CN113275595B - 整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法 - Google Patents

整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及整流罩零件制备技术领域，提供了一种整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，所述方法包括：对整流罩零件进行数据建模；通过工艺仿真获得整流罩零件的残余应力场和位移场，对位移和应力超过一定值的区域添加支撑结构；切片处理，得到二维截面数据信息；逐层对零件的二维截面进行扫描，完成整流罩零件的激光选区熔化成形制造；热处理；去除支撑和表面处理后得到成品。本发明可解决薄壁结构件成形易翘曲变形、支撑难去除的问题；能够降低增材制造成本，保证零件的成功，为薄壁整流罩零件提供一种有效的支撑设计方法。

Description

整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法
技术领域
本发明涉及整流罩零件制备技术领域，特别涉及一种整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法。
背景技术
在飞机吊挂、APU等承受热载荷的区域，整流罩蒙皮通常选用钛合金或高温合金等耐热金属薄壁结构，此种结构主要特点包括：薄壁结构、外形复杂，种类多样，尺寸稳定性和力学性能要求高，产品安装面及空间角度等尺寸精度要求高。基于传统制造工艺的限制，整流罩组件主要是框、蒙皮、衍条等结构件组成，成形方案主要钣金件和机加件通过铆接的形式连接。此种结构重量相对较大，并且使用大量的铆钉进行连接，存在装配应力导致裂纹的风险。
激光选区熔化(SLM)增材制造技术在设计驱动的金属产品制造中提供了极大的灵活性，其可以成形出薄壁、微孔、点阵的精细结构以及复杂的一体化结构，在航空航天等高附加值行业具有显著应用前景。激光选区熔化工艺可实现飞机薄壁整流罩类零件的一体化成形，避免了钣金成形、铆接、焊接等繁琐工序，具有减重增效的优势。但基于激光选区熔化工艺特点，在成形薄壁等复杂结构时，容易产生极大的残余应力而导致零件翘曲变形甚至开裂，如图1(整流罩未变形)、图2(整流罩产生变形)所示，从而导致零件无法满足设计要求。
有现有技术集成的肋来支承薄壁环形结构的增材制造增加零件刚度，从而抑制变形；也有提出增材制造变形补偿制造方法抑制零件的变形；还有提出采用辅助支撑的方式抑制变形。
目前的方法存在需要重新设计零件、流程复杂、支撑难以去除等问题，不适用于薄壁整流罩类零件。
发明内容
本发明的目的就是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种整流罩零件及激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，通过激光选区熔化技术成形，该方法可以不受传统制造方法的工艺约束，按照最优理论外形制造整流罩，并且通过工艺优化控制变形，添加的支撑结构易于移除，可解决薄壁结构件成形易翘曲变形、支撑难去除的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，包括：
S1、对整流罩零件进行数据建模，建模时多个所述整流罩零件以对称样式摆放；
S2、通过工艺仿真获得所述整流罩零件的残余应力场和位移场，当零件局部应力值或者位移变形超过设计要求时，则在对应区域设计添加辅助支撑结构，此辅助支撑结构可将单独的整流罩零件连接成为一个整体结构；
S3、将添加完支撑的所述整流罩零件再次进行工艺仿真，以确保所述整流罩零件的残余应力场和位移场满足设计要求；
S4、对添加完辅助支撑结构的整流罩薄壁零件进行切片处理，得到零件的二维截面数据信息；所述二维截面数据信息同时包括整流罩零件本体和辅助支撑结构的二维截面数据信息；
S5、设定激光选区熔化成形工艺参数，根据步骤S4得到的二维截面数据信息，利用激光选区熔化成形设备对整流罩零件及其支撑结构进行激光选区熔化成形制造。
进一步的，所述方法还包括：
S6、成形结束后，将基板与所述整流罩零件作为整体进行去应力退火热处理；
S7、热处理完成后，将所述整流罩零件与基板分离，进行辅助支撑去除处理和零件表面处理，得到成品。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，多个所述整流罩零件的摆放方式为轴对称或中心对称。
进一步提供一种实现方式，步骤S1中，数据建模时，所述整流罩零件的数据模型以STL格式导入3D打印预处理软件中。
进一步提供一种实现方式，步骤S2中，对整流罩薄壁零件变形位移超过设计阈值的区域添加辅助支撑。
进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述辅助支撑结构为可变密度的点阵结构。
进一步提供一种实现方式，步骤S2中，辅助支撑结构的高度等于零件高度(h)，辅助支撑结构的宽度(w)等于相邻两个零件的间隙距离。
进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述薄壁整流罩零件的高度(h)与辅助支撑结构的宽度(w)的比值不大于20。
进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述辅助支撑结构的长度(l)取值通过工艺仿真结果调整，确保步骤S3中工艺仿真结果的应力场和位移场满足设计要求。
进一步提供一种实现方式，步骤S7中，使用电火花线切割的方式将所述整流罩零件与基板分离。
进一步提供一种实现方式，所述整流罩零件为半开口的非闭合薄壁结构。
本发明还提供了一种薄壁整流罩零件，应用上述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法制备得到。
本发明的有益效果为：本发明方法通过工艺仿真获得残余应力场和位移场作为辅助支撑结构位置设计依据；通过支撑结构和零件一体化打印来提高结构整体刚度，避免成形过程中变形开裂风险的发生；辅助支撑结构有助于零件在打印过程中的散热，降低残余应力，减小零件开裂的风险；点阵辅助支撑结构可减轻后期去除支撑的难度；本发明可解决薄壁结构件成形易翘曲变形、支撑难去除的问题；能够降低增材制造成本，保证零件的成功，为薄壁整流罩零件提供一种有效的辅助支撑设计方法。
附图说明
图1所示为现有技术中V形整流罩的理论模型示意图。
图2所示为现有技术中打印V形整流罩时发生变形的示意图。
图3所示为实施例中薄壁整流罩零件的结构示意图。
图4所示为实施例中薄壁整流罩零件的俯视示意图。
图5所示为实施例中步骤S2数据建模时单个薄壁整流罩零件带点阵结构辅助支撑的示意图。
图6所示为实施例中步骤S2数据建模时多个薄壁整流罩零件带点阵结构辅助支撑的示意图。
图7所示为图6的多个薄壁整流罩零件带点阵结构辅助支撑的立体示意图。
图8所示为单个点阵结构辅助支撑的尺寸立体示意图。
图中：1-整流罩零件；2-点阵状辅助支撑结构；3-基板。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
不失一般性，下述实施例中在一个打印腔室内成形多个钛合金V形吊挂后缘整流罩，整流罩的形状如图3所示，截面为V形，如图4所示。该钛合金V形吊挂后缘整流罩为半开口非闭合薄壁结构。
本发明实施例一种激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，包括：
S1、对整流罩零件1进行数据建模，建模时多个所述整流罩零件1以对称样式摆放；优选的，整流罩零件1的数据模型以STL格式导入3D打印处理软件中；对称样式可以为轴对称，也可以为中心对称；
S2、通过工艺仿真获得所述整流罩零件1的残余应力场和位移场，整流罩零件1位移大于设定阈值的区域为支撑区域(以钛合金材料为例，整流罩薄壁零件最大位移超过1mm或最大应力超过700Mpa的区域)，在所述支撑区域设置辅助支撑结构2进行连接，如图5-图7所示，图5为单个薄壁整流罩零件1带点阵结构辅助支撑2，图6为多个薄壁整流罩零件1带点阵结构辅助支撑2，图7为立体示意图；阈值的大小根据整流罩零件的材质、尺寸通过计算或经验确定；辅助支撑结构2有利于零件整体刚度的提高；
S3、将添加完辅助支撑2的结构再次进行工艺仿真，以确保所述整流罩零件1的残余应力场和位移场满足设计要求。辅助支撑结构2的尺寸示意图如图8所示，辅助支撑结构2的高度(h)等于零件的高度，辅助支撑结构2的宽度(w)等于零件之间的间隙距离，辅助支撑结构2的长度(l)由工艺仿真确定.通常，所述辅助支撑结构2的高度(h)与辅助支撑结构2的宽度(w)的比值不大于20；图8为辅助支撑结构2的结构示意图；
S4、对添加完辅助支撑结构2的整流罩薄壁零件1进行切片处理，得到零件的二维截面数据信息；所述二维截面数据信息同时包括零件本体和辅助支撑结构2的二维截面数据信息；
S5、设定激光选区熔化成形工艺参数，根据步骤S4得到的二维截面数据信息，利用激光选区熔化成形设备对整流罩零件2进行激光选区熔化成形制造。
S6、成形结束后，去除零件1表面的浮粉，将基板3与所述整流罩零件1作为整体进行热处理；
S7、热处理完成后，将所述整流罩零件1与基板3分离，优选为使用电火花线切割；然后进行去除辅助支撑2和表面处理，得到成品。
本发明的方法是通过工艺仿真获得残余应力场和位移场作为辅助支撑位置的设计依据。通过辅助支撑结构2提高零件1的整体刚度，以避免成形过程中的变形。点阵结构的辅助支撑结构2易于去除，降低了零件成形和支撑结构分离(去支撑)的难度。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、对整流罩零件进行数据建模，建模时多个所述整流罩零件以对称样式摆放；所述整流罩零件为半开口的非闭合薄壁结构；对称样式为轴对称或中心对称；
S2、通过工艺仿真获得所述整流罩零件的残余应力场和位移场，当所述整流罩零件局部应力值或者位移变形超过设计要求时，则在对应区域设计添加辅助支撑结构，所述辅助支撑结构将单独的所述整流罩零件连接成为一个整体结构；所述辅助支撑结构为点阵结构形式；
S3、将添加完所述辅助支撑的所述整流罩零件再次进行工艺仿真，确保所述整流罩零件的残余应力场和位移场满足设计要求；
S4、对添加完辅助支撑结构的整流罩薄壁零件进行切片处理，得到所述整流罩零件的二维截面数据信息；所述二维截面数据信息同时包括整流罩零件本体和辅助支撑结构的二维截面数据信息；
S5、设定激光选区熔化成形工艺参数，根据步骤S4得到的二维截面数据信息，利用激光选区熔化成形设备对整流罩零件及辅助支撑结构进行激光选区熔化成形制造。
2.如权利要求1所述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，所述方法还包括：
S6、成形结束后，将基板与所述整流罩零件作为整体进行去应力退火热处理；
S7、热处理完成后，将所述整流罩零件与基板分离，进行辅助支撑结构去除和零件表面处理，得到成品。
3.如权利要求1所述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，步骤S1中，数据建模时，所述整流罩零件的数据模型以STL格式导入3D打印预处理软件中。
4.如权利要求1所述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，步骤S2中，所述薄壁整流罩零件的高度h与辅助支撑结构的宽度w的比值不大于20。
5.如权利要求1所述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，步骤S2中，当整流罩薄壁零件材料为钛合金时，对整流罩零件最大位移超过1mm或最大应力超过700MPa的区域添加辅助支撑。
6.如权利要求2所述的激光选区熔化成形薄壁整流罩零件的方法，其特征在于，步骤S7中， 使用电火花线切割的方式将所述整流罩零件与基板分离。
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