于连接基板2的侧壁，底部片体422用于承托基板2的底部。夹持驱动部41可以选用气缸或电机，基板2通过夹持部42与机台1可拆卸地连接。超声波换能器5依次将超声波传递给第一导波杆6、激振底座7和第二导波杆8，最终将超声波能量传递给基板2，使得基板2能够塑形变形。通过改变激振底座7上的第二导波杆8的数量，可以控制实际工作的第二导波杆8的数量和位置。
进一步优选的实施例中，还包括水冷盘11，水冷盘11包括上盘12和下盘13，下盘13呈环形，下盘13中设有呈环形的下水槽131，下水槽131开口向上，下盘13的截面呈U型；上盘12呈环形，上盘12中设有呈环形的上水槽121，上水槽121开口向上，上盘12包括上盘本体121、内连接板123和外连接板124，内连接板123和外连接板124均呈环形，上盘本体121的截面呈U型，内连接板123的内侧壁与下水槽131的内侧壁密封连接，内连接板123的外侧壁与上盘本体121的内侧壁密封连接，外连接板124的内侧壁与上盘本体121的外侧壁密封连接，外连接板124的外侧壁与下水槽131的外侧壁密封连接；上盘本体121、内连接板123、下盘13、外连接板124之间围成下水槽131；上盘本体121的外侧壁上设有喷水孔14，喷水孔14与下水槽131和上水槽121均连通；还包括进水管15和出水管16，进水管15的顶部与下水槽131连通，出水管16的顶部与上水槽121连通，出水管16的底部和进水管15的底部均设于下盘13的下方；第二导波杆8的上部设于水冷盘11的中心；水冷盘11的顶部与基板2的底部连接。外部的冷却液从进水管15进入下水槽131中，当下水槽131中的水位达到喷水孔的高度时，喷水孔中喷出液柱，液柱能够冲刷基板2的底部，对基板2起到冷却作用，冷却液进入到上水槽121中，从出水管16中流出。水冷盘能够在增材过程中对基板2起到冷却作用，减小基板2中的应力，辅助第二导波杆8对基板2进行处理。并且，下水槽131中的水在下水槽131的径向方向的水温分布均匀，水冷盘11的温度在径向上的分别均匀，能够起到均匀冷却与基板2接触的部位的效果。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种构件增材过程中基板残余应力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用三维软件建立增材结构件和基板的三维实体模型；
S2、利用有限元分析软件对步骤S1中的所述增材结构件和基板的三维实体模型进行网格划分，得到所述增材结构件和所述基板的三维有限元模型；基于所述增材结构件和所述基板的三维有限元模型对增材过程进行模拟仿真分析，得到增材过程中所述基板的应力分布结果；
S3、根据步骤S2得到的所述基板的应力分布结果确定所述增材过程中的基板应力集中区域；
S4、对步骤S3中确定的所述基板应力集中区域的上表面或下表面进行打磨，得到金属光泽表面；
S5、在步骤S4得到的所述金属光泽表面涂覆耦合剂，在所述基板上进行增材生产；
S6、利用超声波应变仪每n秒一次测量所述金属光泽表面的残余应力值σ，7≥n≥3；连续3次测得的所述σ大于设定阈值的一个所述金属光泽表面对应的基板区域为待去应力区域；持续在所述基板上进行所述增材生产；
S7、对步骤S6中的所述待去应力区域采用超声波冲击强化法以消除所述基板的应力；持续在所述基板上进行所述增材生产；
S8、返回步骤S6直到完成所述增材生产。
2.根据权利要求1所述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，其特征在于：步骤S4中，所述金属光泽表面的粗糙度小于0.05。
3.根据权利要求1所述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，其特征在于：步骤S7中，所述超声波冲击强化法以超声波设备为动力源，所述超声波设备推动冲击工具以20000次/s以上的频率冲击所述待去应力区域，使所述基板发生塑性变形。
4.根据权利要求1所述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，其特征在于：用σs表示所述基板的屈服强度，步骤S6中的所述设定阈值为0.8σs。
5.一种构件增材设备，其特征在于：用于实施如权利要求1中所述的构件增材过程中基板残余应力控制方法，包括机台、夹具、基板、超声波换能器、第一导波杆、激振底座、第二导波杆和升降座；所述升降座、超声波换能器、所述第一导波杆、所述激振底座和所述第二导波杆从下到上依次连接，所述激振底座与所述第二导波杆可拆卸连接，所述第二导波杆的数量为两件以上，所述第二导波杆的顶部与所述基板应力集中区域抵接；所述机台上设有通槽，所述通槽设于所述激振底座的上方，所述夹具与所述机台和所述基板均连接，所述基板设于所述通槽中；所述夹具的数量为两件以上，所述夹具包括夹持部和夹持驱动部，所述夹持驱动部与所述机台连接，所述夹持驱动部驱动所述夹持部平移，所述夹持部包括相互连接的侧部片体和底部片体，所述侧部片体用于连接所述基板的侧壁，所述底部片体用于承托所述基板的底部。
6.根据权利要求5所述的构件增材设备，其特征在于：还包括水冷盘，所述水冷盘包括上盘和下盘，所述下盘呈环形，所述下盘中设有呈环形的下水槽，所述下水槽开口向上，所述下盘的截面呈U型；所述上盘呈环形，所述上盘中设有呈环形的上水槽，所述上水槽开口向上，所述上盘包括上盘本体、内连接板和外连接板，所述内连接板和所述外连接板均呈环形，所述上盘本体的截面呈U型，所述内连接板的内侧壁与所述下水槽的内侧壁密封连接，所述内连接板的外侧壁与所述上盘本体的内侧壁密封连接，所述外连接板的内侧壁与所述上盘本体的外侧壁密封连接，所述外连接板的外侧壁与所述下水槽的外侧壁密封连接；所述上盘本体、所述内连接板、所述下盘、所述外连接板之间围成所述下水槽；所述上盘本体的外侧壁上设有喷水孔，所述喷水孔与所述下水槽和所述上水槽均连通；还包括进水管和出水管，所述进水管的顶部与所述下水槽连通，所述出水管的顶部与所述上水槽连通，所述出水管的底部和所述进水管的底部均设于所述下盘的下方；所述第二导波杆的上部设于所述水冷盘的中心；所述水冷盘的顶部与所述基板的底部连接。
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