CN113172883B - 一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置 - Google Patents

一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，包括：将超声波发生器和增材成形所用的基板进行固定安装，测试其频率f；根据成形材料的类型和成形的温度梯度，制作标准试样，利用超声波发生器测试其在标准试样的传播速度v；依据频率f及传播速度v，确定超声波在材料增材工况下的波长λ；根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强。本发明还涉及一种超声辅助增材成形平衡位置增强的控制装置。该超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置的目的是解决超声振动对增材制造纵向零振幅增幅过渡的问题。

Description

一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置。
背景技术
随着技术发展的进步，在金属材料增材纤维增强复合材料，复合增材及其不同能场的辅助叠加耦合逐渐使得增材制造构件的性能不断提升，使其应用范围也在不断的扩大，其中超声波辅助增材成形方法就是其一，充分利用了超声波高频振动的功能，金属增材中使振动转化为促使结晶形核动能，使得金属增材组织更加均匀，晶粒更加细小，使得增材构件达到高强高韧的可能性大大增加，因此该工艺方法备受大家关注。
超声辅助增材本质上是将超声加工设备和基板固定在一起，使其振动能传递到基板以及沉积的坯料和熔池上，但是超声波在不同材料中传递时，存在频率、波速和波长的差异，均满足：
v=λ×f（1）；
式中，v为超声波传播速度（m/s），λ为波长（m），f为超声波的频率。
超声波传播从压电陶瓷末端开始就遵守公式（1）的传播特征，经过换能器和变幅杆发出，超声加工设备出厂以后，超声波从变幅杆出来的频率和波长均已固定，唯一可调的是振幅，然而为了实现辅助增材的效果，需要将变幅杆与增材基板刚性连接，这样使得系统波长和传播速度再次变化，但是从基板发出的超声波是具有一定的特征参数，在基板上成形时，超声波会基于不同的材料，不同的温度和材料的密度有关，因此在超声辅助增材制造过程，有效作用时间是在熔池内结晶形核和凝固或者复合材料固化的时候，但实际上由于机械波振动的周期性，就会出现有些处于波峰和波谷的位置剧烈振动，且细化效果明显，有些处于平衡位置则基本不振动，效果全无，因此如何改善超声对增材的振动纵向零振幅作用是目前提高超声辅助增材成形的主要问题。
因此，发明人提供了一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法及装置。
发明内容
（1）要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，通过根据不同的基板及成形材料，计算出超声复合时的频率和传播速度，通过传播速度和频率，计算出波长，根据增材成形单层厚度，以及随着厚度的增加，不同的波长采用不同的超振动赋能方式，使沉积层始终处于近波峰的振动状态，解决了超声对增材纵向零振幅增幅过渡的问题。。
（2）技术方案
本发明的实施例的第一方面提供了一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，该方法包括以下步骤：
将超声波发生器和增材成形所用的基板进行固定安装，测试其频率f；
根据成形材料的类型和成形的温度梯度，制作标准试样，利用所述超声波发生器测试其在所述标准试样的传播速度v；
依据所述频率f及所述传播速度v，确定超声波在材料增材工况下的波长λ；
根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现半波振动或整波或全波来实现超声辅助增材。
进一步地，所述根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体包括：
在连续增材过程中，当要求成形高度H＜λ/4时采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材。
进一步地，所述根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体还包括：
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/4＜H＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在H=3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
进一步地，所述根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体还包括：
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/2＜H＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6）；
当实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
进一步地，所述根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体还包括：
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6）；
当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/4×（30%~40%）时，回调所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
进一步地，当要求成形高度H＞λ时，H-λ=ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
进一步地，所述依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体包括：
当ΔH＜λ/4时，采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材；或，
当λ/4＜ΔH＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在ΔH=3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当λ/2＜ΔH＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6）；当实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/4×（30%~40%）时，回调所述气缸/所述液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
进一步地，所述依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体还包括：
当要求成形高度H＞nλ时，n≥2且为正整数，H-nλ=ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
本发明的实施例的第二方面提供了一种应用于上述的超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法的装置，包括超声波发生器、支撑座、支撑弹簧、气缸/液压缸和增材成形基板，所述超声波发生器设于所述支撑座的下端面，所述支撑座与所述增材成形基板之间通过所述支撑弹簧、所述气缸/所述液压缸弹性连接，所述增材成形基板的上端面用于放置增材；其中，所述气缸/所述液压缸的两侧均对称设置一个或多个所述支撑弹簧。
（3）有益效果
综上，本发明通过根据不同的基板及成形材料，计算出超声复合时的频率和传播速度，通过传播速度和频率，计算出波长，根据增材成形单层厚度，以及随着厚度的增加，不同的波长采用不同的超振动赋能方式，目的是使沉积层始终处于近波峰的振动状态。这样可以有效地破碎支晶，同时对复合材料而言，可以使树脂的规律流动变得成紊乱化，增加树脂与纤维的粘接机会和附着能力，大幅改善复合成形工艺的性能。该超声辅助增材成形平衡位置增强控制方法能够革新现有复合增材成形方式，提高成形质量、制造精度和效率，严格控性形控，大幅降低制造成本和生产周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种超声辅助增材成形平衡位置的增强控制装置的结构示意图。
图中：
1-超声波发生器；2-支撑座；3-支撑弹簧；4-气缸；5-增材成形基板；6-波形继续传播图示；7-第一平衡位置点；8-波峰位置点；9-第二平衡位置点；10-波谷位置点；11-增材制造继续增高图示；12-超声波传播方向和增材高度增加方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种超声辅助增材成形平衡位置增强控制方法的流程示意图，如图1所示，根据本发明实施例的第一方面提供的一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、将超声波发生器和增材成形所用的基板进行固定安装，测试其频率f；
S2、根据成形材料的类型和成形的温度梯度，制作标准试样，利用超声波发生器测试其在标准试样的传播速度v；
S3、依据频率f及传播速度v，确定超声波在材料增材工况下的波长λ；
S4、根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强。
在上述实施方式中，通过根据不同的基板及成形材料，计算出超声复合时的频率和传播速度，通过传播速度和频率，计算出波长，根据增材成形单层厚度，以及随着厚度的增加，不同的波长采用不同的超振动赋能方式，目的是使沉积层始终处于近波峰的振动状态。这样可以有效地破碎支晶，同时对复合材料而言，可以使树脂的规律流动变得成紊乱化，增加树脂与纤维的粘接机会和附着能力，大幅改善复合成形工艺的性能。该超声辅助增材成形平衡位置增强控制方法能够革新现有复合增材成形方式，提高成形质量、制造精度和效率，严格控性形控，大幅降低制造成本和生产周期。
在一些可选的实施例中，在步骤S4中，根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体包括：
S401、在连续增材过程中，当要求成形高度H＜λ/4时采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材。
在一些可选的实施例中，在步骤S4中，根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体还包括：
S402、在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/4＜H＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在H=3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
在一些可选的实施例中，在步骤S4中，根据要成形件的高度和振动需求，选择采用半波振动或整波或全波来实现超声辅助增材，具体还包括：
S403、在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/2＜H＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6）；
当实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
在一些可选的实施例中，在步骤S4中，根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强，具体还包括：
S404、在连续增材过程中，当要求成形高度H满足3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调气缸/液压缸±（λ/8~λ/6）；
当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/4×（30%~40%）时，回调气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
在一些可选的实施例中，在步骤S4中，当要求成形高度H＞λ时，H-λ=ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
在一些可选的实施例中，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体包括：
当ΔH＜λ/4时，采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材；或，
当λ/4＜ΔH＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在ΔH=3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当λ/2＜ΔH＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±λ/8~λ/6；当实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H=3λ/8×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/8×（30%~40%）时，回调气缸/液压缸±（λ/8~λ/6）；当实时高度h=3λ/4×（60%~70%）前，调节气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），实时高度h＞3λ/4×（30%~40%）时，回调气缸/液压缸±（λ/8~λ/6），使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
在一些可选的实施例中，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体还包括：
当要求成形高度H＞nλ时，n≥2且为正整数，H-nλ=ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
下面以具体实施例进行说明
实例1
以成形500mm高度的5356铝合金为例进行说明，已知增材成形过程中超声波在该坯料中传播的速度为6300m/s，超声波发生器1连接基板的固有频率为20KHz，通过公式（1）可计算出该超声波在成形坯料中的波长为31.5mm，因此要成形高度500mm的构件，需要经过近16个波长，因此需要每隔7.9mm就去调节气缸4，然后调回，往复进行32次完成成形。
实例2
以成形500mm高度的碳纤维树脂基复合材料增材为例进行说明，已知增材成形过程中超声波在该坯料中传播的速度为2450m/s，超声波发生器1连接基板的固有频率为20KHz，通过公式（1）可计算出该超声波在成形坯料中的波长为12.25mm，因此要成形高度500mm的构件，需要经过近41个波长，因此需要每隔3.06mm就去调节的气缸4，然后调回区，往复进行82次完成成形。
图2是本发明实施例提供的一种超声辅助增材成形平衡位置的增强控制装置的结构示意图，如图2所示，包括超声波发生器1、支撑座2、支撑弹簧3、气缸4/液压缸和增材成形基板5，超声波发生器1设于支撑座2的下端面，支撑座2与增材成形基板5之间通过支撑弹簧3、气缸4/液压缸弹性连接，增材成形基板5的上端面用于放置增材；其中，气缸4/液压缸的两侧均对称设置一个或多个支撑弹簧3。
从图2中可以看出，增材包括多层，通过波形继续传播图示6、第一平衡位置点7、波峰位置点8、第二平衡位置点9、波谷位置点10、增材制造继续增高图示11及超声波传播方向和增材高度增加方向12能够获得超声辅助增材成形平衡位置的控制效果。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将超声波发生器和增材成形所用的基板进行固定安装，测试其频率f；
根据成形材料的类型和成形的温度梯度，制作标准试样，利用所述超声波发生器测试其在所述标准试样的传播速度v；
依据所述频率f及所述传播速度v，确定超声波在材料增材工况下的波长λ；
根据要成形件的高度和振动需求，通过改变变幅杆长度来实现增材成形平衡位置的振幅从无到有到增强；
在连续增材过程中，当要求成形高度H＜λ/4时采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材；
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/4＜H＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在H＝3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足λ/2＜H＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)；
当实时高度h＞3λ/8×(30％～40％)时，回调±(λ/8～λ/6)；当实时高度h＝3λ/4×(60％～70％)前，调节所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；
在连续增材过程中，当要求成形高度H满足3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)，实时高度h＞3λ/8×(30％～40％)时，回调所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)；
当实时高度h＝3λ/4×(60％～70％)前，调节所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，实时高度h＞3λ/4×(30％～40％)时，回调所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
2.根据权利要求1所述的超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，其特征在于，当要求成形高度H＞λ时，H-λ＝ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
3.根据权利要求2所述的超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，其特征在于，所述依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体包括：
当ΔH＜λ/4时，采用半波长，则设置基板上端面为高振幅点，调节气缸/液压缸以实现高频高振幅的复合增材；或，
当λ/4＜ΔH＜λ/2时，通过计算设定初始振动点为基板，需要高度接近实时高度h＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在ΔH＝3λ/8成形高度时，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当λ/2＜ΔH＜3λ/4时，需要实际成形高度接近实时高度h＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)；
当实时高度h＞3λ/8×(30％～40％)时，回调±(λ/8～λ/6)；
当实时高度h＝3λ/4×(60％～70％)前，调节所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果；或，
当3λ/4＜H＜λ时，需要高度接近H＝3λ/8×(60％～70％)前，调节气缸/液压缸±(λ/8～λ/6)，实时高度h＞3λ/8×(30％～40％)时，回调所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)；
当实时高度h＝3λ/4×(60％～70％)前，调节所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，实时高度h＞3λ/4×(30％～40％)时，回调所述气缸/所述液压缸±(λ/8～λ/6)，使其在整个成形过程均产生加大的振动效果。
4.根据权利要求2所述的超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法，其特征在于，所述依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材，具体还包括：
当要求成形高度H＞nλ时，n≥2且为正整数，H-nλ＝ΔH，依据ΔH的取值范围实现超声辅助增材。
5.一种应用于如权利要求1-4中任一项所述的超声辅助增材成形平衡位置振幅改变控制方法的装置，其特征在于，包括超声波发生器(1)、支撑座(2)、支撑弹簧(3)、气缸(4)/液压缸和增材成形基板(5)，所述超声波发生器(1)设于所述支撑座(2)的下端面，所述支撑座(2)与所述增材成形基板(5)之间通过所述支撑弹簧(3)、所述气缸(4)/所述液压缸弹性连接，所述增材成形基板(5)的上端面用于放置增材；其中，所述气缸(4)/所述液压缸的两侧均对称设置一个或多个所述支撑弹簧(3)。
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