一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高能束加工技术领域，尤其是涉及一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法。
【背景技术】
[0002]高能束选区熔化技术是一种先进的增材制造技术，先以计算机设计目标零件模型，再将该模型以软件分层，获取零件截面信息，逐层叠加后控制高能束流根据截面信息逐层熔化金属粉末，如此层层堆积，最后制得目标零件。高能束选区熔化技术无需制造模具便可快速直接得到任意复杂形状的金属零件，是解决复杂技术零件制造，缩短生产周期，提高生产率和降低生产成本的有效途径。高能束也称高能束流，如激光束、电子束、等离子束等。现如今，用于增材制造的高能束流主要有电子束与激光束两种，受到能量密度和材料特性限制，高能束选区熔化成形的分层制造工艺为了通过一次性扫描完成材料的熔化成形，只能逐点或分块加热，材料粉末或金属丝也只能逐点或分区被熔化。目前，高能束选区熔化技术采用的逐点或分块扫描熔化方式，零件不同形状部位的受热不一致，容易引起材料受热不均匀，熔化凝固过程容易产生热应力；并且，当加工完成后，若零件内存在较大残余应力必将对其精度和力学性能产生不良影响，成形热应力严重时会导致零件内部缺陷和翘曲。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速设计出高能束选区熔化成形的熔化路径且设计出的熔化路径合理，工件加工精度高，工件各部位的受热均匀且力学性能优良。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0005]步骤一、待加工工件分层截面图像获取:获取待加工工件多个分层的分层截面图像，并将所获取的多个所述分层截面图像均存储在数据处理设备内；
[0006]多个所述分层由下至上布设且其呈平行布设，每个所述分层的层厚均与采用高能束选区熔化成形方法对所述待加工工件进行逐层熔化成形时的层厚相同；
[0007]每个所述分层的分层截面均为一个待加工区域，且每个所述分层截面图像均为一个所述待加工区域的图像；所述待加工区域为采用高能束进行选区熔化成形的区域，所述高能束为电子束、激光束或等离子束；
[0008]步骤二、轮廓线提取:采用所述数据处理设备且调用图像处理模块，提取出多个所述分层截面图像的轮廓线；每个所述分层截面图像的轮廓线均包括该分层截面图像的所有外轮廓线和所有内轮廓线，所述外轮廓线和内轮廓线均为封闭曲线；
[0009]步骤三、熔化路径填充:采用所述数据处理设备且调用路径填充模块，对步骤一中多个所述待加工区域分别进行熔化路径填充，获得多个所述待加工区域的高能束扫描路径；每个所述待加工区域的高能束扫描路径均包括表层扫描路径和内核扫描路径；多个所述待加工区域的熔化路径填充方法均相同，对任一个所述待加工区域进行熔化路径填充时，包括以下步骤:
[0010]步骤301、表层扫描路径填充:根据步骤二中提取出的当前所填充待加工区域的图像的轮廓线，对当前所填充待加工区域的表层扫描路径进行填充；当前所填充待加工区域的图像为当前处理图像；
[0011]所述表层扫描路径包括当前处理图像的所有轮廓线的扫描路线；
[0012]其中，当前处理图像中每条所述外轮廓线的扫描路线均包括一条沿该外轮廓线进行扫描的外轮廓扫描线和M条对该外轮廓扫描线进行M次向内缩进后获得的向内缩进扫描线，M条所述向内缩进扫描线均位于外轮廓扫描线内侧且其由外至内排列，相邻两条所述向内缩进扫描线之间以及外轮廓扫描线与M条所述向内缩进扫描线中位于最外侧的向内缩进扫描线之间的间距均为mXd，其中d为步骤一中所述高能束的束斑直径；m= l_e，e为高能束束斑的搭接率且0.5 < e < I ;M为正整数且M ^ I ;所述外轮廓扫描线与M条所述向内缩进扫描线中位于最内侧的向内缩进扫描线之间的区域为当前所填充待加工区域的一个外轮廓扫描区域；
[0013]当前处理图像中每条所述内轮廓线的扫描路线均包括一条沿该内轮廓线进行扫描的内轮廓扫描线和M条对该内轮廓扫描线进行M次向外扩张后获得的向外扩张扫描线，M条所述向外扩张扫描线均位于内轮廓扫描线外侧且其由内至外排列，相邻两条所述向外扩张扫描线之间以及内轮廓扫描线与位于最内侧的向外扩张扫描线之间的间距均为mX d ;所述内轮廓扫描线与位于最外侧的向外扩张扫描线之间的区域为当前所填充待加工区域的一个内轮廓扫描区域；
[0014]当前所填充待加工区域的所有外轮廓扫描区域和所有内轮廓扫描区域组成当前所填充待加工区域的表层扫描区域；
[0015]步骤302、内核扫描区域确定:根据步骤301中当前所填充待加工区域的表层扫描区域，对当前所填充待加工区域的内核扫描区域进行确定；
[0016]当前所填充待加工区域中位于所述表层扫描区域内部的封闭区域为内层扫描区域，所述内核扫描区域位于所述内层扫描区域内且其与所述表层扫描区域之间的间隙为扫描间隙，所述扫描间隙的宽度为nXd且其所处的区域为间隙区域，其中η为间隙修正系数且0.5 < η < I ;当前所填充待加工区域的内核扫描区域和所述间隙区域组成所述内层扫描区域；
[0017]步骤303、内核扫描路径填充:在步骤302中所确定的当前所填充待加工区域的内核扫描区域内，对当前所填充待加工区域的内核扫描路径进行填充；
[0018]所述内核扫描路径包括填充于所述内核扫描区域内的多条内核扫描线，多条所述内核扫描线均呈平行布设且其由前至后进行布设，相邻两条所述内核扫描线之间的间距均SmXd ;所述内核扫描线为一条平直扫描线或通过所述内轮廓扫描区域分隔为由左至右位于同一直线上的多条所述平直扫描线；
[0019]步骤304、多次重复步骤301至步骤303，直至完成所述待加工工件的所有待加工区域的熔化路径填充过程。
[0020]上述一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征是:步骤一中将所获取的多个所述分层截面图像均存储在数据处理设备内时，按照多个所述分层由下至上的排列顺序，对多个所述分层截面图像由先至后分别进行存储；其中，多个所述分层位于最底部的分层的分层截面图像最先存储，且多个所述分层位于最上部的分层的分层截面图像最后存储。
[0021]上述一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征是:步骤二中对每个所述分层截面图像的轮廓线进行提取后，均需对所提取出的所有轮廓线的平面位置数据进行同步存储；每条所述轮廓线的平面位置数据均包括位于该条轮廓线上多个图像点的二维平面坐标数据。
[0022]上述一种高能束选区恪化成形的恪化路径设计方法，其特征是:步骤301中所述外轮廓扫描线、内轮廓扫描线、向内缩进扫描线和向外扩张扫描线均为表层扫描线；步骤301中进行表层扫描路径填充时，所述数据处理设备需对所有表层扫描线的平面位置数据进行同步存储；每条所述表层扫描线的平面位置数据均包括位于该条表层扫描线上多个图像点的二维平面坐标数据；
[0023]步骤303中进行内核扫描路径填充时，所述数据处理设备需对所有平直扫描线的平面位置数据进行同步存储；每条所述平直扫描线的平面位置数据均包括位于该条平直扫描线上多个图像点的二维平面坐标数据；
[0024]步骤303中内核扫描路径填充后，当前所填充待加工区域的所有表层扫描线的平面位置数据和所有平直扫描线的平面位置数据，组成当前所填充待加工区域的扫描路径信息;
[0025]步骤304中完成所述待加工工件的所有待加工区域的熔化路径填充过程后，所述数据处理设备将所有待加工区域的扫描路径信息输出。
[0026]上述一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征是:步骤301中进行表层扫描路径填充时，还需对所有外轮廓扫描线、所有内轮廓扫描线、所有向内缩进扫描线和所有向外扩张扫描线的扫描方向进行标注；
[0027]M条所述向内缩进扫描线中相邻两条所述向内缩进扫描线的扫描方向相反，所述外轮廓扫描线与M条所述向内缩进扫描线中位于最外侧的向内缩进扫描线的扫描方向相反;
[0028]每条所述内轮廓线的扫描路线中相邻两条所述向外扩张扫描线的扫描方向相反，且所述内轮廓扫描线与M条所述向外扩张扫描线中位于最内侧的向外扩张扫描线的扫描方向相反；
[0029]步骤303中进行内核扫描路径填充时，还需对所有内核扫描线的扫描方向进行标注；
[0030]相邻两条所述内核扫描线的扫描方向相反。
[0031]上述一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征是:步骤303中进行内核扫描路径填充时，还需对多条所述内核扫描线的扫描先后顺序进行标注；多条所述内核扫描线的扫描先后顺序为按照布设位置由前向后或由后向前进行逐条扫描。
[0032]上述一种高能束选区熔化成形的熔化路径设计方法，其特征是:步骤303中多条所述内核扫描线中位于最前侧的内核扫描线为前侧扫描线且位于最后侧的内核扫描线为后侧扫描线，多条所述内核扫描线中位于所述前侧扫描线与所述后侧扫描线之间的内核扫描线均为中间扫描线；
[0033]每条所述内核扫描线均按照扫描方向由前向后分为三个扫描节段，三个所述扫描节段由前向后分别为前部扫描段、中部扫描段和后部扫描段；
[0034]当多条所述内核扫描线的扫描先后顺序为按照布设位置由前向后进行逐条扫描时，所述前侧扫描线的后部扫描段为扫描转向段，所述后侧扫描线的前部扫