CN115055853B - 一种用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法，属于损伤模具修复的前处理手段，包括采用无损检测技术确定模具的损伤或缺陷位置；根据损伤大小和深度通过碳弧气刨去除损伤部位；利用搅拌摩擦加工清理和平整气刨表面沟槽。所述方法加工成本低，清理效率高，可操作性强，能够降低待修复模具型腔成型状况的复杂程度，从而有效降低后续增材制造修复难度，提高整个增材制造工艺流程的稳定性。
Description
技术领域
本发明提供的一种用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法，属于增材制造修复技术领域。
背景技术
模具作为工业生产的基础工艺装备，在服役过程中诸如磨损、断裂、疲劳等形式的失效行为时有发生，特别是一些高端模具因局部损伤而报废大大增加生产成本，制约了模具行业的发展。
增材制造技术的发展为损伤模具的修复提供了新的思路，成为模具行业转型升级的重要契机。由此衍生的基于机器人或自动化设备的增材再制造修复技术，相比传统的模具修复手段，成形精度和修复效率高，修复质量高且波动小。
模具增材再制造修复过程主要包括：修复前对失效模具的前处理，对模具进行无损检测以确定损伤区域，加工清理模具失效部位，三维逆向扫描获取模具待修复表面三维点云数据，通过软件处理点云数据，确定增材制造修复模型，并对模型进行成形分层切片、路径规划，最后将软件处理得到的加工程序指令导入机器人或加工设备进行增材再制造修复。
切削加工是去除和清理工件多余材料最常规的手段，但是模具一般采用具有较高硬度的模具钢制成，切削难度大，加工效率极低，且对切削刀具的要求较高，加工时刀具磨损严重。碳弧气刨因其挖除效率高，灵活性强等优点被广泛用于刨槽和消除缺陷。所以可以采用碳弧气刨的方式去除模具失效部位。
但是将碳弧气刨应用于模具增材再制造修复的缺点也很明显：在去除失效部位过程中，碳弧气刨产生大量的热，局部高温导致热应力，气刨后表面快速冷却，相当于局部淬火，容易形成硬化层，塑韧性降低，导致气刨处易产生裂纹，影响修复模具的使用寿命；此外气刨不可避免的会使模具表面产生崎岖不平的沟槽和凹坑，使得三维扫描获取到散乱复杂的点云数据，从而导致由点云数据生成的增材制造修复模型异常复杂，大大增加了机器人或加工设备成形路径规划的难度，并且容易造成加工设备因某些奇异位姿不可达而停机，极为影响整个生产修复过程的效率和稳定性。
由搅拌摩擦焊衍生的搅拌摩擦加工技术，是通过搅拌头对工件局部强烈搅拌，使加工区材料发生剧烈塑性变形，在下压力的作用下，搅拌头高速旋转并与工件摩擦产热，使搅拌区金属达到热塑性状态，塑性变形抗力显著下降，而软化的材料在搅拌头的行进过程中发生具有一定方向性的流动或迁移，同时，搅拌区组织发生反复动态再结晶，可以实现材料组织的细化、均匀化和致密化。其中，搅拌针的扎入深度灵活可控，可根据所需加工区域深度要求来调整搅拌头的几何尺寸和形貌，并且可通过多道次的搅拌摩擦加工实现大面积、大体积工件的加工，因此极为适合作为模具失效部位清理的一种辅助手段。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，通过综合运用多种技术手段，提出一种用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法。该方法将碳弧气刨技术与搅拌摩擦加工技术相结合，在保证一定清理效率的同时，提高了清理质量，有效降低了后续增材再制造修复的加工难度和复杂性，提高了整个工艺流程的稳定性。
本发明具体步骤如下：
步骤1：根据待修复模具材料选用合适的无损检测技术，检测待修复模具的缺陷或损伤部位的位置和大小；
步骤2：根据检测的损伤部位的位置和大小，确定碳弧气刨的气刨位置和刨槽宽度，选用合适直径的碳棒和电弧电流大小，采用碳弧气刨去除待修复模具的失效层；
步骤3：采用搅拌摩擦加工技术清理气刨产生的沟槽，平整表面，改善微观组织。
进一步地，无损检测技术选用磁粉检测或荧光检测技术。
进一步地，气刨深度根据损伤部位的大小和深度确定，在损伤部位的深度基础上增加2-3mm以避免检测误差的影响，确保去除失效层。
进一步地，碳弧气刨采用直流反极性电源，所述碳棒直径为8-18mm，碳棒直径比刨槽宽度小2mm左右，电流为1000A-1600A，若损伤部位深度较大，碳棒直径和电流也需相应增大，刨削速度0.5-1.2m/min，压缩空气压力为0.4-0.6Mpa，具体根据电流大小而定，电弧长度1-2mm，碳棒倾角为25°-45°。
进一步地，所述搅拌摩擦加工过程采用搅拌摩擦焊接设备，所用搅拌头材料为钨铼合金，轴肩直径为8-30mm，具体直径根据待修复模具及其型腔大小选定，搅拌针为锥台型无螺纹结构，搅拌针长度和下压量根据气刨沟槽深度选定，加工速度为50-80mm/min，搅拌头旋转速度为600-800r/min，整个加工工程中，使用氩气对加工位置进行保护。
本发明具有如下有益效果：
采用碳弧气刨进行模具失效部位的初步挖除清理，保证了较高的清理效率和经济性。通过后续的搅拌摩擦加工手段，利用轴肩的旋转和顶锻作用实现搅拌区热塑性金属的流动迁移和动态再结晶，从而实现对气刨沟槽的填补和平整，解决了碳弧气刨产生沟槽导致模具型腔成形环境复杂进而加大增材再制造修复难度的问题，同时搅拌区强烈的动态再结晶显著细化晶粒，提高了清理区域的强度、韧性和疲劳强度，在一定程度上增加了修复后模具的使用寿命。
附图说明
图1碳弧气刨去除缺陷后的模具三维扫描模型；
图2搅拌摩擦加工平整后的模具三维扫描模型。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合具体实施例对本发明的一种应用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法作进一步详细地说明。
针对一种火车衬板类失效模具，使用基于弧焊机器人的电弧增材制造技术对其进行修复再制造，采用本发明的方法对其失效部位进行清理，具体实施过程如下：
(1)清除该失效模具表面的油污、灰尘、氧化皮以及一些外来会影响检测灵敏度的物质，磁化模具，施加磁粉进行磁粉检测，确定损伤位置和大小，最后进行退磁处理；
(2)根据检测的损伤部位的位置和大小，确定采用碳弧气刨去除的位置和刨槽宽度，气刨深度根据损伤部位的大小和深度确定，在损伤部位的深度基础上增加2-3mm以避免检测误差的影响，确保去除失效层；
(3)采用碳弧气刨去除待修复模具的失效层，采用直流反极性电源，碳棒直径为10mm，电流为1200A，刨削速度为0.8m/min，压缩空气压力为0.4Mpa，电弧长度为1mm，碳棒倾角为25°；
(4)采用搅拌摩擦加工设备进行气刨后模具表面的多道次搅拌摩擦加工，直到模具表面平整，所用搅拌头材料为钨铼合金，轴肩直径为16mm，搅拌针为锥台型无螺纹结构，搅拌针长度为5mm，下压量为0.3mm，焊接速度为80mm/min，搅拌头旋转速度为800r/min，整个加工工程中，使用氩气对加工位置进行保护；
该方法首先采用碳弧气刨对待修复模具进行处理，可以实现高效清除模具较深位置的失效部位。然而，碳弧气刨不可避免地会使清理部位产生沟槽和凹坑，如图1所示。后续采用多道次的搅拌摩擦加工技术对气刨后表面沟槽进行清理和平整，如图2所示，可以使得清理的部位的表面平整度明显提高。此外，还可以改善表面微观组织，提高待修复模具表面的强度和塑韧性。平整后的表面有效降低了三维扫描模型型腔的复杂程度，进而降低机器人成形轨迹规划的难度，提升其成形轨迹的可靠性。同时，较为平整的型腔表面利于改善电弧增材制造过程各层熔敷金属的成形形貌，避免崎岖不平的表面沟槽造成电弧长度不断变化而引起“跳弧”、“熄弧”现象，从而改善成形质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于模具增材再制造修复的失效部位清理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、根据待修复模具材料选用磁粉检测或荧光检测进行无损检测，检测待修复模具的缺陷或损伤部位的大小和深度；
步骤2、根据无损检测结果，采用碳弧气刨去除待修复模具的失效部位，气刨深度根据损伤部位的大小和深度确定，在失效部位的深度基础上增加2-3mm以避免检测误差的影响，确保去除失效层，碳弧气刨采用直流反极性电源，碳棒直径为8-18mm，碳棒直径比刨槽宽度小2mm左右，电流为1000A-1600A，若损伤部位深度较大，碳棒直径和电流也需相应增大，刨削速度0.5-1.2m/min，压缩空气压力为0.4-0.6Mpa，具体根据电流大小而定，电弧长度1-2mm，碳棒倾角为25°-45°；
步骤3、将气刨后的模具快速转移到指定工作台位置，使用搅拌摩擦加工装置清理和平整气刨产生的沟槽，改善微观组织，搅拌头材料选用钨铼合金，轴肩直径为8-30mm，具体直径根据待修复模具及其型腔大小选定，搅拌针为锥台型无螺纹结构，搅拌针长度和下压量根据气刨沟槽深度选定，加工速度为50-80mm/min，搅拌头旋转速度为600-800r/min，整个加工过程中，使用氩气对加工位置进行保护。
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