基于逆向工程与熔丝堆焊增材制造技术修复锻模工艺及数值模拟研究

作     者：郝国峰 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李云涛

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：锻模修复 机器人熔丝堆焊 逆向工程 离线编程 增材制造 数值模拟 

摘      要：基于传统堆焊修复锻模存在自动化程度低、修复效率低及焊材浪费多等问题,本文针对锻模修复采用了逆向工程与熔丝堆焊增材制造相结合的技术。与传统的锻模修复方法相比,本次研究的锻模修复工艺中增加了逆向工程数字化采集技术和机器人离线编程环节,达到机器人自动仿形堆焊代替手工堆焊修复锻模的目的。进一步针对堆焊修复动态过程进行了数值模拟分析,最终为企业实际生产提供指导意义。研究主要成果和结论如下:(1)锻模缺损部位模型的获取设计、加工原始锻模和待修复锻模,然后进行扫描获取其三维数字化模型,将两者的数字化模型对比布尔求差获得锻模缺损部位数字化模型,最终将缺损部位数字化模型实体化,并将其与目标缺损量模型进行比对,符合要求。(2)锻模堆焊修复工艺参数确定5CrNiMo为基体材料,ER50-6为焊丝材料,进行多次堆焊试验,比较分析选定出较优的锻模修复堆焊工艺参数,电流为160 A,电压为19 V,焊接速度为5 mm/s,焊缝宽度为6 mm、焊缝间距为4 mm、焊缝高度为3 mm。(3)锻模堆焊修复路径的获取基于Powermill离线编程软件对所获得的锻模缺损部位模型分层切片、路径规划,结合不同路径多层多道堆焊成形过程中温度场应力场的模拟结果及实际生产,综合考虑,选定单向直线形熔丝堆焊路径轨迹修复锻模。(4)锻模堆焊修复实验基于上述堆焊工艺参数及获取的路径,采用机器人熔丝堆焊修复锻模。对修复后锻模的堆焊层及熔合区进行微观组织测试分析,结果表明,堆焊层组织为细小均匀的珠光体+铁素体,层间熔合程度较高,熔合区两侧的微观组织分布状况显著不同。(5)锻模多层多道单/双向直线形熔丝堆焊增材过程中温度场和应力场模拟及分析在上述堆焊工艺参数条件下,采用***有限元分析软件分别模拟了多层多道单/双向直线形熔丝堆焊堆焊增材过程中温度场和应力场。对比两种路径下的模拟结果可知:两种路径下都具有相同温度峰值1500℃,但单向直线形路径下节点在热循环的过程出现的温度梯度小于双向路径温度梯度;两种路径下所产生的残余应力主要集中在焊缝区域的中心位置,残余应力峰值均为约296 MPa,出现了稳定的应力平台,达到了稳态。(6)锻模多层多道环形熔丝堆焊增材过程中温度场和应力场模拟及分析在相同的焊接工艺参数下,模拟了多层多道环形熔丝堆焊增材过程中的温度场和应力场。由模拟结果可知:熔丝堆焊加热过程中焊缝区域温度最高,温度场峰值为1500℃,随着冷却的进行焊缝区域温度趋于母材温度;横向应力、纵向应力呈现出均匀、对称分布规律,其峰值分别为400 MPa,370 MPa。(7)锻模单层多道单/双向直线形熔丝堆焊增材过程中温度场和应力场模拟及分析在相同堆焊工艺参数条件下,采用相关软件分别模拟了单层多道单/双向直线形熔丝堆焊堆焊增材过程中温度场和应力场动态变化。分析结果可知,两种路径焊过程中的温度场分布规律基本一致,峰值温度为1500℃;残余应力近乎相同,其峰值为250 MPa。