一种基于温度分布的复杂零件分区制造方法与流程

本发明属于电弧增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温度分布的复杂零件分区制造方法。

背景技术：

相比于增材制造的其他两种技术：激光增材制造技术与电子束增材制造技术，电弧熔积增材制造具有熔积效率高，制造成本低，冶金过程充分、金属适用性好的优点，但大型复杂零件受形状、性能要求、材料要求、表面质量等约束，不能一次成形，这对电弧增材制造在复杂大型零件的应用造成障碍。

在复杂结构零件的增材制造中，分层策略和路径规划是直接影响工件成形精度和打印效率的关键技术。目前，对于复杂零件，由于电弧长时间在某一区域内输入，导致局部温度过高而产生应力集中现场，继而使得零件变形和性能退化。

对于复杂零件，其受到形状、性能要求、材料要求、表面质量等多种约束，如若按照传统一层一次成形的方法，会导致部分区域由于路径复杂导致产生未融合缺陷，个别焊道由于长度过短而产生塌陷和搭接不良。相应地，本领域存在着发展一种质量较好的基于温度分布的复杂零件分区制造方法的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于温度分布的复杂零件分区制造方法，其基于现有电弧增材制造的特点，研究及设计了一种质量较好的基于温度分布的复杂零件分区制造方法。所述分区制造方法在多种约束条件下，避免因复杂路径而导致的未融合和搭接不良等缺陷，克服因温度过高而导致的应力集中而造成的零件变形，提高了零件质量及性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于温度分布的复杂零件分区制造方法，所述分区制造方法主要包括以下步骤：

(1)基于待制造零件的制造约束对待制造零件进行分层，并将每一层进行区域划分；

(2)根据分区形状进行填充路径规划，并确定每一分区的填充路径类型及方向；同时，对第一层的所有分区进行轮换热加载模拟，并将所有分区中变形量最小的分区作为初始制造分区；

(3)对当前层的初始制造分区进行熔积填充，每熔积制造完一个分区前，对当前层的剩余分区进行热成像扫描并计算剩余分区的温度分布，以选择未填充区域中分区平均温度最小的分区为下一个制造分区以继续进行熔积填充，直至当前层加工完成；

(4)重复步骤(3)以逐层加工直至待制造零件制造完成。

进一步地，每层分区的数量大于等于3，每个分区的面积大于等于1000mm²。

进一步地，被选定分区中距离温度最低点最近的起弧点为该选定分区的熔积开始点。

进一步地，单个起弧至息弧的焊道长度即为单次熔积长度，单次熔积长度大于等于30mm。

进一步地，若果当前分区单次熔积长度小于30mm时，则将对应的焊道合并至相邻焊道；如果当前分区所有焊道合并长度仍小于30mm，则将当前分区合并至相邻最小分区。

进一步地，采用的温度扫描测量仪器为红外热像仪，通过夹具将红外热像仪夹持在机床上，使得红外热像仪与机床同步运动。

进一步地，当前层其他分区的红外热像仪扫描及温度计算在上一分区制造完成前完成，以保证分区间无间隔制造。

进一步地，在第一层制造完成之前，以红外热像仪进行该层温度检测并进行温度计算，以确定剩余每一层分区平均温度最小的分区为该层的初始制造分区。

进一步地，进行温度计算时，忽略已熔积制造区域，以避免出现重复制造。

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，本发明提供的基于温度分布的复杂零件分区制造方法主要具有以下有益效果：

1.基于待制造零件的制造约束对待制造零件进行分层，并将每一层进行区域划分，对第一层的所有分区进行轮换热加载，并将所有分区中变形量最小的分区作为初始制造分区，如此在多种约束条件下，避免了因复杂路径而导致的未融合和搭接不良等缺陷，克服因温度过高而导致的应力集中而造成的零件变形，提高了零件质量及性能。

2.每熔积制造完一个分区前，对当前层的剩余分区进行热成像扫描并计算剩余分区的温度分布，以选择未填充区域中分区平均温度最小的分区为下一个制造分区以继续进行熔积填充，如此保证了分区间制造无间歇，提高了制造效率。

3.若果当前分区单次熔积长度小于30mm时，则将对应的焊道合并至相邻焊道；如果当前分区所有焊道合并长度仍小于30mm，则将当前分区合并至相邻最小分区，如此灵活调整，可以有效地提高制造效率及减少后续加工。

4.所述单个红外热像仪不能扫描整个区域时，可适当增加热像仪数量，在进行计算前对数据进行拼接，以保证数据的完整性。

附图说明

图1是本发明提供的基于温度分布的复杂零件分区制造方法的流程示意图。

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。

请参阅图1，本发明提供的基于温度分布的复杂零件分区制造方法，所述分区制造方法主要包括以下步骤：

步骤一，基于待制造零件的制造约束对待制造零件进行分层，并将每一层进行区域划分。

具体地，针对待制造零件的几何结构复杂、力学性能及表面质量等指标在不同区域要求存在差别的复杂零件，制造前对制件按照制造约束进行分层，每一层再按照形状特征经其他需求划分为若干分区，分区几何形状应尽量简单，保证分区填充轨迹简单，避免产生未熔合及搭接不良等缺陷。

本实施方式中，基于制造约束对零件进行分层，随后基于分层形状及其他需求(如性能要求、材料要求、表面质量等)将每一层划分区域，分区数量应大于三个，每个分区的面积应大于等于1000mm²。

步骤二，根据分区形状进行填充路径规划，并确定每一分区的填充路径类型及方向；同时，对第一层的所有分区进行轮换热加载模拟，并将所有分区中变形量最小的分区作为初始制造分区。

具体地，填充路径包括但不限于平面扫描、轮廓偏移扫描、骨架偏移扫描、螺旋线扫描和分形扫描等，单道熔积路径长度应大于30mm。其中，以模拟手段确定第一层初始制造分区并进行熔积填充，每熔积制造完一个分区，对剩余分区进行热成像扫描，计算剩余分区温度分布，选定未填充区域中分区平均温度最小的分区为下一阶段制造分区，被选定分区中距离温度最低点最近的起弧点为该选定分区熔积开始点，以此选定最佳制造顺序，直至第一层加工完成。

其中，根据不同的填充路径，单个起弧至息弧的焊道长度即为单次熔积长度，单次熔积长度不宜小于30mm；若果当前分区单次熔积长度小于30mm时，则将该焊道合并至相邻焊道；如果当前分区所有焊道合并长度仍小于30mm，则将当前分区合并至相邻最小分区；分区填充路径规划应该考虑几何形状要求，并考虑其他制造需求，以保证分区填充轨迹简单；红外热像仪的检测误差不超过2％；红外热像仪被采用夹具夹持在机床上，其与机床同步运动，以保证红外热像仪扫描区域坐标与零件分区坐标保证一致；如果单个红外热像仪不能扫描分层内所有分区，可以适当增加热像仪数量；当前层其他分区的红外热成像仪扫描及温度计算应当在上一分区制造完成前完成，以保证分区间无间隔制造；进行层间温度计算时，忽略已熔积制造区域，避免出现重复制造的问题。

步骤三，对当前层的初始制造分区进行熔积填充，每熔积制造完一个分区前，对当前层的剩余分区进行热成像扫描并计算剩余分区的温度分布，以选择未填充区域中分区平均温度最小的分区为下一个制造分区以接着进行熔积填充，直至当前层加工完成。

具体地，在第一层制造完成之前，以红外热像仪进行该层温度检测并进行温度计算，以确定每一层分区平均温度最小的分区为该层的初始制造分区。在每熔积制造完一个分区前，超前1秒就用红外热像仪对该层剩余分区进行热成像扫描，计算剩余分区的温度平均值，选定未填充区域中分区平均温度最小的分区为下一阶段制造分区，被选定分区中距离温度最低点最近的起弧点为该区熔积开始点，以此选定最佳分区制造顺序，整个检测、计算及反馈时间不超过1s，这样依次循环直至完成该层的制造。

步骤四，重复步骤三以逐层加工直至待制造零件制造完成。

本发明提供的基于温度分布的复杂零件分区制造方法，所述分区制造方法在力学性能及表面质量等约束条件下，对分层进行区域划分，分区几何形状应尽量简单，保证分区填充轨迹简单，避免产生未熔合及搭接不良等缺陷。

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。