CN114131925A - 一种基于增材制造的空间位置成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增材制造的空间位置成形方法及装置,通过在定位工装上增材成形定位基础,对定位工装及定位基础进行三维扫描获取完整的三维数据并逆向建模,根据逆向建模数据以及定位工装的定位基准,利用空间定位方法对工件的空间位置进行快速定位,基于三维扫描快速准确获取成形模型的空间位置,生成增材制造的成形工艺进行工件的快速修复与再制造,大大提高了零件的修复效率以及零件的修复精度,从而解决了增材制造设备难以实现对工件空间绝对位置的精准定位问题,对工件修复与再制造起到至关重要的作用,本发明能够在已有增材制造设备上实现嫁接打印,且无需改造设备,能够实现在零件指定的空间位置进行批量化、快速且精准的成形方法。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域,具体涉及一种基于增材制造的空间位置成形方法及装置。
背景技术
目前航空航天领域的重要零部件普遍存在材料价格昂贵、制造成本高、生产周期长等特征,当零部件在加工或者服役过程中出现损伤时,如果进行报废处理,将会造成极大的浪费。同时航空航天领域重要零部件的使用工况都比较恶劣,常常需要在工件的特定位置构建异种材料结构。目前主要依靠人工修复或者报废处理,造成材料的浪费,而且采用人工修复的工件表面异种材料与工件本身贴合度差,往往达不到设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于增材制造的空间位置成形方法及装置,以克服现有技术的不足。
一种基于增材制造的空间位置成形方法,包括以下步骤:
S1,将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上;
S2,在定位工装上增材成形定位基础,对定位工装及定位基础进行三维扫描获取完整的三维数据,根据三维数据进行逆向建模,根据逆向建模数据获取定位基准,根据定位基准进行零件的定位成形。
进一步的,增材成形熔融区采用粉末床熔融增材设备。
进一步的,根据待成形工件的待成形平面与待成形工件的整体关系,对待成形工件进行工装夹具设计及组装,将装配好待成形工件的定位工装安装在增材成形熔融区的安装基板上,利用空间定位系统对待成形工件进行定位调整,通过三维扫描仪对工件整体进行扫描及逆向建模处理。
进一步的,将待修复零件装夹到定位工装上,对待修复零件及定位工装进行三维扫描获取三维数据,根据三维数据逆向建模处理得到待修复零件三维模型,将待修复零件三维模型进行修复处理得到处理后的三维数据;对处理后的三维数据进行切片处理,获取成形工艺文件,在增材成形熔融区内根据定位工装以及三维扫描获取的三维数据得到定位基准,以待成形面为起始工作面进行打印成形。
进一步的,修复处理过程中,对待修复零件添加切削余量和外轮廓补偿。
进一步的,将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上,利用安装基板对定位工装进行初步定位,然后在安装基板上成形待成形工件基础基材零件,然后使用三维扫描设备对安装基板上成形的基础基材零件进行扫描,并逆向建模,根据建模参数修复形成待成形零件成形模型,对安装基板进行切片处理生成工艺程序,利用分层叠加原理,以待成形零件成形模型的待成形平面为工作起始平面,对工件进行异种材料的成形再制造。
进一步的,对于待修复零件的修复表面,成形前进行磨削处理,磨削层厚至少1mm。
进一步的,在待修复工件装夹前,将待修复零件待修复面进行精加工得到待修复平面,形成一致的待修复平面。
一种基于增材制造的空间位置成形装置,包括定位基座和零件工装夹具,基座上设置有定位座,零件工装夹具下端设有与定位座定位连接的定位销,定位销能够插入固定于定位座上,零件工装夹具上端用于固定装夹待修复零件,零件工装夹具上端设置有粉仓,待修复零件位于粉仓内,定位基座用于与粉末床熔融增材设备成形基板固定。
进一步的,零件工装夹具上端设置有用于夹持固定待成形零件的夹持装置。
进一步的,定位基座上设置凹槽形成定位座,定位销的端部插入定位座内。
进一步的,定位基座的凹槽为锥形结构,定位销的端部为锥形结构,定位销的锥形端部长度大于定位基座的凹槽的深度。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种基于增材制造的空间位置成形方法,通过将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上,然后在定位工装上增材成形定位基础,对定位工装及定位基础进行三维扫描获取完整的三维数据,根据三维数据进行逆向建模,根据逆向建模数据以及定位工装的定位基准,实现待成形零件待成形结构在空间上的快速定位,根据定位基准进行零件的定位成形,利用空间定位方法对工件的空间位置进行快速定位,基于三维扫描快速准确获取成形模型的空间位置,然后生成增材制造的成形工艺进行工件的快速修复与再制造,大大提高了零件的修复效率以及零件的修复精度,从而解决了增材制造设备难以实现对工件空间绝对位置的精准定位问题,对工件修复与再制造起到至关重要的作用,本发明能够在已有增材制造设备上实现嫁接打印,且无需改造设备,能够实现在零件指定的空间位置进行批量化、快速且精准的成形方法。
进一步的,修复处理过程中,对待修复零件添加切削余量和外轮廓补偿,确保零部件成形后可加工性,提高零件的修复精度。
进一步的,以工件的待成形平面为起始平面,进行工件的增材制造修复与再制造,能够有效实现零件的修复,提高零件的修复精度。
进一步的,利用增材制造方法对待成形面进行成形修复留有加工余量,对待修复零件进行轮廓补偿设计,最后再进行磨削处理,提高待修复零件修复后的表面精度。
本发明一种基于增材制造的空间位置成形装置,包括定位基座和零件工装夹具,基座上设置有定位座,零件工装夹具下端设有与定位座定位连接的定位销,定位销能够插入固定于定位座上,零件工装夹具上端用于固定装夹待修复零件,零件工装夹具上端设置有粉仓,待修复零件位于粉仓内,定位基座用于与粉末床熔融增材设备成形基板固定,利用定位基座和零件工装夹具能够实现待修复零件的空间快速定位,利用空间定位系统对工件待成形面进行定位及建模处理,通过对工件待成形面进行模型修复,采用粉末床熔融增材制造的分层叠加原理,以工件的待成形平面为起始平面,进行工件的增材制造修复与再制造,能够有效实现零件的修复,提高零件的修复精度。
进一步的,采用定位销与定位座安装方式,便于拆卸,可实现零件的快速装夹,提前装配夹持好零件,提高工作效率,夹持装置根据不同零件可设置不同夹持方式,实现零件的装夹。
进一步的,定位销的端部为锥形结构,采用锥形结构配合,安装稳定,定位销的锥形端部长度大于定位基座的凹槽的深度,防止定位基座的凹槽内杂物影响放置水平度。
本发明采用快速更换工装、粉末床熔融增材制造技术和三维扫描方法,对工件指定的空间位置进行修复与再制造,解决了高精度零件修复难度大的问题,对工件修复与再制造起到至关重要的作用,同时该发明所涉工艺、方法也可推广应用到后续机械加工、热处理和检验等工序中,对工件修复与再制造的完整工艺链提供数字化转型。
附图说明
图1为本发明实施例中空间位置成形装置立体结构示意图。
图2为本发明实施例中空间位置成形装置主视图。
图中,1、基座;2、零件工装夹具;3、定位座;4、定位销;5、粉仓;6、待修复零件;7、夹持装置;8、夹持座;9、夹持头;10、夹持部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
一种基于增材制造的空间位置成形方法,适用于工件在指定空间位置进行成形加工,采用空间定位方法对工件的空间位置进行快速定位,结合快速定位工装,如零点定位工装、快速更换定位工装等能够实现零件的装夹,实现工件到达指定空间位置,在指定空间位置,根据零件成形材料,采用相应的工艺进行工件的快速修复或再制造,从而解决了增材制造设备难以实现工件空间位置定位精准制造的问题,对工件修复或再制造起到至关重要的作用;具体包括以下步骤:
S1,将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上;根据待成形工件的待成形面,对定位工装夹具进行设计及组装,使得成形区增材特征满足增材制造技术的要求;
S2,在定位工装上增材成形定位基础,对定位工装及定位基础进行三维扫描获取完整的三维数据,根据三维数据进行逆向建模,根据逆向建模数据获取定位基准,根据定位基准进行零件的定位成形。
本申请采用的增材成形设备为粉末床熔融增材设备;具体选用激光选区熔化设备或电子束选区熔化设备,能够实现零件在空间上的定位增材成形。
夹具设计及组装:根据待成形工件的待成形平面与待成形工件的整体关系,对待成形工件进行工装夹具设计及组装,使得成形区增材特征满足粉末床熔融增材制造技术要求。将装配好待成形工件的定位工装安装在增材成形熔融区的安装基板上,利用空间定位系统对待成形工件进行定位调整,通过三维扫描仪对工件整体进行扫描及逆向建模处理。
本发明将待成形工件、定位工装与安装基板定位组合建立空间定位系统,安装基板上可同时安装多个定位工装,将组合后的单个或多个待成形工件进行统一加工处理获得一致的待成形平面,利用空间定位系统对待成形工件待成形面进行定位及建模处理(三维扫描),通过对待成形工件待成形面进行模型修复及再设计,采用粉末床熔融增材制造技术的分层叠加原理,以工件的待成形平面为起始平面,进行工件的增材制造修复与再制造。
根据定位基准进行零件的定位成形用于同种或异种材料的成形,同种材料成形如用于零件表面的修复,异种材料的成形用于同一零件不同材料成形过程中结合面的准确空间定位。
对于零件表面的修复,将待修复零件装夹到定位工装上,对待修复零件及定位工装进行三维扫描获取三维数据,根据三维数据逆向建模处理得到待修复零件三维模型,将待修复零件三维模型进行修复处理得到处理后的三维数据;对处理后的三维数据进行切片处理,获取成形工艺文件,在增材成形熔融区内根据定位工装以及三维扫描获取的三维数据得到定位基准,以待成形面为起始工作面进行打印成形。修复处理过程中,对待修复零件添加切削余量和外轮廓补偿。
将扫描数据在增材制造设计软件中进行建模修复与再设计处理,并添加切削余量和外轮廓补偿设计,对设计模型进行切片处理,准备工艺文件。
打印修复成形:将三维数据导入增材成形设备,将定位工装安装好,对设备进行调平、铺粉、打印,打印完成后对工件进行磨削修复。
修复具体过程为:先对成形后的工件进行扫描,然后根据补充量对修复区域进行铣削、磨削、打磨、抛光或喷砂,使其表面质量达到工件的修复要求。
扫描过程具体使用工业CT、X射线照相、渗透检测、成形过程监控、超声检测等无损检测方法检测工件修复部分是否存在缺陷,如果存在缺陷,则进行工艺参数的优化调整。
同一零件上有不同成形材料层:
将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上,利用安装基板对定位工装进行初步定位,然后在安装基板上成形待成形工件基础基材零件,然后使用三维扫描设备对安装基板上成形的基础基材零件进行扫描,并逆向建模,根据建模参数修复形成待成形零件成形模型,对安装基板进行切片处理生成工艺程序,利用分层叠加原理,以待成形零件成形模型的待成形平面为工作起始平面,对工件进行异种材料的成形再制造。
如图1、图2所示,本发明针对上述方法提供的一种基于增材制造的空间位置成形装置,包括定位基座1、零件工装夹具2和空间定位系统,定位基座1上设置有定位座3,零件工装夹具2下端设有与定位座3定位连接的定位销4,定位销4能够插入固定于定位座3上,零件工装夹具2上端用于固定装夹待修复零件6,零件工装夹具2上端设置有粉仓5,待修复零件位于粉仓内,定位基座1用于与粉末床熔融增材设备成形基板固定,实现定位目的。
定位基座1和零件工装夹具2通过定位销4固定连接后,位置空间确定,能够实现快速定位,待修复零件固定于零件工装夹具上,作为待成形零件基础。
利用空间定位系统对工件待成形面进行定位及建模处理(三维扫描),通过对工件待成形面进行模型修复,采用粉末床熔融增材制造的分层叠加原理,以工件的待成形平面为起始平面,进行工件的增材制造修复与再制造,能够有效实现零件的修复,提高零件的修复精度。空间定位系统用于对待修复零件进行定位同时进行三维扫描。零件工装夹具2上可同时夹持多个待修复零件。
粉仓5固定于零件工装夹具2上端,在零件工装夹具2上端形成成形空腔,用于放置成形粉末和待修复零件;零件工装夹具2上端设置有夹持装置7,用于夹持固定待成形零件,夹持装置7根据不同待修复零件,设置不同的夹持结构,目的是将待修复零件定位固定于零件工装夹具2的上端。
如图2所示,本申请针对柱状或棱形待修复零件,夹持装置7包括多个圆周阵列的夹持座8,每个夹持座8设置有一个夹持头9,夹持头9的端部设有夹持部10,多个夹持头9的夹持部10呈圆周设置,夹持头9与夹持座8转动连接,通过转动夹持头9实现夹持头9与夹持座8的相对移动,从而实现待修复零件6的夹持。
如图2所示,定位座3用于实现零件工装夹具2的装配定位,本申请通过在定位基座1上设置凹槽形成定位座3,定位销4的端部插入定位座3内,结构简单,便于装夹固定。
定位基座1的凹槽为锥形结构,定位销4的端部为锥形结构,采用锥形结构配合,安装稳定,定位销4的锥形端部长度大于定位基座1的凹槽的深度,防止定位基座1的凹槽内杂物影响放置水平度。
采用定位销与定位座安装方式,便于拆卸,可实现零件的快速装夹,提前装配夹持好零件,提高工作效率,夹持装置根据不同零件可设置不同夹持方式,实现零件的装夹。
基于上述空间位置成形修复装置实现零部件磨损修复具过程:
将待加工量零件固定于零件工装夹具2上,将定位基座1固定于粉末床熔融增材设备的基座上,然后将装有待加工量零件的零件工装夹具2固定于定位基座1上,实现零件的快速定位安装;
在待修复零件6装夹前,将待修复零件待修复面进行精加工得到待修复平面,形成一致的待修复平面,能够提高修复精度,以及修复贴合度。
对于待修复零件的修复表面,成形前进行磨削处理,磨削层厚至少1mm。
装夹过程中,以待加工量零件的待修复面为起始平面,起始平面与零件工装夹具2平面平行。
将待修复零件固定于零件工装夹具2上,然后向零件工装夹具2上的粉仓内填充修复粉料,修复粉料的填充高度大于待加工量零件的待修复面高度,使修复粉料完全覆盖待成形面;确保在成形过程中,能够实现待修复面的完全修复。
S2,采用三维扫描系统对待加工量零件进行定位后扫描获取待修复零件的三维模型数据,根据待修复零件的三维模型数据对待修复成形面进行修复得到修复后的三维模型数据,利用增材制造方法对待成形面进行成形修复,即可完成待修复零件的修复工作。
利用增材制造方法对待成形面进行成形修复留有加工余量,对待修复零件进行轮廓补偿设计,最后再进行磨削处理,提高待修复零件修复后的表面精度。
本申请实现在增材制造设备上对工件指定的空间位置进行成形加工,采用空间定位方法对工件的空间位置进行快速定位,然后采用增材成形进行工件的快速修复与再制造。
利用空间定位系统对工件待成形面进行定位及建模处理(三维扫描),通过对工件待成形面进行模型修复及再设计,采用粉末床熔融增材制造技术的分层叠加原理,以工件的待成形平面为起始平面,进行工件的增材制造修复与再制造。本发明采用快速更换工装、粉末床熔融增材制造技术和三维扫描方法,对工件指定的空间位置进行修复与再制造,解决了高精度零件修复难度大的问题,对工件修复与再制造起到至关重要的作用,同时该发明所涉工艺、方法也可推广应用到后续机械加工、热处理和检验等工序中,对工件修复与再制造的完整工艺链提供数字化转型。
实施例1
零件的修复
针对发动机高压涡轮工作叶片采用定向凝固镍基高温合金精密铸造而成。
发动机高压涡轮工作状态下与喷涂NiCrAlY封严涂层的外环发生摩擦,1个大修周期后高压涡轮工作叶片在工作中叶尖磨损严重,部分叶尖已磨损至凸台,平均磨损量为0.6~0.7mm,43%的叶片已磨损至凸台。
针对叶尖磨损故障和复杂型面的特点,采用本申请对高压涡轮叶片进行增材修复与再制造,可满足航空发动机一个大修周期要求。
高压涡轮工作叶片在工作中与之配合的是外环上采用等离子喷涂制备的具有3层结构的NiCrAlY封严涂层。
由于在NiCrAlY封严涂层的底层和中间层添加高温抗氧化钎料进行真空热处理,同时在面层中添加提高孔隙率的聚苯脂,具有较好的可磨耗性,但是该涂层硬度高(HR45Y=55~75),因此,在工作中涡轮叶片叶尖易被封严涂层磨损。分析表明,高压涡轮工作叶片叶尖主要是由于氧化和燃气腐蚀加剧了磨损。叶片为定向凝固组织,常规的氩弧焊、钎焊技术难以实现定向组织修复。修复成形方法如下:
步骤1,将待修复的工作叶片安装到定位工装上,利用定位工装对待修复的工作叶片进行加持;
步骤2,根据待修复零件的修复表面在成形前进行磨削处理原理,使用五轴加工中心将待修复的工作叶片表层统一去除1mm厚度;
步骤3,使用三维扫描设备对磨削处理后的待修复的工作叶片进行扫描,并根据铣削平面逆向建模;
步骤4,使用Magic软件环境下对逆向建模进行建模修复与再设计处理,并对待修复待修复的工作叶片添加切削余量和外轮廓补偿;
步骤5,在BP软件环境下对设计模型进行切片处理,生成工艺程序;
步骤6,在BLT-S310粉末床熔融增材制造设备,利用其分层叠加原理,以工件的待成形平面为工作起始平面,对工件进行修复与再制造;
激光粉末床熔融增材制造成形参数如下:
激光功率:220-300W;
扫描速率:800-1100mm/s;
光斑直径:0.05-0.15mm;
层厚:0.03-0.05mm。
实施例2
同一零件采用多组材料生成:
燃气轮机旋流器组件由GH536和GH188组成,传统方法是将6个零件加工后通过5条电子束焊缝将其组合,存在加工周期长,变形控制困难,流道一致性差等问题。通过本专利技术可一次将6个异种材料的零件成形,大幅减少工序和操作设备,缩短产品生产周期,避免焊接变形等问题对产品质量的影响。异种材料旋流器组件的成形方法如下:
步骤1,使用BLT-S310粉末床熔融增材制造设备在定位工装上将多个GH356零件打印成形;
步骤2,取出成形零件,清理设备粉舱,添加GH188粉末;
步骤3,使用三维扫描设备对定位工装上生成的GH356零件进行扫描,并逆向建模;
步骤4,在Magic软件环境下对逆向建模进行修复与再设计处理,并添加补偿设计;
步骤5,在BP软件环境下对设计模型进行切片处理,生成工艺程序;
步骤6,在BLT-S310粉末床熔融增材制造设备,利用其分层叠加原理,以工件的待成形平面为工作起始平面,对工件进行异种材料的成形再制造;
激光粉末床熔融增材制造成形参数如下:
激光功率:220-300W;
扫描速率:800-1100mm/s;
光斑直径:0.05-0.15mm;
层厚:0.03-0.05mm。
由本发明方法获得的加工零件,均满足零件的使用要求,并且大大缩短了修复周期,并且针对复杂型面结构,成形精度高,特别是针对叶尖部分,降低了修复难度,满足高精度零件的修复要求。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上;
S2,在定位工装上增材成形定位基础,对定位工装及定位基础进行三维扫描获取完整的三维数据,根据三维数据进行逆向建模,根据逆向建模数据获取定位基准,根据定位基准进行零件的定位成形。
2.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,增材成形熔融区采用粉末床熔融增材设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,根据待成形工件的待成形平面与待成形工件的整体关系,对待成形工件进行工装夹具设计及组装,将装配好待成形工件的定位工装安装在增材成形熔融区的安装基板上,利用空间定位系统对待成形工件进行定位调整,通过三维扫描仪对工件整体进行扫描及逆向建模处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,将待修复零件装夹到定位工装上,对待修复零件及定位工装进行三维扫描获取三维数据,根据三维数据逆向建模处理得到待修复零件三维模型,将待修复零件三维模型进行修复处理得到处理后的三维数据;对处理后的三维数据进行切片处理,获取成形工艺文件,在增材成形熔融区内根据定位工装以及三维扫描获取的三维数据得到定位基准,以待成形面为起始工作面进行打印成形。
5.根据权利要求1所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,根据定位基准进行零件的定位成形用于同种或异种材料的成形。
6.根据权利要求4所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,将定位工装安装于增材成形熔融区的安装基板上,利用安装基板对定位工装进行初步定位,然后在安装基板上成形待成形工件基础基材零件,然后使用三维扫描设备对安装基板上成形的基础基材零件进行扫描,并逆向建模,根据建模参数修复形成待成形零件成形模型,对安装基板进行切片处理生成工艺程序,利用分层叠加原理,以待成形零件成形模型的待成形平面为工作起始平面,对工件进行异种材料的成形再制造。
7.根据权利要求6所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,修复处理过程中,对待修复零件添加切削余量和外轮廓补偿;对于待修复零件的修复表面,成形前进行磨削处理,磨削层厚至少1mm。
8.根据权利要求6所述的一种基于增材制造的空间位置成形方法,其特征在于,在待修复工件装夹前,将待修复零件待修复面进行精加工得到待修复平面,形成一致的待修复平面。
9.一种用于权利要求1所述成形方法的空间位置成形装置,其特征在于,包括定位基座(1)、零件工装夹具(2)和空间定位系统,定位基座(1)上设置有定位座(3),零件工装夹具(2)下端设有与定位座(3)定位连接的定位销(4),定位销(4)能够插入固定于定位座(3)上,零件工装夹具(2)上端用于固定装夹待修复零件(6),零件工装夹具(2)上端设置有粉仓(5),待修复零件位于粉仓内,定位基座用于与粉末床熔融增材设备成形基板固定。
10.根据权利要求9所述的一种基于增材制造的空间位置成形装置,其特征在于,定位基座(1)上设置凹槽形成定位座(3),定位销(4)的端部插入定位座(3)内。
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