CN115625250A - 一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法，校形装置包括：液力成型模具和密封机构，密封机构设置有两个且分别位于成型腔的两侧，密封机构包括密封冲头，密封冲头与成型腔相适配，密封冲头侧面中部开设有高压流体异型通道，高压流体异型通道与管坯内腔连通，密封冲头端面设置有卡接组件，卡接组件与管坯端部抵接，密封冲头的端部通过高压流体异型通道连通设置有液压换向回路。本发明为解决现有管材液力成形技术无法对复杂空心构件内表面进行光整加工的问题提供了一种可行方法。同时，增材制造空心构件在两种工艺的复合作用下，不仅增强了构件整体力学性能，降低回弹量，还改善了其尺寸精度和表面精度。
Description
技术领域
本发明涉及管材液力成形技术和磨料流加工技术领域，特别是涉及一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法。
背景技术
随着高能束技术的发展以及对轻量化复杂空心构件需求的日益增长，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。然而，正因为增材制造件由逐层堆叠的工艺制造而成，使得复杂空心构件内表面粗糙且光整加工困难，进而导致应力集中，引发裂纹，降低构件疲劳强度等问题。
针对上述增材制造中存在的问题，工程上一般采用黏弹性挤压磨料流加工、磨粒水射流光整加工等表面精加工方法来提高构件的表面精度，利用强粘性磨粒流挤压冲蚀或高压高速磨粒流喷射工件表面，借助磨粒产生的柔性动态微刃切削作用实现光整加工。但是由于高黏度磨料和射流的直线特性，使得这两种表面精加工方式无法与小尺寸复杂空心构件内表面形成的良好共形接触和均匀加工效果。并且高黏度磨料流经复杂形态结构时产生的强阻力会造成结构边缘“过抛”或破坏薄壁形态。
为此，提出基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法，来解决传统磨料流加工技术和管材液力成形技术在复杂空心构件内表面光整加工过程中存在的局限性，实现高强度构件内表面的无工具化精密光整加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法，以解决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：本发明提供一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，包括压力机和设置在所述压力机输出端的校形装置，所述校形装置内设置有管坯，所述校形装置包括：
液力成型模具，所述液力成型模具包括压制上模和压制下模，所述压制上模和所述压制下模分别与所述压力机的两个输出端固接，所述压制上模和所述压制下模之间开设有成型腔，所述管坯设置在所述成型腔内；
密封机构，所述密封机构设置有两个且分别位于所述成型腔的两侧，所述密封机构包括密封冲头，所述密封冲头与所述成型腔相适配，所述密封冲头侧面中部开设有高压流体异型通道，所述高压流体异型通道与所述管坯内腔连通，所述密封冲头端面设置有卡接组件，所述卡接组件与所述管坯端部抵接，所述密封冲头的端部通过所述高压流体异型通道连通设置有液压换向回路。
优选的，所述压制上模底面和所述压制下模的顶面分别开设有异形截面凹槽，两所述异形截面凹槽组成所述成型腔，所述管坯外壁与所述成型腔内壁相适配，所述成型腔的两侧分别开设有过渡腔，所述过渡腔内壁与所述密封冲头外壁抵接。
优选的，所述密封冲头一侧设置有内部导向段，所述内部导向段与所述过渡腔过渡配合设置，所述卡接组件设置在所述过渡腔的侧面。
优选的，所述卡接组件包括环形槽，所述环形槽内壁底部固接有橡胶密封垫片，所述环形槽内壁底部侧壁上开设有密封槽，所述密封槽内固接有Y型密封圈，所述Y型密封圈内壁与所述管坯外壁抵接，所述管坯端面与所述橡胶密封垫片抵接。
优选的，所述高压流体异型通道贯穿所述密封冲头与所述管坯内腔连通，所述密封槽与所述高压流体异型通道之间形成外部导向段，所述外部导向段外壁与所述管坯内壁滑动接触。
优选的，所述液压换向回路包括油箱，所述油箱通过连通管道连通设置有出油管道，所述出油管道的两端分别通过第一单向阀连通设置有两校形管道，所述连通管道上设置有第一过滤器，两所述校形管道的一端连通设置有同一双向变量液压泵，两所述校形管道的另一端分别与两所述高压流体异型通道连通，两所述校形管道上分别设置有第二过滤器，所述出油管道通过连接管道连通设置有进油管道，所述进油管道的两端分别通过第二单向阀与两所述校形管道连通，所述连接管道上设置有先导式溢流阀。
优选的，所述管坯为蜂窝型空心构件，所述管坯两端设置为中空加工段且通过增材制造技术打印而成。
一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形方法，包括如下步骤：
步骤一：根据管坯外形确定成型腔内部结构，进而确定液力成型模具；根据管坯端部的中空加工段尺寸确定卡接组件结构；
步骤二：根据管坯尺寸计算液力成形时管坯所需的整形压力；
步骤三：将管坯装配于压制下模中，驱动压力机使压制下模下行，压制上模与压制下模形成的闭合空间，使管坯近似贴模；
步骤四：两侧密封冲头同时向管坯进给，使管坯内部形成密封空间；
步骤五：通过高压流体异型通道将液压换向回路中的高压流体介质注入到管坯中，并按照设定的内压加载路径进行加载，直至依次完成低压磨削和高压整形工序；
步骤六：卸载内压，密封冲头后退，压制上模回程，取出管坯。
优选的，步骤二中，测量管坯的壁厚以及最小圆角半径；所述管坯整形压力由公式
确定，其中p为初始整形压力，t为管坯壁厚，r为管坯圆角半径，σs为管坯流动应力。
优选的，步骤五中所述液压换向回路对管坯内腔进行充压，并利用双向变量泵改变供油方向来实现磨料低压往复磨削；且步骤五中所述高压流体介质为液—固两相流体。
本发明公开了以下技术效果：本发明使增材制造空心零件在低压磨削阶段，依靠软性磨料产生的湍流壁面效应对零件内壁面进行往复微切削，可去除“台阶效应”、“球化效应”和粉末粘附造成的缺陷层，并减少零件表面残余应力，进而达到改善零件尺寸精度和内表面光洁度的效果。同时，随着内压的继续加载，当增材制造空心零件处于高压整形阶段时，由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，零件的外轮廓与预期型腔完成校形贴合，不仅有效增强了该零件整体力学性能，且降低其回弹量。本发明设计合理、工艺简单、控制稳定，有效解决了传统磨料流加工技术和管材液力成形技术在复杂空心构件内表面光整加工过程中存在的局限性，同时可相对降低增材制造成形管坯的打印精度，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。
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为本发明中橡胶密封垫的结构示意图；
图3为本发明中橡胶密封垫的剖视图
图4为本发明中Y型密封圈的结构示意图；
图5为本发明中Y型密封圈的剖视图；
图6为本发明中管坯的结构示意图
图7为本发明中密封冲头的结构示意图；
图8为本发明中液压换向回路原理图；
图9为本发明液力成形初始状态示意图；
图10为本发明图9中A-A的剖视图；
图11为本发明压制上模和压制下模合模状态示意图
图12为本发明液力成形过程示意图；
图13为本发明扭转异型截面增材制造构件示意图；
图14为本发明扭转异型截面增材制造构件的侧视图；
其中，1、压制上模；2、密封冲头；2-1、内部导向段；2-2、外部导向段；3、高压流体异型通道；4、压制下模；5、橡胶密封垫片；6、Y型密封圈；7、管坯；8、扭转异型截面增材制造构件；9、油箱；10、出油管道；11、第一单向阀；12、校形管道；13、第一过滤器；14、双向变量液压泵；15、第二过滤器；16、连接管道；17、进油管道；18、第二单向阀；19、先导式溢流阀。
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。
实施例1
参照图1-14，本发明提供一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，包括压力机和设置在所述压力机输出端的校形装置，所述校形装置内设置有管坯7，所述校形装置包括：
液力成型模具，所述液力成型模具包括压制上模1和压制下模4，所述压制上模1和所述压制下模4分别与所述压力机的两个输出端固接，所述压制上模1和所述压制下模4之间开设有成型腔，所述管坯7设置在所述成型腔内；
密封机构，所述密封机构设置有两个且分别位于所述成型腔的两侧，所述密封机构包括密封冲头2，所述密封冲头2与所述成型腔相适配，所述密封冲头2侧面中部开设有高压流体异型通道3，所述高压流体异型通道3与所述管坯7内腔连通，所述密封冲头2端面设置有卡接组件，所述卡接组件与所述管坯7端部抵接，所述密封冲头2的端部通过所述高压流体异型通道3连通设置有液压换向回路。
常规增材制造构件未经过铸造、锻压等工艺处理，表面粗糙且存在局部波纹、未熔化粉末。这种粗糙表面易导致应力集中，引发裂纹，降低零件的疲劳强度。并且增材制造构件存在温度梯度，易发生翘曲变形，导致其力学性能不高。本发明提供的基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置与方法，使增材制造空心零件在低压磨削阶段，依靠软性磨料产生的湍流壁面效应对零件内壁面进行往复微切削，可去除“台阶效应”、“球化效应”和粉末粘附造成的缺陷层，并减少零件表面残余应力，进而达到改善零件尺寸精度和内表面光洁度的效果。同时，随着内压的继续加载，当增材制造空心零件处于高压整形阶段时，由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，零件的外轮廓与预期型腔完成校形贴合，不仅有效增强了该零件整体力学性能，且降低其回弹量。本发明设计合理、工艺简单、控制稳定，有效解决了传统磨料流加工技术和管材液力成形技术在复杂空心构件内表面光整加工过程中存在的局限性，同时可相对降低增材制造成形管坯7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。液力成型模具为分体式结构且包括对应设置的压制上模1和压制下模4，压制上模1和压制下模4上之间构成成型腔；压制上模1和压制下模4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1和压制下模4和开启以及闭合，方便放置以及卸载管坯7。密封机构连接于液压换向回路，密封组机构用于对所述管坯7两端轴向进给密封。
进一步优化方案，所述压制上模1底面和所述压制下模4的顶面分别开设有异形截面凹槽，两所述异形截面凹槽组成所述成型腔，所述管坯7外壁与所述成型腔内壁相适配，所述成型腔的两侧分别开设有过渡腔，所述过渡腔内壁与所述密封冲头2外壁抵接。
设置的两个异形槽组成成型腔，用于管材的放置。
进一步优化方案，所述密封冲头2一侧设置有内部导向段2-1，所述内部导向段2-1与所述过渡腔过渡配合设置，所述卡接组件设置在所述过渡腔的侧面。
设置的内部导向段2-1与过渡腔进行配合，实现了对密封冲头2的限位效果。
进一步优化方案，所述卡接组件包括环形槽，所述环形槽内壁底部固接有橡胶密封垫片5，所述环形槽内壁底部侧壁上开设有密封槽，所述密封槽内固接有Y型密封圈6，所述Y型密封圈6内壁与所述管坯7外壁抵接，所述管坯7端面与所述橡胶密封垫片5抵接。
设置的Y型密封圈6和设置的橡胶密封垫片5与管坯7的中空加工段外壁抵接，实现密封。
进一步优化方案，所述高压流体异型通道3贯穿所述密封冲头2与所述管坯7内腔连通，所述密封槽与所述高压流体异型通道3之间形成外部导向段2-2，所述外部导向段2-2外壁与所述管坯7内壁滑动接触。
设置的外部导向段2-2、Y型密封圈6和设置的橡胶密封垫片5共同作用，实现对管材的密封。
进一步优化方案，所述液压换向回路包括油箱9，所述油箱9通过连通管道连通设置有出油管道10，所述出油管道10的两端分别通过第一单向阀11连通设置有两校形管道12，所述连通管道上设置有第一过滤器13，两所述校形管道12的一端连通设置有同一双向变量液压泵14，两所述校形管道12的另一端分别与两所述高压流体异型通道3连通，两所述校形管道12上分别设置有第二过滤器15，所述出油管道10通过连接管道16连通设置有进油管道17，所述进油管道17的两端分别通过第二单向阀18与两所述校形管道12连通，所述连接管道16上设置有先导式溢流阀19。
设置的油箱9由于提供液—固两相流体，通过设置的第一单向阀11、第二单向阀18和先导式溢流阀19实现双向变量泵改变供油方向来实现磨料低压往复磨削，设置的第一过滤器13和第二过滤器15用于对液—固两相流体内的磨削碎料进行过滤。
进一步优化方案，所述管坯7为蜂窝型空心构件，所述管坯7两端设置为中空加工段且通过增材制造技术打印而成。
管坯7为蜂窝型空心构件，其两端的中空加工段通过增材制造技术打印而成，便于密封组件形成可靠密封
一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形方法，包括如下步骤：
以2024铝合金增材制造空心构件为例，目标构件截面宽度为42.40mm，高度为17.48mm，壁厚为t＝1.2mm。
步骤一：根据目标构件壁厚确定所述初始管坯7壁厚，目标构件壁厚要求为1.2mm，因低压磨削过程中管坯7壁厚减小，因此选择壁厚大于1.2mm的增材制造空心构件作为初始管坯7；
步骤二：根据初始管坯7的壁厚与最小圆角半径计算液力成形时管坯7所需整形压力，初始管坯7最小圆角半径为6mm，壁厚为t＝1.2mm，径厚比r/t为5，所述径厚比越小，整形压力越大。2024铝合金增材制造空心构件整形时材料流动应力为σs＝325MPa，因此根据公式计算得到该管坯7所需的整形压力应高于的65MPa；
步骤三：将管坯7装配于液力成型模具中，模具下行，压制上模1与压制下模4形成的闭合空间，使管坯77近似贴模；
步骤四：两侧密封冲头2同时向管坯7进给，使管坯7内部形成密封空间；
步骤五：通过密封机构将液压换向回路中的高压流体介质注入到管坯7中，并按照设定的内压加载路径进行加载，直至依次完成低压磨削和高压整形工序；
步骤六：卸载内压，密封冲头2后退，压制上模1回程，取出构件。
进一步优化方案，步骤二中，测量管坯7的壁厚以及最小圆角半径；所述管坯7整形压力由公式
确定，其中p为初始整形压力，t为管坯7壁厚，r为管坯7圆角半径，σs为管坯7流动应力。
进一步优化方案，步骤五中所述液压换向回路对管坯7内腔进行充压，并利用双向变量泵改变供油方向来实现磨料低压往复磨削；且步骤五中所述高压流体介质为液—固两相流体。
实施例2
步骤一中所述初始管坯7选用扭转异型截面增材制造构件8，步骤三中所述压制上模1、压制下模4选用合模型腔与扭转异型截面增材制造构件8相贴合的模具，步骤四中所述任意一侧密封冲头2的偏转角度应与扭转异型截面增材制造构件8的扭转角度相同，以确保管坯7内部形成可靠密封，其他与实施例2相同。
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)
1.一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，包括压力机和设置在所述压力机输出端的校形装置，所述校形装置内设置有管坯(7)，其特征在于，所述校形装置包括：
液力成型模具，所述液力成型模具包括压制上模(1)和压制下模(4)，所述压制上模(1)和所述压制下模(4)分别与所述压力机的两个输出端固接，所述压制上模(1)和所述压制下模(4)之间开设有成型腔，所述管坯(7)设置在所述成型腔内；
密封机构，所述密封机构设置有两个且分别位于所述成型腔的两侧，所述密封机构包括密封冲头(2)，所述密封冲头(2)与所述成型腔相适配，所述密封冲头(2)侧面中部开设有高压流体异型通道(3)，所述高压流体异型通道(3)与所述管坯(7)内腔连通，所述密封冲头(2)端面设置有卡接组件，所述卡接组件与所述管坯(7)端部抵接，所述密封冲头(2)的端部通过所述高压流体异型通道(3)连通设置有液压换向回路。
2.根据权利要求1所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述压制上模(1)底面和所述压制下模(4)的顶面分别开设有异形截面凹槽，两所述异形截面凹槽组成所述成型腔，所述管坯(7)外壁与所述成型腔内壁相适配，所述成型腔的两侧分别开设有过渡腔，所述过渡腔内壁与所述密封冲头(2)外壁抵接。
3.根据权利要求2所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述密封冲头(2)一侧设置有内部导向段(2-1)，所述内部导向段(2-1)与所述过渡腔过渡配合设置，所述卡接组件设置在所述过渡腔的侧面。
4.根据权利要求3所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述卡接组件包括环形槽，所述环形槽内壁底部固接有橡胶密封垫片(5)，所述环形槽内壁底部侧壁上开设有密封槽，所述密封槽内固接有Y型密封圈(6)，所述Y型密封圈(6)内壁与所述管坯(7)外壁抵接，所述管坯(7)端面与所述橡胶密封垫片(5)抵接。
5.根据权利要求4所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述高压流体异型通道(3)贯穿所述密封冲头(2)与所述管坯(7)内腔连通，所述密封槽与所述高压流体异型通道(3)之间形成外部导向段(2-2)，所述外部导向段(2-2)外壁与所述管坯(7)内壁滑动接触。
6.根据权利要求5所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述液压换向回路包括油箱(9)，所述油箱(9)通过连通管道连通设置有出油管道(10)，所述出油管道(10)的两端分别通过第一单向阀(11)连通设置有两校形管道(12)，所述连通管道上设置有第一过滤器(13)，两所述校形管道(12)的一端连通设置有同一双向变量液压泵(14)，两所述校形管道(12)的另一端分别与两所述高压流体异型通道(3)连通，两所述校形管道(12)上分别设置有第二过滤器(15)，所述出油管道(10)通过连接管道(16)连通设置有进油管道(17)，所述进油管道(17)的两端分别通过第二单向阀(18)与两所述校形管道(12)连通，所述连接管道(16)上设置有先导式溢流阀(19)。
7.根据权利要求6所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于：所述管坯(7)为蜂窝型空心构件，所述管坯(7)两端设置为中空加工段且通过增材制造技术打印而成。
8.一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形方法，根据权利要求7所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据管坯(7)外形确定成型腔内部结构，进而确定液力成型模具；根据管坯(7)端部的中空加工段尺寸确定卡接组件结构；
步骤二：根据管坯(7)尺寸计算液力成形时管坯(7)所需的整形压力；
步骤三：将管坯(7)装配于压制下模(4)中，驱动压力机使压制下模(4)下行，压制上模(1)与压制下模(4)形成的闭合空间，使管坯(7)近似贴模；
步骤四：两侧密封冲头(2)同时向管坯(7)进给，使管坯(7)内部形成密封空间；
步骤五：通过高压流体异型通道(3)将液压换向回路中的高压流体介质注入到管坯(7)中，并按照设定的内压加载路径进行加载，直至依次完成低压磨削和高压整形工序；
步骤六：卸载内压，密封冲头(2)后退，压制上模(1)回程，取出管坯(7)。
9.根据权利要求8所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形方法，其特征在于：步骤二中，测量管坯(7)的壁厚以及最小圆角半径；所述管坯(7)整形压力由公式
确定，其中p为初始整形压力，t为管坯(7)壁厚，r为管坯(7)圆角半径，σs为管坯(7)流动应力。
10.根据权利要求8所述的一种基于磨料流加工的增材制造空心构件校形方法，其特征在于：步骤五中所述液压换向回路对管坯(7)内腔进行充压，并利用双向变量泵改变供油方向来实现磨料低压往复磨削；且步骤五中所述高压流体介质为液—固两相流体。
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| CN111974866A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-11-24 | 佛山市永恒液压机械有限公司 | 一种用于双卡卡压管成型的模具 |
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