异形零件的成形维修方法与流程

本发明涉及成形制造技术领域，尤其涉及一种异形零件的成形维修方法。

背景技术：

目前，机械设备中常采用形状不规则的异形零件(或构件)，该种异形零件的结构比较复杂，对精度要求较高，当零件出现裂纹或破损时，通常采取更换零件的方式，这种方法造成因零件报废而损失巨大，且更换零件需要较长的生产周期和较高的生产成本。

此外，现有技术中，对出现裂纹或破损的异形零件还可以采取以下两种维修方法进行维修：

1、复合粘接维修技术：此项技术是用一种有粘性的合成纤维覆盖于缺陷区域进行粘接强化。但此技术仅能针对于零件出现裂纹、尚未断裂的情况，对于已断裂成两件的零件不能进行修复，并且，该技术修复的多为轴类零件或者壳体类零件，应用范围窄。

2、堆焊修复技术：此项技术是通过在零件裂纹或磨损处进行堆焊，然后，经过打磨抛光以达到修复零件的目的。但此项技术仅能适用于零件裂纹或磨损处的修复，对已断裂成两件的零件不能进行修复，此外，该技术无法保证修复后的零件的形状与原有零件的形状一致。

综上，无论是复合粘接还是堆焊修复，都存在修复时间长、修复后的异形零件有变形、精度不能保证的缺点，造成人力、物力、财力的损失。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种异形零件的成形维修方法，其在异形零件维修过程中，将虚拟维修技术和激光增材制造技术相结合，确保维修后的异形零件的结构、性能与破损前的结构、性能相同，提高修复后异形零件 的性能和其与使用环境的匹配度，延长异形零件的使用周期，节约大量的人力、物力和财力，使得破损的异形零件的再利用率高，且维修周期短、维修效果好。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种异形零件的成形维修方法，其包括如下步骤：

分别建立异形零件的破损前模型和破损后的母材模型；

利用异形零件的破损前模型和母材模型，获得异形零件的子材模型；

在虚拟的激光熔融环境中，将异形零件的子材模型和母材模型虚拟熔融为一体，获得在虚拟熔融过程中所形成的虚拟焊缝性能符合标准时的虚拟激光熔融参数；

利用异形零件的子材模型，获得异形零件的子材；

利用激光熔融处理方法和所述虚拟激光熔融参数，将异形零件的子材和母材熔融为一体，以便完成对母材的维修。

其中，在虚拟的激光熔融环境中，将异形零件的子材模型和母材模型虚拟熔融为一体包括如下步骤：

在虚拟的激光熔融环境中，对所述子材模型和所述母材模型进行虚拟熔融连接，以获得虚拟维修后的虚拟异形零件；

根据虚拟异形零件，获得其虚拟参数，并对虚拟参数进行评估；

根据评估结果，确定是否需要对异形零件的母材进行维修。

其中，获得虚拟异形零件的虚拟参数、并对其虚拟参数进行评估包括如下步骤：

获得虚拟异形零件的包括其外形尺寸、硬度、耐磨度、表面粗糙度、力学参数、焊缝性能的虚拟参数；

将虚拟异形零件的虚拟参数与异形零件的相关参数进行比对。

其中，根据评估结果、确定需要对异形零件的母材进行维修包括如下步骤：

若虚拟异形零件的虚拟参数与异形零件的相关参数的比对结果符合要求，则获得符合要求的虚拟激光熔融参数；

若比对结果不符合要求，则对所述子材模型和所述母材模型进行再次或多次虚拟熔融连接，以获得符合要求的虚拟激光熔融参数。

其中，获得异形零件的子材是通过激光增材成形的方法。

进一步的，获得异形零件的子材模型之后、将异形零件的子材模型和母材模型虚拟熔融为一体之前，还包括对所述子材模型进行虚拟成形的步骤。

其中，对所述子材模型进行虚拟成形包括如下步骤：

对异形零件的所述子材模型进行分层切片处理，以便得到构成子材模型的多个切片单元的信息；

利用虚拟的激光增材方法和所述多个切片单元信息，形成异形零件的虚拟子材；

对虚拟子材进行评估，获得虚拟子材的性能达到要求时的激光熔融参数。

其中，对所述虚拟子材进行评估包括如下步骤：

获得所述虚拟子材的包括其外形尺寸、表面粗糙度、成型密度、材料性能、机械性能的虚拟性能参数；

将虚拟子材的虚拟性能参数与母材的相关参数进行比对。

其中，所述切片单元的信息包括切片单元的厚度及质量。

其中，所述利用异形零件的破损前模型和母材模型、获得异形零件的子材模型是通过如下步骤：

比对异形零件的破损前模型和母材模型，并对破损前模型和母材模型进行布尔运算，获得异形零件的子材模型。

与现有技术相比，本发明的异形零件的成形维修方法具有如下优点：

本发明的成形维修方法，将虚拟维修方法和真实的激光增材方法相结合对零件进行维修，且在维修之前就已经完成维修效果的评估，保证维修后成形的零件的结构与破损前零件的结构相同，使得维修后的零件的性能可以达到或者超过破损前零件的性能，从而提高零件的再利用率，且相对于更换零件来说，本发明维修方法的维修成本较低、维修周期短、维修效果好。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的异形零件的成形维修方法的维修流程图；

图2是适用于本发明的成形维修方法的叶片未破损前的破损前三维数字模型图；

图3是图2所示的叶片破损后的母材三维数字模型图；

图4是图2所示的叶片破损部的子材三维数字模型图；

图5是采用本发明的虚拟维修后形成的虚拟叶片的三维数字模型图。

具体实施方式

本发明提供一种异形零件损坏后、对损坏后的母材进行成形维修的方法，如图1所示，本发明的成形维修方法包括如下步骤：

分别建立异形零件的破损前模型和破损后的母材模型；

利用异形零件的破损前模型和母材模型，获得异形零件的子材模型；

在虚拟的激光熔融环境中，将异形零件的子材模型和母材模型虚拟熔融为一体，获得在虚拟熔融过程中所形成的虚拟焊缝性能符合标准时的虚拟激光熔融参数；

利用异形零件的子材模型，获得异形零件的子材；

利用激光熔融处理方法和虚拟激光熔融参数，将异形零件的子材和母材熔融为一体，以便完成对母材的维修。

其中，本发明的异形零件包括具有复杂结构、薄壁的零件，这些零件结构刚性差、形状不规则，多由复杂曲面组成，比如，叶片，而利用异形零件的子材模型、获得异形零件的子材是采用激光增材成形的方法(即，3D打印的方法)成形子材。

下面，仅以叶片为例，对本发明的对异形零件进行成形维修的方法进行描述。具体的，对叶片进行成形维修包括如下步骤：

S10、分别建立叶片的破损前模型1和破损后的母材模型2。

在叶片未破损之前，根据叶片的相关性能参数(如外形尺寸、材质等)，并利用现有的三维数字建模软件(如UG、CATIA、PROE、3DMAX等)，建立完整叶片的破损前三维数字模型(本文简称为破损前模型1)，该破损前模型1应包含叶片的全部外形尺寸，如图2所示。

当叶片磨损或断裂后，利用现有技术的机械加工方法对叶片破损后、其待维修部分(即叶片的母材)的断口处进行打磨处理，去除母材断口表面的氧化皮，使得肉眼看不见大块氧化皮，断口表面光滑。

利用与建立叶片的破损前模型1相同的三维数字建模软件，以经打磨处理后的母材为素材，建立叶片破损后的母材模型2，如图3所示。

S20、利用建立的叶片的破损前模型1和母材模型2，获得叶片的子材模型3。

通过比对叶片的破损前模型1和母材模型2，利用与上述相同的三维数字建模软件对破损前模型1和母材模型2进行布尔运算，可以获得如图4所示的叶片破损后形成的破损部(即子材)的模型(以下统称为子材模型3)。

S30、在虚拟的激光熔融环境中，将异形零件的子材模型3和母材模型2虚拟熔融为一体，获得在虚拟熔融过程中所形成的虚拟焊缝4性能符合标准时的虚拟激光熔融参数

S301、获得叶片的子材模型3之后，对子材模型3进行虚拟成形。

步骤1、利用分层软件(例如ANSYS软件)对叶片的子材模型3进行分层切片处理，将子材模型3分成多个切片单元，并得到每个切片单元的相关信息，如每个切片单元的厚度、质量、尺寸等信息。

步骤2、利用ANSYS软件中的虚拟激光增材方法和获得的多个切片单元信息，在虚拟环境下将多个切片单元依次叠层熔覆处理，生产出叶片的虚拟子材，并对生产虚拟子材的过程进行温度场和应力场分析。

步骤3、根据虚拟子材生产过程中的温度场、应力场分析及生产出的虚拟子材，对虚拟子材进行虚拟评估，评估包括如下步骤：

获得虚拟子材的包括其外形尺寸、表面粗糙度、成型密度、材料性能、机械性能等的虚拟性能参数；

将虚拟子材的上述虚拟性能参数与母材的相关参数进行比对；

若比对后，虚拟子材的上述虚拟性能参数达到母材相关参数的要求，则获得生产该虚拟子材时的激光熔融参数(包括激光功率、金属送分率、激光扫描速度、光斑直径等)；

若对比后，虚拟子材的上述虚拟性能参数未能达到母材相关参数的要求，则反复修改模拟生产虚拟子材时的激光熔融参数和虚拟子材的材料，直至生产出的虚拟子材的上述虚拟性能参数达到母材相关参数的要求，然后获得生产该虚拟子材时的激光熔融参数。

本发明在正式生产叶片的子材之前，先采用虚拟的激光增材方法生产叶片的 虚拟子材，并通过反复修改模拟过程中的激光熔融参数和虚拟子材的材料，以便得出具有良好机械性能的、达到母材参数要求的虚拟子材，从而获得生产该虚拟子材时的激光熔融参数和虚拟子材的材料，以便该激光熔融参数可以应用在实际的采用激光增材方法生产子材的过程中，节约实际生产子材的成本。

S302、对子材模型3进行虚拟成形、生产出虚拟子材后，将叶片的子材模型3和母材模型2虚拟熔融为一体，获得在虚拟熔融过程中所形成的虚拟焊缝4性能符合标准时的虚拟激光熔融参数。

在虚拟的激光熔融环境中(例如利用ANSYS软件)，对上述叶片的子材模型3和母材模型2进行虚拟熔融连接(即，进行虚拟维修)，以获得虚拟维修后的虚拟叶片1’。

根据虚拟叶片1’，获得其虚拟参数，该虚拟叶片1’的虚拟参数包括其外形尺寸、硬度、耐磨度、表面粗糙度、力学参数、焊缝4性能(如焊缝4的牢靠度和力学性能等)参数。

当获得虚拟叶片1’的虚拟参数后，将虚拟参数与真实叶片的上述相关参数进行一一比对评估，并根据评估结果，确定是否需要对叶片的母材进行维修。

其中，根据评估结果、确定需要对叶片的母材进行维修包括如下步骤：

若虚拟叶片1’的虚拟参数与真实叶片的相关参数比对后的比对结果符合要求，则获得符合要求的虚拟激光熔融参数；

若比对结果不符合要求，则在虚拟的激光熔融环境中、对子材模型3和母材模型2进行再次或多次的虚拟熔融连接(即，重复上述各步骤，如有需要，还可调整子材模型3的性能参数)，以便最后获得符合要求的虚拟激光熔融参数。

若根据评估结果、确定不需要对叶片的母材进行维修，则只能更换新的叶片。

本发明通过在虚拟的激光熔融环境中、对叶片的子材模型3和母材模型2进行虚拟熔融连接(即虚拟维修)形成虚拟叶片1’，并通过对虚拟叶片1’的相关参数(尤其是焊缝4质量，如焊缝4的牢靠度和力学性能)进行评估，得出对破损后叶片的母材进行维修后的质量，确定出是否需要对母材进行维修，并获得可以对母材进行维修时的虚拟激光熔融参数，而该虚拟激光熔融参数用于指导真实维修时，激光熔融处理时所需的参数。

S40、利用叶片的子材模型3，获得叶片的子材。

在真实环境中(即现实生产的环境中)，采用激光增材的方法，生产出叶片的子材。其中，真实生产子材时所涉及到的激光熔融参数，采用步骤S301中、生产出符合要求的虚拟子材时所采用的虚拟的激光熔融参数。

S50、在真实环境中，利用激光熔融处理方法和虚拟激光熔融参数，将叶片的子材和母材熔融为一体，以便完成对母材的维修。

在真实环境中，采用激光熔融处理的方法将叶片的子材和母材熔融为一体，如图5所示。其中，熔融子材和母材时所涉及到的激光熔融参数，采用步骤S302中、符合要求的虚拟激光熔融参数。

其中，在将母材与子材熔融为一体的过程中，利用现有技术中的具有同轴送分器的激光熔融设备将母材利用激光预热，然后将子材贴合于母材上、将母材和子材熔融连接在一起形成叶片，然后将叶片放在保护气体中冷却，完成对母材的维修。需要说明的是，将母材与子材熔融为一体的过程可以与现有技术中利用激光熔融设备将两个构件连接为一体的过程相同，在此不对其细节进行描述。

当对母材完成维修后，通过打磨、抛光等后处理工艺对维修后的叶片进行后续处理，以进一步完善维修，并进行最后的维修评价。

本发明的成形维修方法可以用于多个领域，如对精密机械重要部件的维修，如对文物的修复等，除了适用于异形零件的维修之外，也适用于具有简单形状零件的维修。

本发明的成形维修方法，将虚拟维修方法和真实的激光增材方法相结合对零件进行维修，且在维修之前就已经完成维修效果的评估，保证维修后成形的零件的结构与破损前零件的结构相同，使得维修后的零件的性能可以达到或者超过破损前零件的性能，从而提高零件的再利用率，且相对于更换零件来说，本发明维修方法的维修成本较低、维修周期短、维修效果好。

本发明的成形维修方法，基于原零件的三维重构，零件结构、形状精确，一次性生长，周期短，可以不拆机维修，节约人力、物力和财力，节约生产成本，提高生产效率。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。