CN114178551B - 一种具有随形水道的热锻模及其电弧熔丝增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，并具体公开了一种具有随形水道的热锻模及其电弧熔丝增材制造方法，其包括如下步骤：S1、建立具有随形水道的热锻模的三维模型，并对该三维模型分区，其中，热锻模外轮廓到随形水道外轮廓的区域为第一区域，随形水道内侧区域为第二区域；S2、根据三维模型，通过电弧熔丝增材制造分区成形具有随形水道的热锻模，成形时，第一区域采用等距偏置填充方式，第二区域采用等距特征分区扫描填充方式。本发明的随形水道电弧增材制造方法，结合模具自身产品结构特点及成型需求，可快速有效的生成所需形状的随形水道，并通过分区路径规划减小了构件的变形量，提高了成型精度。

Description

一种具有随形水道的热锻模及其电弧熔丝增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种具有随形水道的热锻模及其电弧熔丝增材制造方法。

背景技术

热锻模作为重要的基础工业模具，主要用于高温固态金属锻造成型，热锻模成形的锻件由于具有较高的组织致密度及良好的力学性能，广泛应用于轿车工业、机械制造业领域。热锻模具在工作时需要加热到金属再结晶温度以上，这种加工方式会使得模具表层与高温胚料甚至熔融金属直接接触，在高温高压、冷热交替和较大载荷冲击的工作环境下，模具极易发生热疲劳、热磨损和断裂等失效形式，其使用寿命影响了锻件的生产成本。

为提高热锻模的使用寿命，会在模具内部设置冷却系统来对模具温度进行调节和控制，热锻模具冷却系统对模具的成形至关重要，高效的冷却系统可以有效缩短成型周期，提高生产效率。目前，采用电弧熔丝增材制造技术生产热锻模时，其冷却系统普遍采用传统冷却水道，即直线型冷却水道，但是水道到模具型腔表面的距离不一致，模具各处的温度不能均匀化，导致收缩率不同造成模具变形从而降低模具寿命。随形冷却水道根据制品的形状设计，以更好的控制模具冷却的均匀性，减少模具型腔的变形和应力集中现象，加快模具散热速度，减少冷却时间，确保模具的精度，进而提高产品的质量。而随形冷却水道结构大多集中于手工创建，在产品结构复杂的情况下，与制品表面的贴合性的表现并不够好。并且在成型过程中，由于材料的增加具有方向性，单一形式的路径扫描会使得制件的力学性能呈现出各向异性，影响了制件的力学性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有随形水道的热锻模及其电弧熔丝增材制造方法，其目的在于，制备具有随形水道的热锻模，同时提高热锻模的成形精度。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，包括如下步骤：

S1、建立具有随形水道的热锻模的三维模型，并对该三维模型分区，其中，热锻模外轮廓到随形水道外轮廓的区域为第一区域，随形水道内侧区域为第二区域；

S2、根据三维模型，通过电弧熔丝增材制造分区成形具有随形水道的热锻模，成形时，第一区域采用偏置填充方式，第二区域采用特征分区扫描填充方式。

作为进一步优选的，将所述第二区域根据热锻模实际形状划分为彼此独立的多个子区域，对各子区域分别进行扫描填充。

作为进一步优选的，通过电弧熔丝增材制造按预规划路径进行热锻模成形，路径规划方法具体为：沿热锻模三维模型的横截面对其进行等厚平面切片得到分层平面切片；以随形水道作为轮廓边界，对随形水道外侧第一区域，由各分层平面切片的外轮廓以设定的偏置量逐渐偏置至内轮廓，得到第一区域的填充堆积路径；对随形水道内侧的第二区域，由各分层平面切片的外轮廓以设定的偏移量逐渐扫描至内轮廓，得到第二区域的填充堆积路径。

作为进一步优选的，对于第二区域，各层平面切片交替采用横向、纵向平行特征分区扫描填充。

作为进一步优选的，每层平面切片的厚度为2mm～3mm。

作为进一步优选的，对于第二区域，进行等距扫描填充时，每次的偏移量为单道焊缝宽度的1/3～1/2。

作为进一步优选的，成形时，焊接电流为100A～150A，焊接电压为10V～20V，焊接速度为6mm/s～8mm/s。

作为进一步优选的，成形时，保护气为80％Ar与20％CO₂混合气体，保护气流量为15L/min～17L/min。

作为进一步优选的，所述随形水道为整体连通式随形水道。

按照本发明的另一方面，提供了一种具有随形水道的热锻模，其采用上述电弧熔丝增材制造方法成形得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对热锻模复杂结构件的结构特征进行了研究并做出了特征分区设计，结合模具自身结构特点及成形需求，可快速有效的生成所需形状的随形水道；而且进一步就不同的分区采用了不同的路径填充优化，通过分区路径规划减小了构件的变形量，提高了成型精度，同时还能大大缩短生产周期。本发明方法特别适合于具有随形水道的轿车车桥热锻模等复杂构件的成形，能够实现电弧熔丝增材制造整个模具的尺寸精度和外形轮廓精确控制，且在实际打印时易于操作。

2.本发明采用偏置填充热锻模外轮廓到随形水道外轮廓区域：偏置填充是从外轮廓或者内轮廓起向构件实体部分偏移进行扫描成型的过程，由于扫描的矢量方向一直在变化，构件的内应力方向是无规律发散的，可降低残余应力，减小变形量，使得构件成型质量较好。具体到带随形水道的热锻模，由于电弧增材制造过程中电流热输入较大，所以外部区域采用偏置填充的方式进行填充，可有效控制轮廓边界的起熄弧点以及一定程度上的减缓熔池流淌和聚集堆积；同时，热锻模轮廓边缘尺寸较小，采用偏置填充能减少焊缝的堆积，提高构件精度。

采用特征分区扫描填充随形水道内侧区域：随形冷却水道是根据制品的形状设计，结构比较复杂，偏置填充在轮廓形状较复杂时，偏置时容易产生自相交，影响成形精度。而扫描填充是以前一行的结尾交点与后一行的第一个交点相连由此得到全部的路径，由于随形水道内侧区域结构复杂，含有较多空洞，采用特征分区扫描可以有效解决了平行往复扫描路径中需要频繁横跨空洞区域的问题，亦不会出现路径相交的情形。

3.平行往复扫描填充以前一行的结尾交点与后一行的第一个交点相连由此得到全部的路径，该路径虽然在简单构件的路径实现算法上较易实现，但是构件含有较多空腔即每一层切片较为复杂时，焊枪需频繁起熄弧，降低成形效率。因此，本发明将第二区域根据热锻模实际形状划分为彼此独立的多个子区域，对各子区域分别进行扫描填充，这种特征分区扫描的方式，相较于往复直线扫描，若构件内部存在空腔，特征分区扫描能够根据切片模型减少起弧次数，提高成形效率。

4.在成型过程中，由于材料的增加具有方向性，单一形式的路径扫描会使得制件的力学性能呈现出各向异性，因此本发明交叉采用横向和纵向平行特征分区扫描填充，可以减小材料的各向异性，提高制件的力学性能。

5.随形水道为中空悬臂结构，若偏移距离过大会导致堆积金属成形精度差，表面粗糙度高，偏移距离过小会导致会导致堆积金属无法成形所需直径的随形水道，据此设置对第二区域成形时的偏移距离。

附图说明

图1为本发明实施例具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法工艺流程图；

图2为本发明实施例热锻模偏置填充及特征分区扫描填充示意图；

图3为本发明实施例随形水道的轮廓图；

图4为本发明实施例热锻模平面切片的截面图；

图5为本发明实施例第一层随形水道的剖面图；

图6为本发明实施例第二层随形水道的剖面图；

图7为本发明实施例STL模型中三角面片的排列形式；

图8中(a)、(b)是为本发明实施例中纵向、横向平行特征分区扫描填充示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，如图1所示，包括如下步骤：

(i)热锻模三维模型的建立和分区

针对作为待加工对象的热锻模构件，生成其三维点云，并在空间坐标系中拟合建立对应的三维模型；然后对此三维模型进行特征性的分区处理，其中，从热锻模外轮廓到随形水道整体的外轮廓设定为第一区域，而位于随形水道内侧间隙的部分为第二区域，该第二区域根据模具实际形状设定为彼此独立的多个子区域。

(ii)不同分区的特定路径规划设计

针对第一区域和第二区域，如图2所示，采用等厚分层平面切片和等距偏置填充复合等距特征分区扫描填充的方式规划随形水道的堆积路径：沿热锻模基底模型的横截面对其进行等厚平面切片得到所有分层平面切片，以随形水道作为轮廓边界，根据各分层平面切片的内外轮廓规划对应的轮廓堆积路径；具体的，对于第一区域，首先采用平面切片的方式得到热锻模的内外轮廓，然后计算出在该切平面上热锻模外轮廓到热锻模内轮廓(即随形水道整体的外轮廓)的区域，再通过偏置填充以设定的偏置量由外轮廓逐层偏移到内轮廓，获得对应的基底堆积路径；对于第二区域中的多个子区域，基于随形水道内部空腔进行分区算法判断，然后按照特征分区对各个区域以设定的偏移量进行特征分区扫描填充，获得对应的内轮廓堆积路径，由此随着切片高度地提升完成所有区域的路径规划。

(iii)基于电弧熔丝增材制造的最终成型

基于基底堆积路径的运动指令控制电弧熔丝增材制造设备进行电弧熔丝增材成形以制造出相应基底，基于热锻模内轮廓堆积路径的运动指令控制电弧熔丝增材制造设备进行电弧熔丝增材成形以成形相应的内轮廓，以此完成随形水道的电弧熔丝增材制造。

具体的，所述特征分区扫描填充是根据成形方向上的一组等距平行线与截面轮廓线相交情况求取交点，把同一行上的交点数量作为其特征，根据特征将截面中待填充部位分解为若干个子区域，每个子区域中的交点按顺序连接起来均可得一条独立的扫描路径，再逐个子区域完成堆焊即可。

进一步的，切片时，各层切片厚度为2～3mm；成形时，每道成形堆积金属宽度为6mm～8mm；对于第二区域，进行等距扫描填充时，每次的偏移量为单道焊缝宽度的1/3～1/2。更具体的，对第一区域，每道成形堆积金属宽度为6mm，偏置填充时每次的偏置量为2mm；对第二区域，每道成形堆积金属宽度为8mm，扫描填充的偏移量为3mm。

进一步的，采用整体连通式随形水道，且分为多层，能够提高构件的冷却效果。

具体的，所述电弧熔丝增材制造工艺的关键工艺参数，包括焊接速度、焊接电流、焊接电压和送丝速度等，并且与所用丝材保持对应。进一步的，电弧熔丝增材制造的具体工艺为：焊接电流为100A～150A，焊接电压为10V～20V，焊接速度为6mm/s～8mm/s；保护气类型为80％Ar+20％CO₂混合气体，保护气流量为15L/min～17L/min。

以下以制备轿车车桥热锻模为例对本发明方法进行进一步说明。

第一是具有随形水道的轿车车桥热锻模的设计及分区规划。

针对作为待加工对象的具有随形水道的轿车车桥热锻模构件，在空间坐标系中进行三维建模，以获得随形水道及热锻模模型。为了便于对各层随形水道进行编号，具体的将随形水道按照电弧熔丝增材制造的顺序进行编号，即从下往上依次编号为第一层水道、第二层水道…，然后按具有随形水道的轿车车桥热锻模图纸中热锻模基底的规定尺寸在绘图UG软件中对基底进行三维建模，按具有随形水道的轿车车桥热锻模图纸中第一层随形水道的规定位置和尺寸，对第一层随形水道在热锻模基底上利用UG软件进行三维建模，以此类推，以完成所有层次随形水道的三维建模，再以连通管道贯通各层随形水道以联合成整体。

然后对此三维模型进行分区处理，其中从热锻模外轮廓到随形水道整体的外轮廓设定为第一区域，而位于随形水道内侧间隙的部分设定为彼此独立的多个第二区域。这种分区依据主要是考虑到该结构件属于复杂几何构件。

第二是不同分区的特定路径规划。

对第一区域的三维模型采用等厚分层平面切片和等距偏置扫描填充的方式规划其堆积路径，并基于堆积路径生成对应的运动指令，具体的，对第一区域的三维模型采用等厚分层平面切片和等距偏置填充的方式来规划堆积路径，对第一区域的堆积路径使用JAVA语言编写的机器人命令转化为机器人能识别的代码，得到堆积第一区域的机器人运动指令。

对第二区域的三维模型采用等厚分层平面切片和等距平行特征分区扫描填充的方式规划其堆积路径，并基于堆积路径生成对应的运动指令，具体的，对第二区域的三维模型采用等厚分层平面切片和等距平行特征分区扫描填充的方式来规划堆积路径，对第二区域的堆积路径使用JAVA语言编写的机器人命令转化为机器人能识别的代码，得到堆积第二区域的机器人运动指令。

更具体而言，采用与随形水道电弧熔丝增材制造选用丝材相对应的工艺参数进行加工制造，选用低合金高强钢焊丝，所用机器人控制平台为Fronius TPS4000型弧焊电源搭配KUKA KR-30型机器人平台，所用工艺参数为：焊接电流150A，焊接电压20V，焊接速度6mm/s，保护气类型和流量：80％Ar+20％CO2混合气体、15L/min。

以下为具体实施例：

利用本发明的随形水道热锻模电弧熔丝增材制造方法成形由两层随形水道组成的复合随形水道，包括如下步骤：

第一步：将具有随形水道的轿车车桥热锻模图纸中的热锻模基底及随形水道按电弧熔丝增材制造的顺序进行编号，主要顺序为：基底编号为1，随形水道编号为2，如图3所示；

第二步：按具有随形水道的轿车车桥热锻模图纸中基底1的规定尺寸在UG软件中对其进行三维建模，基底1长320mm，宽261mm，高80mm；

第三步：对基底1的三维模型采用等厚分层平面切片和等距偏置填充的方式来规划堆积路径：

利用UG软件将模型转换为含有三角形面片信息的ASCII码格式的STL文件，每一个三角面片均由三个顶点坐标及对应的法向量表示，相邻的两个三角面片之间公用一条边，与两个三角形面片相关的边为内边界边，与一个三角形面片相关的边为外边界边，三角形面片分布如图7所示；利用JAVA语言绘编模型扫描路径算法，以共边以及内外轮廓环关系建立判断原则，识别出各个轮廓，并将所有识别的外边界边按照顶点坐标排序顺次连接形成内外轮廓边，实现对所有切面的内外轮廓提取；同时，将外轮廓逐渐偏置至内轮廓，偏置量为2mm，获得其他各路径，利用JAVA语言编写得到的路径点云数据；

使用JAVA语言编写的平面切片程序对基底1沿横截面进行平面切片，如图4所示，得到基底1横截面的内外轮廓，切片厚度为选定工艺参数堆积金属的高度，在本实施例中切片厚度为2mm；同时，将外轮廓逐渐偏置至内轮廓(或者将内轮廓逐渐偏置至外轮廓)，偏置量为2mm，获得其他各路径；

第四步：对上述基底1的堆积路径使用JAVA语言编写的机器人命令转换模块转化为机器人语言，得到堆积基底1的机器人运动指令；

第五步：将所述的机器人运动指令导入机器人控制平台，采用与具有随形水道的轿车车桥热锻模电弧熔丝增材制造选用丝材相对应的工艺参数进行加工制造，在本实施例中，选用低合金高强钢焊丝，所用机器人控制平台为Fronius TPS4000型弧焊电源搭配KUKAKR-30型机器人平台，所用工艺参数为：焊接电流130A，焊接电压26V，焊接速度7mm/s；保护气类型和流量：80％Ar+20％CO₂混合气体，混合气体流量15L/min；实际电弧熔丝增材制造过程中，首先成形内外轮廓以保证基底1的尺寸精度，然后再进行偏置填充。

第六步：按随形水道图纸中的规定位置和尺寸，对所述随形水道2在基底1上利用UG软件进行三维建模，本实施例中，随形水道2直径为12mm，总长为2300mm；

第七步：对随形水道2的三维模型采用等厚分层平面切片和等距偏置填充的方式来规划堆积路径：

使用JAVA语言编写的平面切片程序对随形水道2沿横截面进行平面切片，得到随形水道2横截面的内外轮廓，切片厚度为选定工艺参数堆积金属的高度，在本实施例中切片厚度为2mm；同时，将外轮廓逐渐偏置至内轮廓(或者将内轮廓逐渐偏置至外轮廓)，偏移量为2mm，获得其他各路径；

第八步：对上述随形水道2的堆积路径使用JAVA语言编写的机器人命令转换模块转化为机器人语言，得到堆积随形水道2的机器人运动指令；

第九步：对构件内轮廓至随形水道整体的外轮廓的三维模型采用等厚分层平面切片和等距扫描填充的方式来规划堆积路径：

使用JAVA语言编写的平面切片程序对构件内轮廓至随形水道外轮廓沿横截面进行平面切片，如图5和图6所示，得到构件内轮廓至随形水道内轮廓横截面的内外轮廓，切片厚度为选定工艺参数堆积金属的高度，在本实施例中切片厚度为2mm；

第十步：对上述构件内轮廓至随形水道内轮廓的堆积路径使用JAVA语言编写的机器人命令转换模块转化为机器人语言，得到堆积构件内轮廓至随形水道内轮廓的机器人运动指令；且为了减小材料的各向异性，交叉采用横向和纵向平行特征分区扫描填充，如图8所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立具有随形水道的热锻模的三维模型，并对该三维模型分区，其中，热锻模外轮廓到随形水道外轮廓的区域为第一区域，随形水道内侧区域为第二区域；

S2、根据三维模型，通过电弧熔丝增材制造分区成形具有随形水道的热锻模，成形时，第一区域采用偏置填充方式，第二区域采用特征分区扫描填充方式；

通过电弧熔丝增材制造按预规划路径进行热锻模成形，路径规划方法具体为：沿热锻模三维模型的横截面对其进行等厚平面切片得到分层平面切片；以随形水道作为轮廓边界，对随形水道外侧第一区域，由各分层平面切片的外轮廓以设定的偏置量逐渐偏置至内轮廓，得到第一区域的填充堆积路径；对随形水道内侧的第二区域，由各分层平面切片的外轮廓以设定的偏移量逐渐扫描至内轮廓，得到第二区域的填充堆积路径；

其中，内外轮廓的获取方法为：将模型转换为含有三角形面片信息的ASCII码格式的STL文件，每一个三角面片均由三个顶点坐标及对应的法向量表示，相邻的两个三角面片之间公用一条边，与两个三角形面片相关的边为内边界边，与一个三角形面片相关的边为外边界边；进而以共边以及内外轮廓环关系建立判断原则，识别出各个轮廓，并将所有识别的外边界边按照顶点坐标排序顺次连接形成内外轮廓边，实现对所有切面的内外轮廓提取。

2.如权利要求1所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，将所述第二区域根据热锻模实际形状划分为彼此独立的多个子区域，对各子区域分别进行扫描填充。

3.如权利要求1所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，对于第二区域，各层平面切片交替采用横向、纵向平行特征分区扫描填充。

4.如权利要求1所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，每层平面切片的厚度为2mm～3mm。

5.如权利要求1所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，对于第二区域，进行等距扫描填充时，每次的偏移量为单道焊缝宽度的1/3～1/2。

6.如权利要求1所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，成形时，焊接电流为100A～150A，焊接电压为10V～20V，焊接速度为6mm/s～8mm/s。

7.如权利要求6所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，成形时，保护气为80％Ar与20％CO₂混合气体，保护气流量为15L/min～17L/min。

8.如权利要求1-7任一项所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，所述随形水道为整体连通式随形水道。

9.一种具有随形水道的热锻模，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的具有随形水道的热锻模的电弧熔丝增材制造方法成形得到。

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