CN113976914A - 基于一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺 - Google Patents

基于一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，具体步骤为：步骤一：利用三维制图软件UG进行舵面仿生结构建模，及加工余量添加和清粉孔设置；步骤二：利用三维数模处理软件Magics进行舵面仿生结构的成形摆放、模型修复、支撑添加及切片填充处理；步骤三：利用激光选区熔化成形设备制备舵面仿生结构；步骤四：激光选区熔化成形工艺完成后，通过内、外清粉孔将内腔粉末排出，将下表面网格支撑和实体支撑结构去除，得到最终的与三维模型同尺寸的舵面仿生结构。该方法能够解决舵面仿生结构或者薄壁封闭内腔舵面仿生结构在成形过程中的应力集中、边缘开裂、舵面仿生结构变形以及封闭舵面仿生结构粉末残留等问题。

Description

基于一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺
技术领域
本发明属于涉及航空发动机及金属增材制造技术领域，特别提供一种基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺。
背景技术
激光选区熔化技术是增材制造技术领域中的重点发展工艺，以其与传统制造工艺完全不同的制造理念迅速发展成为前端制造技术领域新的战略新方向，尤其适用于航空航天小批量舵面仿生结构的高效快速研制及定制。但对于航空航天领域舵面仿生结构或者具有薄壁封闭内腔舵面仿生结构，采用激光选区熔化成形技术，如果摆放位置不合理，容易在成形过程中产生应力集中，造成边缘开裂；如果支撑设计不合理，易造成支撑塌陷或失效，导致舵面仿生结构变形甚至报废，同时封闭舵面仿生结构内残留的金属粉末也较难清除。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，解决舵面仿生结构或者薄壁封闭内腔舵面仿生结构在成形过程中的应力集中、边缘开裂、舵面仿生结构变形以及封闭舵面仿生结构粉末残留等问题。
本发明技术方案如下：
一种基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：利用三维制图软件UG进行舵面仿生结构建模，及加工余量添加和清粉孔设置；
步骤二：利用三维数模处理软件Magics进行舵面仿生结构的成形摆放、模型修复、支撑添加及切片填充处理；
步骤三：利用激光选区熔化成形设备制备舵面仿生结构；
步骤四：激光选区熔化成形工艺完成后，通过内、外清粉孔将内腔粉末排出，将下表面网格支撑和实体支撑结构去除，得到最终的与三维模型同尺寸的舵面仿生结构。
作为优选的技术方案：
步骤一中，在舵面仿生结构内部添加多条加强筋(优选设置18条)，各加强筋之间相互交错，舵面仿生结构下表面添加lmm加工余量。
分别设置内、外清粉孔，内清粉孔位于内部加强筋边缘，外清粉孔设置在舵面仿生结构下表面，内、外清粉孔直径均为2mm。
步骤二中，舵面仿生结构下表面与基板平面呈45°角摆放，舵面仿生结构下表面尖角处添加实体支撑，下表面其余位置与基板之间添加网格支撑，其余舵面仿生结构45°及45°以上悬空面采用自支撑结构。
所述网格支撑采用菱形楼空结构，方便后续粉末清理，自支撑结构采用边倒圆结构。
步骤三中，在激光选区熔化成形过程中，舵面仿生结构、实体支撑和网格支撑采用不同的成形工艺参数，其中实体支撑部分工艺参数：激光功率为90W～370W，扫描速度为350mm/s～900mm/s；
网格支撑部分工艺参数：激光功率为150W，扫描速度为1600mm/s。
本发明的有益效果为：
第一，设置合理的摆放角度，可减少舵面仿生结构在激光选区熔化成形过程中支撑添加量，且可减小成形过程中的变形量。
第二，设置合理的支撑类型，即保证了舵面仿生结构的正常成形，又方便后续支撑内残留粉末的清除。
第二，设置合理的清粉孔结构，方便清除舵面仿生结构内部残留的金属粉末。
第四，设置自支撑加强筋结构，使舵面仿生结构内部无需添加任何支撑即可保证正常成形，减少后处理难度，保证舵面仿生结构成形内部质量。
第五，本发明解决了舵面仿生结构在激光选区熔化成形过程中产生的应力集中、边缘开裂、舵面仿生结构变形以及封闭舵面仿生结构粉末残留等问题。
附图说明
图1为本发明的舵面仿生结构剖面图。
图2为本发明舵面仿生结构激光选区熔化成形清粉孔、余量、摆放位置和自支撑设计示意图。
图3为本发明舵面仿生结构激光选区熔化成形实体支撑和网格支撑设计示意图。
图4为本发明舵面仿生结构的网格支撑细节示意图。
图5为本发明的舵面仿生结构外形示意图。
图6为本发明的舵面仿生结构。
1舵面仿生结构；2清粉孔；3舵面仿生结构下表面；4基板上表面；5舵面仿生结构上表面：6内部加强筋；8实体支撑；9网格支撑；10网格支撑的上边界齿；11网格支撑的菱形镂空。
具体实施方式
实施例1
以某型号导弹方向舵为载体，在满足原有强度基础上，基于减重目的，进行方向舵的内部仿生结构设计。如图1～3所示为舵面仿生结构示意图，由于舵面仿生结构具有薄壁封闭内腔，因此激光选区熔化成形工艺的设计难度较大，本实施例提供一种舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，具体步骤如下：
步骤一：
利用三维制图软件UG进行舵面仿生结构1的三维建模。
在薄壁舵面仿生结构1内按仿生结构添加18条加强筋；在加强筋边缘和舵面仿生结构下表面3分别设置直径为2mm的清粉孔2，保证粉末能够顺利从清粉孔2中排出：与基板4上表面所持夹角小于45°的舵面仿生结构上表面5和内部加强筋6设置自支撑倒圆结构，倒圆结构如图2虚线圆圈所示；在舵面仿生结构下表面3添加lmm后期处理余量，保证机加工后的舵面仿生结构下表面3的尺寸不超差。
步骤二：
利用三维数模处理软件Magics进行舵面仿生结构1的打印位置摆放、模型修复、支撑添加及切片填充。
舵面仿生结构1采用的摆放方式为：舵面仿生结构1对称面与基板4上表面垂直，舵面仿生结构下表面3与基板4上表面呈45°角，舵面仿生结构上表面5法线方向与刮刀方向为反向，可保证大部分舵面仿生结构l表面为顺刮刀打印。舵面仿生结构l的顶端尖角处与基板4之间添加实体支撑8(图3视图方向，支撑8宽度为6mm)，即加强支撑能力，又能防止尖角变形。舵面仿生结构下表面3其余位置与基板4之间设置网格支撑9连接，网格支撑9的具体细节如图4所示。其中上边界齿10工艺参数为高度(a1)lmm，顶部长度(b1)2mm，底座长(c1)2.5mm，底座间隔(dl)0.1mm，下边界齿、上下填充齿与上边界齿参数相同：
菱形镂空11的工艺参数为小梁宽度(a2)0.6mm，角度(b2)60°，高度(c2)2mm，实体高度(d2)0.5mm。
步骤三：
激光选区熔化成形过程。
舵面仿生结构1和实体支撑8的激光工艺参数：激光功率90-370W、扫描速度350mm/s～900mm/s、光斑直径120μm、铺粉层厚0.04mm、光斑补偿0.1mm。
网格支撑9的激光工艺参数：激光功率150W、扫描速度1600mm/s、光斑直径50μm、铺粉层厚0.04mm；网格支撑扫描方式采用隔层扫，即铺两层粉末后激光扫描一次。
步骤四：
激光选区熔化成形工艺完成后，通过多个清粉孔2将舵面仿生结构l的内腔粉末清除，将实体支撑8、网格支撑9进行钳工处理后，再对舵面仿生结构下表面3进行机加处理，机加后的尺寸应符合模型尺寸要求，最终得到舵面仿生结构1实体零件，所得零件无边缘开裂、舵面仿生结构变形以及封闭舵面仿生结构粉末残留等问题。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：利用三维制图软件UG进行舵面仿生结构建模，及加工余量添加和清粉孔设置；
步骤二：利用三维数模处理软件Magics进行舵面仿生结构的成形摆放、模型修复、支撑添加及切片填充处理；
步骤三：利用激光选区熔化成形设备制备舵面仿生结构；
步骤四：激光选区熔化成形工艺完成后，通过内、外清粉孔将内腔粉末排出，将下表面网格支撑和实体支撑结构去除，得到最终的与三维模型同尺寸的舵面仿生结构。
2.按照权利要求1所述基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于：步骤一中，在舵面仿生结构内部添加多条加强筋，各加强筋之间相互交错，舵面仿生结构下表面添加lmm加工余量。
3.按照权利要求2所述基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于：步骤一中，分别设置内、外清粉孔，内清粉孔位于内部加强筋边缘，外清粉孔设置在舵面仿生结构下表面，内、外清粉孔直径均为2mm。
4.按照权利要求1所述基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于：步骤二中，舵面仿生结构下表面与基板平面呈45°角摆放，舵面仿生结构下表面尖角处添加实体支撑，下表面其余位置与基板之间添加网格支撑。
5.按照权利要求4所述基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于：所述网格支撑采用菱形楼空结构。
6.按照权利要求1或4所述基于舵面仿生结构的激光选区熔化成形工艺，其特征在于：步骤三中，在激光选区熔化成形过程中，实体支撑部分工艺参数：激光功率为90W～370W，扫描速度为350mm/s～900mm/s；
网格支撑部分工艺参数：激光功率为150W，扫描速度为1600mm/s。
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