CN114425579A - 一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置与方法，装置包括用于固定毛坯的压制成型模具以及用于密封毛坯的密封组件；压制成型模具固定连接有压力机，压制成型模具内部开设有用于容纳毛坯的成型腔；密封组件连接有增压油路；方法包括确定压制成型模具和密封组件，根据毛坯尺寸计算充液压制成形时毛坯所需支撑内压，将毛坯设置在压制成型模具中，毛坯形成密封空间；通过密封组件将增压油路中的高压流体介质注入到毛坯中，并按照计算的毛坯所需支撑内压进行加载，校形完成后取出构件。本发明有效解决了现有压力加工方法存在的材料利用率低、控制构件变形及内应力困难等问题，还提高了增材制造构件的尺寸精度和表面精度。
Description
技术领域
本发明涉及充液压制强化成形技术领域，特别是涉及一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置与方法。
背景技术
随着材料科学、高能束技术及软件技术的发展，增材制造在航空航天、生物医疗、汽车制造及艺术设计等领域得到了广泛应用。增材制造作为先进制造技术的代表，与传统的减材、等材制造工艺相比，具有成形复杂空心构件的独特性，能够在无模具的情况下，通过逐层堆叠离散材料的方法实现复杂空心构件的一体化成形，缩短生产周期，提高材料利用率。然而，正因为增材制造件由逐层堆叠的工艺制造而成，导致了构件易出现残余应力、裂纹以及力学性能不足等问题。针对增材制造中所存在的上述问题，通常采用滚压、微铸锻铣复合等压力加工方法，通过将金属铸造与锻压技术相结合，以提高制件的强度和可靠性，该类压力加工方法主要适用于薄壁金属零件及大壁厚差金属零件的增材制造。但是其无法对复杂空心构件的内部结构进行铸锻，并且成形过程相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置与方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，包括用于固定毛坯的压制成型模具以及用于密封毛坯的密封组件；所述压制成型模具固定连接有压力机，所述压制成型模具内部开设有用于容纳所述毛坯的成型腔；所述密封组件与压制成型模具连接，所述密封组件连接有增压油路。
优选的，所述压制成型模具为分体式结构且包括对应设置的压制上模和压制下模，所述压制上模和压制下模上均开设有成型凹槽，两个所述成型凹槽之间构成成型腔；所述压制上模和压制下模分别可拆卸连接在压力机的上下工作端。
优选的，所述毛坯为网格型空心构件，所述密封组件包括设置在毛坯两端的法兰盘以及连接在所述毛坯两端的密封冲头，两组所述法兰盘均与所述压制下模可拆卸连接，任意一组所述密封冲头的内部开设有高压流体通道，所述高压流体通道和增压油路相连通，所述法兰盘和密封冲头分设在毛坯端部的外侧和内部。
优选的，所述压制上模布置在毛坯和两组所述法兰盘的上方；所述法兰盘包括盘体以及固定在所述盘体一侧的凸出体，所述盘体和凸出体的内部开设有与所述毛坯相适配的通孔，所述压制上模和压制下模的端部设置有与凸出体相适配的阶梯槽。
优选的，所述密封冲头包括冲头主体以及固定连接在所述冲头主体一侧的卡接体，所述卡接体与毛坯内腔相适配，且所述卡接体与毛坯密封卡接。
优选的，所述阶梯槽的截面为异形结构。
一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，基于上述任意一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，包括以下步骤：
S1.确定压制成型模具和密封组件，根据毛坯外形确定成型腔内部结构，进而确定压制成型模具；根据毛坯端部尺寸确定密封组件结构；
S2.根据毛坯尺寸计算充液压制成形时毛坯所需支撑内压；
S3.将毛坯设置在压制成型模具中，将密封组件与毛坯、压制成型模具连接，所述毛坯形成密封空间；
S4.通过密封组件将增压油路中的高压流体介质注入到毛坯中，并按照计算的毛坯所需支撑内压进行加载，直至毛坯内部压力值达到设定的毛坯所需支撑内压；
S5.卸载毛坯内腔的支撑内压，并将密封组件与压制成型模具拆开，取出构件。
优选的，S2中，测量毛坯的壁厚以及最小圆角半径；毛坯所需支撑内压不大于毛坯的初始屈服压力，毛坯初始屈服压力由公式计算，
其中，p为初始屈服内压，t为毛坯壁厚，r为毛坯圆角半径，σi为毛坯流动应力。
优选的，S3包括以下步骤：
S3.1.将毛坯放置于所述压制下模中，且毛坯与所述压制下模中的成型凹槽对齐；
S3.2.将两组所述法兰盘分别卡接在毛坯两端，并通过螺栓将法兰盘与压制下模连接；
S3.3.所述压制上模下行，压制上模与压制下模形成的成型腔将毛坯包裹在其中，且毛坯与成型腔内壁相贴合；
S3.4.两侧的所述密封冲头同时向毛坯进给，使毛坯内部形成密封空间。
优选的，S4中的流体介质为液体或者气体。
本发明公开了以下技术效果：本发明公开的增材制造空心构件在压制成型模具所产生的合模力与支撑内压所产生的法向压力的共同作用下，力学性能得到强化，不仅可有效解决现有压力加工方法存在的材料利用率低、控制构件变形及内应力困难等问题，还提高了增材制造构件的尺寸精度和表面精度，本发明利用充液压制原理对增材制造空心构件的内部结构进行强化，解决上述压力加工方法在实际生产过程中存在局限性，从而实现增材制造空心构件高精度与高效率的生产目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明校形装置结构示意图；
图2为本发明充液压制初始状态示意图；
图3为图2中A-A剖视图；
图4为本发明压制上模和压制下模合模结构示意图；
图5为本发明充液压制成形过程示意图；
图6为本发明45°弯曲轴线增材制造构件示意图。
其中，11为压制上模，12为压制下模，13为成型凹槽，14为阶梯槽，21为法兰盘，211为盘体，212为凸出体，213为通孔，22为密封冲头，221为冲头主体，222为卡接体，23为高压流体通道，3为成型腔，4为毛坯，5为双头螺柱。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-5，本发明提供了一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，包括用于固定毛坯4的压制成型模具以及用于密封毛坯4的密封组件；压制成型模具固定连接有压力机，压制成型模具内部开设有用于容纳毛坯4的成型腔3；密封组件与压制成型模具连接，密封组件连接有增压油路。将毛坯4布置到成型腔3内，通过压力机为压制成型模具提供操作过程中所需要的力；通过密封组件将毛坯4进行密封，并通过增压油路向毛坯4地空腔内注入高压流体介质。
压制成型模具为分体式结构且包括对应设置的压制上模11和压制下模12，压制上模11和压制下模12上均开设有成型凹槽13，两个成型凹槽13之间构成成型腔3；压制上模11和压制下模12分别可拆卸连接在压力机的上下工作端，通过压力机控制压制上模11和压制下模12和开启以及密封，方便安装以及卸载毛坯4；并通过两个成型凹槽13之间形成的成型腔3对毛坯4进行限制。
毛坯4为网格型空心构件，密封组件包括设置在毛坯4两端的法兰盘21以及连接在毛坯4两端的密封冲头22，两组法兰盘21均与压制下模12可拆卸连接，任意一组密封冲头22的内部开设有高压流体通道23，高压流体通道23和增压油路相连通，法兰盘21和密封冲头22分设在毛坯4端部的外侧和内部。
压制上模11布置在毛坯4和两组法兰盘21的上方；法兰盘21包括盘体211以及固定在盘体211一侧的凸出体212，盘体211和凸出体212的内部开设有与毛坯4相适配的通孔213，压制上模11和压制下模12的端部设置有与凸出体212相适配的阶梯槽14。法兰盘21可在压力机的作用下产生一定的弹性压缩变形，并配合密封冲头22咬合毛坯4端口形成可靠密封。密封冲头22包括冲头主体221以及固定连接在冲头主体221一侧的卡接体222，卡接体222与毛坯4内腔相适配，且卡接体222与毛坯4密封卡接，卡接体222伸入到毛坯4的内部与法兰盘21共同作用对毛坯端口形成支撑的同时，产生更好地密封作用。
进一步优化方案，阶梯槽14的截面为异形结构，异形截面的阶梯槽14用于固定毛坯位置，限制初始毛坯在复杂工况下的偏移。
一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，基于上述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，包括以下步骤：
S1.确定压制成型模具和密封组件，根据毛坯4外形确定成型腔3内部结构，进而确定压制成型模具；根据毛坯4端部尺寸确定密封组件结构；成型腔3的内腔截面周长不大于增材制造构件最大截面周长；
S2.根据毛坯4尺寸计算充液压制成形时毛坯4所需支撑内压；
S3.将毛坯4设置在压制成型模具中，将密封组件与毛坯4、压制成型模具连接，毛坯4形成密封空间；
S4.通过密封组件将增压油路中的高压流体介质注入到毛坯4中，并按照计算的毛坯4所需支撑内压进行加载，直至毛坯4内部压力值达到设定的毛坯4所需支撑内压；
S5.卸载毛坯4内腔的支撑内压，并将密封组件与压制成型模具拆开，取出构件。
进一步优化方案，S2中，测量毛坯4的壁厚以及最小圆角半径；毛坯4所需支撑内压不大于毛坯4的初始屈服压力，毛坯4初始屈服压力由公式1计算，
其中，p为初始屈服内压，t为毛坯4壁厚，r为毛坯4圆角半径，σi为毛坯4流动应力。
进一步优化方案，S3包括以下步骤：
S3.1.将毛坯4放置于压制下模12中，且毛坯4与压制下模12中的成型凹槽13对齐；
S3.2.将两组法兰盘21分别卡接在毛坯4两端，并通过螺栓将法兰盘21与压制下模12连接；
S3.3.压制上模11下行，压制上模11与压制下模12形成的成型腔3将毛坯4包裹在其中，且毛坯4与成型腔3内壁相贴合；
S3.4.两侧的密封冲头22同时向毛坯4进给，使毛坯4内部形成密封空间。
进一步优化方案，S4中的流体介质为液体或者气体。
以2024铝合金增材制造空心构件为例，目标构件横截面为倒梯形，截面宽度70mm，高度40mm，壁厚为t＝2mm。具体的校形方法包括一下步骤：
步骤一：根据目标构件壁厚确定所述初始毛坯4壁厚，目标构件壁厚要求为2mm，因充液压制过程中毛坯壁厚基本不发生变化，因此选择壁厚为2mm的增材制造空心构件作为初始毛坯4。
步骤二：根据初始毛坯4的壁厚与最小圆角半径计算充液压制成形时毛坯所需支撑内压，初始毛坯4最小圆角半径为5mm，壁厚为t＝2mm，径厚比r/t为2.5，所述径厚比越小，支撑内压越大。2024铝合金增材制造空心构件的初始屈服应力为σi＝325MPa，因此根据公式(1)计算得到该毛坯4所需的支撑内压应不高于的130MPa；
步骤三：将初始毛坯4放置于压制下模12中，使初始毛坯4端口与异形截面槽口平齐；
步骤四：法兰盘21通过双头螺柱5可拆卸连接在压制下模12两侧；
步骤五：压制上模11与压制下模12形成的成型腔3将毛坯4包裹在其中，且毛坯4与成型腔3内壁近似贴合；
步骤六：两侧的密封冲头22同时向毛坯4进给，使毛坯4内部形成密封空间；
步骤七：高压流体介质通过密封冲头的高压流体通道23注入毛坯4内腔，并按照设定的内压加载路径进行加载，直至压力值达到预设定的毛坯4支撑内压；
步骤八：卸载内压，密封冲头22后退，压制上模11回程，拆卸法兰盘21，取出构件，完成校形。
图6公开了所述初始管坯选取预成形后的45°弯曲轴线增材制造构件6。
常规增材制造构件未经过铸造、锻压等工艺处理，存在气孔和未融合部分，金属抗疲劳性严重不足。并且增材制造构件存在热应力梯度，易发生翘曲变形，导致其力学性能不高。本发明首次提出并将压制成型模具所产生的合模力与支撑内压所产生的法向压力共同对增材制造空心构件进行作用，使增材制造空心构件在模具所产生的合模力与支撑内压所产生的法向压力的共同作用下强化成形，使其力学性能得到提升。此外，由于增材制造空心构件内外均处于受压状态，有利于提高构件的表面精度和截面圆角的尺寸精度。本发明设计合理、工艺简单、控制稳定，有效解决由于压力加工方法中铣削工艺导致的材料利用率不高和控制构件变形及内应力困难等问题，同时可相对降低增材制造成形毛坯的打印精度，为实现增材制造空心构件高精度与高效率的生产目标提供了有效方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：包括用于固定毛坯(4)的压制成型模具以及用于密封毛坯(4)的密封组件；所述压制成型模具固定连接有压力机，所述压制成型模具内部开设有用于容纳所述毛坯(4)的成型腔(3)；所述密封组件与压制成型模具连接，所述密封组件连接有增压油路。
2.根据权利要求1所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：所述压制成型模具为分体式结构且包括对应设置的压制上模(11)和压制下模(12)，所述压制上模(11)和压制下模(12)上均开设有成型凹槽(13)，两个所述成型凹槽(13)之间构成成型腔(3)；所述压制上模(11)和压制下模(12)分别可拆卸连接在压力机的上下工作端。
3.根据权利要求2所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：所述毛坯(4)为网格型空心构件，所述密封组件包括设置在毛坯(4)两端的法兰盘(21)以及连接在所述毛坯(4)两端的密封冲头(22)，两组所述法兰盘(21)均与所述压制下模(12)可拆卸连接，任意一组所述密封冲头(22)的内部开设有高压流体通道(23)，所述高压流体通道(23)和增压油路相连通，所述法兰盘(21)和密封冲头(22)分设在毛坯(4)端部的外侧和内部。
4.根据权利要求3所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：所述压制上模(11)布置在毛坯(4)和两组所述法兰盘(21)的上方；所述法兰盘(21)包括盘体(211)以及固定在所述盘体(211)一侧的凸出体(212)，所述盘体(211)和凸出体(212)的内部开设有与所述毛坯(4)相适配的通孔(213)，所述压制上模(11)和压制下模(12)的端部设置有与凸出体(212)相适配的阶梯槽(14)。
5.根据权利要求3所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：所述密封冲头(22)包括冲头主体(221)以及固定连接在所述冲头主体(221)一侧的卡接体(222)，所述卡接体(222)与毛坯(4)内腔相适配，且所述卡接体(222)与毛坯(4)密封卡接。
6.根据权利要求4所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：所述阶梯槽(14)的截面为异形结构。
7.一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，基于权利要求1-6任意一项所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1.确定压制成型模具和密封组件，根据毛坯(4)外形确定成型腔(3)内部结构，进而确定压制成型模具；根据毛坯(4)端部尺寸确定密封组件结构；
S2.根据毛坯(4)尺寸计算充液压制成形时毛坯(4)所需支撑内压；
S3.将毛坯(4)设置在压制成型模具中，将密封组件与毛坯(4)、压制成型模具连接，所述毛坯(4)形成密封空间；
S4.通过密封组件将增压油路中的高压流体介质注入到毛坯(4)中，并按照计算的毛坯(4)所需支撑内压进行加载，直至毛坯(4)内部压力值达到设定的毛坯(4)所需支撑内压；
S5.卸载毛坯(4)内腔的支撑内压，并将密封组件与压制成型模具拆开，取出构件。
8.根据权利要求6所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，其特征在于：S2中，测量毛坯(4)的壁厚以及最小圆角半径；毛坯(4)所需支撑内压不大于毛坯(4)的初始屈服压力，毛坯(4)初始屈服压力由公式(1)计算，
其中，p为初始屈服内压，t为毛坯(4)壁厚，r为毛坯(4)圆角半径，σi为毛坯(4)流动应力。
9.根据权利要求6所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，其特征在于：S3包括以下步骤：
S3.1.将毛坯(4)放置于所述压制下模(12)中，且毛坯(4)与所述压制下模(12)中的成型凹槽(13)对齐；
S3.2.将两组所述法兰盘(21)分别卡接在毛坯(4)两端，并通过螺栓将法兰盘(21)与压制下模(12)连接；
S3.3.所述压制上模(11)下行，压制上模(11)与压制下模(12)形成的成型腔(3)将毛坯(4)包裹在其中，且毛坯(4)与成型腔(3)内壁相贴合；
S3.4.两侧的所述密封冲头(22)同时向毛坯(4)进给，使毛坯(4)内部形成密封空间。
10.根据权利要求6所述的一种强化增材制造空心构件力学性能的校形方法，其特征在于：S4中的流体介质为液体或者气体。
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