CN115846686A - 一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法，属于栅格舵制造技术领域。本发明根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型；将所述三维实体模型进行切片处理得到二维切片图形，将所述二维切片图形分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行增材制造，得到栅格舵毛坯；对所述栅格舵毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。本发明使用分区增材制造的方法进行栅格舵的制造，可以根据零件尺寸灵活设计分区数量、排列方式、范围大小，加工适用性强，通过增加分区数量，可以减小分区打印面积，有效降低热应力与变形，仅需增加热源与送丝装置可以实现加工效率倍数式的提升，大大缩短了生产周期。

Description

一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法

技术领域

本发明涉及栅格舵制造技术领域，尤其涉及一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法。

背景技术

随着航天领域的飞速发展，运载火箭的发射需要逐渐提高。重复使用运载火箭能够有效回收火箭残骸，降低空间运输成本。栅格舵机构是一种常用于重复使用运载火箭的气动飞行姿态控制装置。在重复火箭再入返回过程中调控火箭姿态以及轨迹，确保火箭残骸能够落在指定区域。在火箭发射日益频繁的今天，对人员安全保障、箭体回收利用有着重要的意义。

栅格舵机构的气动舵面称为栅格舵，由边框及镶嵌在边框内的栅格壁组成。为满足气动控制需求，栅格壁的形状设计复杂多样，造成了栅格舵零件呈现多肋、形状复杂的特征。同时栅格舵为满足回收需要常使用钛合金等耐高温材料制造，难以进行机械加工，大大提升了制造难度。

栅格舵常使用的制造方法包括整体机械加工、拼焊成形、融模铸造、增材制造方式。金属增材制造又称作金属3D打印，常使用金属丝材或者金属粉材为原材料，通过熔融沉积或者选区融化方法进行材料的逐层堆积，能够有效实现复杂形状零件的近净成形。增材制造能够有效实现栅格的净成形且过程可控，后续加工余量，能够有效减少材料浪费，简化工艺流程，降低成本，是一种经济有效的栅格舵制造方式。

但是已经广泛应用的一些金属增材制造方法，如激光熔融沉积(LDM)、激光选区融化(SLM)、电子束选区融化(SEBM)等对于栅格舵的制造仍存在一定局限性。首先其普遍存在成形效率低、制造周期长的问题。同时激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(SEBM)使用金属粉材为原材料，还存在材料成本高、利用率低的问题。此外，金属增材制造属于热加工，在类栅格舵的复杂形状薄壁零件制造过程中热应力积累与变形显著，难以调控。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法。本发明的方法实现了栅格舵复杂多肋结构的制造，减轻热应力与变形的同时，提高了成形效率，降低了栅格舵的制造周期。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法，包括以下步骤：

根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型；

将所述三维实体模型进行切片处理，得到二维切片图形；

将所述二维切片图形进行分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行丝材增材制造，得到栅格舵毛坯；

对所述栅格舵毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。

优选地，所述分区并行丝材增材制造的热源为TIG焊枪。

优选地，所述分区并行丝材增材制造使用的丝材在使用前还包括进行预热，所述预热使用电阻热电源。

优选地，所述分区并行丝材增材制造包括以下步骤：

提供栅格舵对应材料金属丝材以及基板；

将各分区区域与增材路径导入丝材增材制造设备的CNC系统中，设计所属各分区的制造参数，将丝材送入各分区热源下方融化，按照路径移动热源和送丝装置在基板上进行逐层堆积。

优选地，所述分区并行丝材增材制造时，均含有独立的焊枪、送丝和预热装置。

优选地，所述制造参数包括热输入参数、送丝速度、扫描速度和沉积路径，所述沉积路径在各分区同时运行的过程中，所述丝材增材制造设备相互不产生干涉。

优选地，所述基板在使用前利用焊枪进行预热。

优选地，所述分区处理后的样品尺寸不超过丝材增材制造的设备分区工作范围。

优选地，所述分区处理的分区数量大于4。

本发明提供了一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法，包括以下步骤：根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型；将所述三维实体模型进行切片处理，得到二维切片图形；将所述二维切片图形进行分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行丝材增材制造，得到栅格舵毛坯；对所述栅格舵毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。

本发明使用分区并行丝材增材制造的方法进行栅格舵的制造，可以根据零件尺寸灵活设计分区数量、排列方式、范围大小，加工适用性强，通过增加分区数量，可以减小分区打印面积，有效降低热应力与变形，仅需增加热源于送丝装置可以实现加工效率倍数式的提升，大大缩短了生产周期。

进一步地，本发明中丝材增材制造的热源为TIG焊枪，使用了电弧增材制造(WAAM)方法进行栅格舵的加工制造，减少了材料的浪费，简化了工艺流程，进一步降低了成本。

附图说明

图1为实施例1中切片横截面示意图；

图2为实施例1中分区A～F的示意图；

图3为焊枪与送丝装置示意图，其中1为TIG焊枪，2为送丝管，3为丝材，4为熔池；

图4～12分别为各分区不同的沉积路径示意图；

图13为栅格处熔道的搭接沉积路径示意图；

图14为栅格处的变厚度薄壁沉积路径示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法，包括以下步骤：

根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型；

将所述三维实体模型进行切片处理，得到二维切片图形；

将所述二维切片图形进行分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行丝材增材制造，得到栅格舵毛坯；

对所述栅格舵毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。

在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。

本发明根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型。

本发明对所述建立三维实体模型的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

得到三维实体模型后，本发明将所述三维实体模型进行切片处理，得到二维切片图形。

在本发明中，所述切片处理优选根据设计好的层高从下往上划分。

在本发明中，所述切片的厚度优选等于工艺参数理论层高，优选不低于1mm。

得到二维切片图形后，本发明将所述二维切片图形进行分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行丝材增材制造，得到栅格舵毛坯。

在本发明中，所述分区处理的分区数量优选大于4，更优选为6。

在本发明中，所述分区处理是每个切片单独处理，根据切片形状和焊枪工作范围进行设计。

在本发明中，所述分区处理后的样品尺寸优选不超过丝材增材制造的设备分区工作范围。

在本发明中，所述分区处理后的样品尺寸优选与所述栅格舵的尺寸相适应。

在本发明中，所述分区并行丝材增材制造的热源优选为TIG焊枪。

在本发明中，所述分区并行丝材增材制造使用的丝材在使用前优选还包括进行预热，所述预热优选使用电阻热电源。本发明对所述预热的具体参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

在本发明中，所述分区并行丝材增材制造优选包括以下步骤：

提供栅格舵对应材料金属丝材以及基板；

将各分区区域与增材路径导入丝材增材制造设备的CNC系统中，设计所属各分区的制造参数，将丝材送入各分区热源下方融化，按照路径移动热源和送丝装置在基板上进行逐层堆积。

本发明对所述丝材的具体材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材质即可，具体的如TA15钛合金。

在本发明中，所述基板的材质优选为TA15钛合金。

在本发明中，所述基板在使用前优选进行预热。本发明对所述预热的具体参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

在本发明中，所述分区并行丝材增材制造时，均优选含有独立的焊枪、送丝和预热装置。

在本发明中，所述制造参数优选包括热输入参数、送丝速度、扫描速度和沉积路径，所述沉积路径在各分区同时运行的过程中，所述丝材增材制造设备优选相互不产生干涉。

在本发明中，所述制造参数中除沉积路径外，其他参数优选保持一致，否则应保证参数匹配满足层高统一。

在本发明中，所述逐层堆积的过程中根据成形需要对工艺参数进行临时调整。

得到毛坯后，本发明对所述毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。

本发明对所述热处理的具体参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

热处理完成后，本发明优选还包括进行减材加工，本发明对所述减材加工的具体参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的栅格舵的分区并行丝材增材制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种栅格舵的分区并行丝材增材制造方法，包括以下步骤：

设计栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型。

根据设计好的层高将三维实体模型进行切片，并分别对得到的沉积层切片进行分区处理，导入丝材增材制造设备的控制系统中，具体过程如下：将三维实体模型进行切片处理，与栅格舵模型横截面基本一致，切片如图1所示，将沉积层划分为6个大小各异的分区A～F，如图2所示。各分区大小均在所使用的多弧并行WAAM设备工作范围内。

设计好各分区制造的工艺参数，包括热输入参数、送丝速度、扫描速度、沉积路径，具体过程如下：各分区使用相同的钛合金薄壁成形工艺进行打印，使各分区熔道形貌基本保持统一。各分区焊枪与送丝装置示意如图3所示，TIG焊枪1使用电弧为热源，采用直流脉冲电源，减小焊机电流平均值，降低焊件的平均热输入，有利于得到均匀稳定的内部组织，从而获得更好的力学性能。丝材3使用电阻热电源进行预热，电源正极通过送丝管2处铜管相连，负极与基板固连，当送丝过程中丝材戳入熔池4时形成回路，丝材在电阻热电源作用下迅速升温，从而降低了焊枪所提供的热输入需求，从而减轻热变形并获得均匀细化的组织与更好的力学性能。本实施例使用的具体工艺参数如表1所示。各分区沉积路径规划应保证运行过程中焊枪、送丝轮等设备不产生干涉。图4～12展示了各分区的沉积路径的规划方案。各分区沉积路径采用从上到下、从左到右、从内到外的设计原则，使各焊枪相对间距变化在安全范围内。

各分区沉积路径规划应满足成形精度的要求，本实例中栅格舵成形的主要技术难点在于栅格处熔道的搭接以及肋板状薄壁的厚度变化。两种零件特征处的沉积路径如图13与图14所示。其中带箭头的实线代表沉积路径，无箭头实线代表融道轮廓。栅格处搭接采用平行融道搭接，保留加工余量的同时防止材料堆积导致怼丝现象发生。除栅格处以外的融道搭接采用相同融道间距，原理相似，这里不做赘述。变厚度薄壁的成形采用纺织型沉积路径，通过改变路径幅度来改变薄壁厚度。

按照成形路径进行各分区的逐层沉积，在沉积过程中观察效果并对参数进行及时调整，以防止缺陷的产生。完成沉积后对成形的毛坯进行热处理、减材加工以达到尺寸要求。

在本实例中，在进行沉积前，使用焊枪对钛合金基板进行了预热。样件底部沉积层由于靠近基板，散热路径与上部沉积层存在差异，底部散热快，冷却快，熔道尺寸窄、熔道更高；上部散热相对慢，且存在热积累，熔道尺寸宽、熔道高度小。为减小不同沉积层因散热差异导致的宏观尺寸、组织差异，在第一层沉积前使用同样路径进行扫描同时不送丝的方法进行预热，以保证沉积层与基板连接质量。本实例使用的具体预热参数如表2所示。

表1栅格舵电弧增材制造沉积层工艺参数

表2钛合金基板预热参数

本发明采用分区并行方式进行栅格舵的WAAM增材制造，使用电弧增材制造降低成本的同时，通过将加工区域划分为若干分区，倍数式地提高了打印效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种栅格舵的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据栅格舵零件的具体形状，建立三维实体模型；

将所述三维实体模型进行切片处理，得到二维切片图形；

将所述二维切片图形进行分区处理，并对每个分区进行路径规划，进行分区并行丝材增材制造，得到栅格舵毛坯；

对所述栅格舵毛坯进行热处理，得到所述栅格舵。

2.根据权利要求1所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区并行丝材增材制造的热源为TIG焊枪。

3.根据权利要求1或2所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区并行丝材增材制造使用的丝材在使用前还包括进行预热，所述预热使用电阻热电源。

4.根据权利要求1所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区并行丝材增材制造包括以下步骤：

提供栅格舵对应材料金属丝材以及基板；

将各分区区域与增材路径导入丝材增材制造设备的CNC系统中，设计所属各分区的制造参数，将丝材送入各分区热源下方融化，按照路径移动热源和送丝装置在基板上进行逐层堆积。

5.根据权利要求1或4所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区并行丝材增材制造时，均含有独立的焊枪、送丝和预热装置。

6.根据权利要求4所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述制造参数包括热输入参数、送丝速度、扫描速度和沉积路径，所述沉积路径在各分区同时运行的过程中，所述丝材增材制造设备相互不产生干涉。

7.根据权利要求4所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述基板在使用前利用焊枪进行预热。

8.根据权利要求1所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区处理后的样品尺寸不超过丝材增材制造的设备分区工作范围。

9.根据权利要求1或8所述的分区并行丝材增材制备方法，其特征在于，所述分区处理的分区数量大于4。

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