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复杂型腔锻模电弧增材再制造分层切片方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第1期49卷 43-49页

作者：张建生周杰肖贵乾权国政重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 重庆杰品科技股份有限公司重庆400000

为解决复杂型腔热锻模具自动化电弧增材再制造过程中分层切片过程效率低和效果差等问题,提出了一种改进的切片方法.首先,针对STL模型的结构特点,设计了Point,Triangle和STLModel三个类对模型的数据进行存储,在类中定义了处理和操作数据... 详细信息

为解决复杂型腔热锻模具自动化电弧增材再制造过程中分层切片过程效率低和效果差等问题,提出了一种改进的切片方法.首先,针对STL模型的结构特点,设计了Point,Triangle和STLModel三个类对模型的数据进行存储,在类中定义了处理和操作数据的方法;从提高操作效率的角度出发,提出了一种先求三角形与切平面交点并通过法向量判断交点的起始顺序,进而通过遍历起点和终点数组来创建轮廓多边形环的复杂型腔锻模分层切片算法.然后,引入了提高轮廓多边形精度的插值拟合修复算法,推导了轮廓顺逆判据的一般公式并构建了离散多边形的计算式.最后,以失效的曲轴热锻模具为例,进行了分层切片处理和增材制造过程模拟仿真和实验,验证了分层切片算法的可行性.

关键词：复杂型腔锻模电弧增材再制造数据结构分层切片模拟与试制

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电弧增材再制造成形工艺及多重堆积路径优化

电弧增材再制造成形工艺及多重堆积路径优化

作者：倪永谦南京航空航天大学

学位级别：硕士

电弧增材制造再制造技术具有加工成本低、熔敷效率高和成形件力学性能好等优点,是修复较大金属构件的重要方式。但该技术在应用过程中仍面临产品成形精度低、服役性能差等问题。本文以多层多道电弧增材再制造为研究对象,以提高再制造成... 详细信息

电弧增材制造再制造技术具有加工成本低、熔敷效率高和成形件力学性能好等优点,是修复较大金属构件的重要方式。但该技术在应用过程中仍面临产品成形精度低、服役性能差等问题。本文以多层多道电弧增材再制造为研究对象,以提高再制造成形件表面成形精度和性能为目标,对成形工艺及多重路径堆积策略进行研究,为实现大型金属构件的高精度、高质量的再制造提供一种有效的技术手段。首先,建立了正向神经网络预测模型,实现了对不同焊接工艺参数下单道焊缝成形尺寸的预测,正向预测模型对焊道熔宽的预测精度平误差为2.05%,余高的预测精度平均误差为3.13%;进一步建立了逆向神经网络预测模型,并利用遗传算法全局寻优的特点对神经网络进行优化,提高预测模型精度,逆向模型对熔宽的预测精度平均误差为4.70%,余高的预测精度平均误差为4.84%,实现了根据构件尺寸推理最优焊接参数的功能。其次,为提高成形件边缘成形精度,提出单层路径采用轮廓偏置扫描与Zigzag扫描相结合的复合路径规划方式;基于单层复合路径规划方式,提出四种多重堆积路径策略,分别为长边同向堆积、短边同向堆积、长短交错堆积和45°交错堆积。进一步采用有限元数值模拟和试验的方法,对比研究四种多重路径堆积策略对成形件的散热状况、残余应力、翘曲变形和表面成形精度的影响,为实现电弧增材再制造的路径优化提供依据。建立了再制造多层多道路径策略的模糊综合评价模型,以散热情况、残余应力、翘曲变形和表面成形精度为评价指标,依据再制造成形件的具体修复目标,采用层次分析法确定指标权重,实现了再制造多指标下的路径策略优化。以散热情况为主要优化目标,长短交错路径策略最优;以残余应力为主要优化目标,长边同向路径策略最优;以翘曲变形为主要优化目标,长边同向路径策略最优;以表面成形精度为主要优化目标,短边同向路径策略最优。最后,选取典型厚壁件和棱台制造为实例验证。对制造加工过程进行规划,即采用逆向神经网络模型推测最优焊接参数,采用模糊评价法确定最优路径堆积策略。结果表明,典型厚壁件的成形件长度平均误差为1.32mm,宽度平均误差为0.74mm,高度平均误差为0.48mm,成形精度较高;目标件棱台件的成形质量良好,中部区域表面平整度较高,最大误差为0.18mm,成形件边缘区域误差最大值为0.87mm。典型厚壁件和棱台件的成形件成形精度较高,验证了加工过程规划的有效性。本文建立的正逆神经网络预测模型可实现根据目标件的尺寸预测加工参数的功能,建立的堆积路径的模糊综合评价模型可实现根据修复要求确定最优路径策略的功能,为电弧增材再制造的实际修复过程提供了参考依据。

关键词：电弧增材再制造成形工艺神经网络数值模拟路径策略择优模糊综合评价

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热锻模曲面随形电弧增材再制造工艺

塑性工程学报 2022年第11期29卷 15-24页

作者：秦训鹏倪茂胡泽启纪飞龙熊晓晨华林武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉430070 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室湖北武汉430070

为解决现有再制造方法在热锻模具型腔曲面空间下多材料分布结构不合理的问题,基于热锻模具的性能需求和型腔曲面结构特征,提出了电弧熔丝曲面随形增材再制造修复方法,规划了曲面增材路径,并开展了两层梯度材料的曲面随形电弧增材再制造... 详细信息

为解决现有再制造方法在热锻模具型腔曲面空间下多材料分布结构不合理的问题,基于热锻模具的性能需求和型腔曲面结构特征,提出了电弧熔丝曲面随形增材再制造修复方法,规划了曲面增材路径,并开展了两层梯度材料的曲面随形电弧增材再制造实验研究。梯度增材层分为过渡层(材料为RMD535)和强化层(材料为RMD545),过渡层位于中间位置,直接与模具基体接触,强化层位于表面,直接与锻件接触。对随形增材后增材层的表面形貌和梯度层性能进行了分析。实验结果表明,曲面随形增材再制造后的表面形貌质量良好,整体尺寸偏差在4 mm以内。增材再制造层的显微硬度总体呈上升趋势,梯度值在100 HV以内,不同曲率处的硬度值和分布规律差异较小。梯度层组织从下至上呈现出贝氏体到马氏体的转变过程,碳化物逐渐增多,界面处主要元素相互扩散呈缓慢过渡趋势,整体梯度性能分布均匀一致,表面强化层的高温耐磨性更高,满足热锻模具修复再制造的梯度性能要求。

关键词：曲面随形电弧增材再制造热锻模具梯度性能

基于机器人的模具电弧增材再制造路径规划及工艺

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基于机器人的模具电弧增材再制造路径规划及工艺

作者：卜星南京航空航天大学

学位级别：硕士

热作模具在现代工业中占有重要地位,但因工作环境恶劣导致其损耗率很高,需要通过堆焊的方式对其进行修复,恢复至标准件的尺寸和性能。传统的人工堆焊修复存在劳动量大、工作环境差和修复质量不稳定等问题,难以适应智能化与自动化工业发... 详细信息

热作模具在现代工业中占有重要地位,但因工作环境恶劣导致其损耗率很高,需要通过堆焊的方式对其进行修复,恢复至标准件的尺寸和性能。传统的人工堆焊修复存在劳动量大、工作环境差和修复质量不稳定等问题,难以适应智能化与自动化工业发展需求。为了解决这些问题,本文对电弧增材再制造技术进行研究,使用机器人对模具进行自动堆焊修复。首先,设计并搭建了面向热作模具的电弧增材再制造实验平台,该平台由三维扫描系统、模型处理系统和机器人控制系统组成,将模型处理、路径规划、机器人离线编程和堆焊成形等技术集于一体,能够满足模具因失效形式不同而产生的差异化修复需求。同时,研制出一种用于电弧增材再制造的微渣气保护药芯焊丝,该焊丝既能在机器人连续焊接过程中自动脱渣,又能满足模具修复的性能要求。其次,对IGES格式的三维模型进行路径规划。设计了基于相邻层片面积变化的自适应分层切片算法对模型进行切分,用复合式扫描算法填充层片的轮廓,并在UG/OPEN GRIP中实现了路径规划系统的开发。为了让焊枪在模具型腔中处于最佳施焊位置,在路径中加入了焊枪姿态的变换。根据机器人各关节轴之间的相对关系,建立了机器人末端控制器与基坐标系之间的齐次变换矩阵,用欧拉角计算不同姿态下点位的广义坐标值。进一步对药芯焊丝的MIG焊焊接工艺进行研究。通过实验定性分析了焊接工艺参数对单道焊缝成形形貌的影响,获取连续焊接时焊缝熔宽和层间增高量,确定了单层多道焊中最佳路径间距为熔宽的5/9。此外,采用往复堆积法解决多层单道焊中尾部塌陷问题,使用加速法改善了拐角处金属堆叠造成的尺寸差异,提高了堆焊成形的表面精度。最后,对火车衬板的失效模具进行了电弧增材再制造实验。通过三维扫描系统获取待修复部分的数字模型,根据模型的特点和焊接工艺要求,使用路径规划系统对模型进行处理,生成焊枪的移动轨迹和姿态。在对焊接过程进行仿真后,使用机器人进行失效模具的增材再制造实验。实验结果达到了预期的目标,验证了整套系统的可行性,为电弧增材再制造的应用方向提供了新的思路。

关键词：电弧增材再制造模具修复路径规划机器人姿态焊接工艺

横向磁场作用下铝合金MIG电弧增材再制造成形工艺研究

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横向磁场作用下铝合金MIG电弧增材再制造成形工艺研究

作者：李丹暨南大学

学位级别：硕士

近些年来,随着先进制造业的快速发展,越来越多的零部件采用高性能、高可靠性、轻量化的整体结构,从而达到降低成本、节约能源和拓展应用领域的目的。作为轻质合金的铝合金材料,因具有密度低、比强度高、导热导电性好、加工性好、耐腐蚀... 详细信息

近些年来,随着先进制造业的快速发展,越来越多的零部件采用高性能、高可靠性、轻量化的整体结构,从而达到降低成本、节约能源和拓展应用领域的目的。作为轻质合金的铝合金材料,因具有密度低、比强度高、导热导电性好、加工性好、耐腐蚀性强、焊接性好和价格低等特点,在工业制造领域得到了广泛应用。但随着服役年限的增加,大量铝合金零部件出现了不同程度的损伤,需通过先进的再制造技术进行修复。为了提高装备铝合金的修复精度和性能,本文研究了铝合金电弧增材再制造过程中外加横向磁场对成形精度和组织性能的影响。本文采用正交试验法研究了各工艺参数对单道焊道的余高、熔宽和熔深等几何尺寸的影响。结果表明,在无磁场条件下,熔敷速度对焊道余高的影响较明显,送丝速度对焊道熔宽和熔深的影响较明显;在磁场条件下,熔敷速度对焊道余高的影响较明显,励磁电流对焊道熔宽的影响较明显,送丝速度对焊道熔深的影响较明显。此外,外加横向交变磁场可以明显降低焊道的润湿角,改善了焊道的润湿铺展性能。本文研究了磁场对电弧增材成形精度的影响。结果表明,当磁场强度在一定范围内时,随着励磁电流和频率的提高,熔敷层表面精度逐渐增高。当励磁电流为11 A、励磁频率为14 Hz时,熔敷层表面平整度最高为0.1095 mm。超过此范围外后,熔敷层表面出现焊瘤,表面质量明显下降。本文提出了采用多项式函数曲线对焊道轮廓进行拟合。同时,基于平顶搭接模型计算出最优的搭接量并进行试验验证。结果表明,采用多项式函数曲线可精确地拟合焊道截面轮廓;在无磁场条件下时,熔敷层中产生了搭接空隙和大量气孔,导致熔敷层致密度较低。通过调控磁场参数对焊道形态进行优化后,熔敷层中的搭接空隙消失、宏观气孔数量减少和尺寸减小,致密度也得到了显著提升。本文研究了磁场对铝合金电弧增材成形组织与性能的影响。结果表明:熔敷层组织中主要以α(Al)相和β(AlMg)相为主;磁场作用下,由于电弧对熔池的搅拌作用,组织中粗大柱状晶被打断,晶粒尺寸明显细化。在励磁电流为11 A、励磁频率14 Hz时,平均硬度达到最大值83.9 HV;在励磁电流为8 A、励磁频率为14 Hz时,试样的拉伸性能最好,增材横向方向的平均抗拉强度最高可达275.7 MPa,最大延伸率为21.9%,增材纵向方向的平均抗拉强度为254.3 MPa,延伸率为26.7%;通过磨损形貌和磨屑形貌的特征分析可知,试样的磨损机制均以磨料磨损为主。最后,优化磁场参数后,对成形后的块体试样进行组织和力学性能表征。结果发现,在无磁场条件下时,成形组织中存在着大量垂直于熔敷方向生长的柱状晶,等轴晶数量较少,平均显微硬度值为71.3 HV,横向与纵向的抗拉强度分别为220.7 MPa和258.2 MPa,延伸率分别为11.6%和22%,整体表现出的力学性能较差。通过磁场优化后,成形组织中柱状晶的尺寸及数量显著减少,晶粒之间的生长方向各异,平均显微硬度值为75.6 HV,横向与纵向试样的抗拉强度分别为257.8 MPa和274.2 MPa,延伸率分别为16.1%和25.6%。

关键词：铝合金电弧增材再制造横向磁场成形精度组织性能

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基于机器人的电弧增材再制造路径规划研究

基于机器人的电弧增材再制造路径规划研究

作者：段晨旭西华大学

学位级别：硕士

随着我国装备制造业的快速发展,现代制造工艺对于机械设备的使用寿命提出了更高的要求。机械设备上的大型铸件在铸造生产和设备使用过程中,不可避免地会产生各种类型的局部缺陷,导致设备的使用性能降低甚至整体失效。需要借助焊接的方... 详细信息

随着我国装备制造业的快速发展,现代制造工艺对于机械设备的使用寿命提出了更高的要求。机械设备上的大型铸件在铸造生产和设备使用过程中,不可避免地会产生各种类型的局部缺陷,导致设备的使用性能降低甚至整体失效。需要借助焊接的方式对缺陷铸件进行再制造,以延长机械设备的使用寿命,实现可持续发展。为了实现再制造过程的自动化和智能化,本文对电弧增材再制造技术中关键的路径规划问题进行了系统研究,开发了路径规划工具,实现了焊枪轨迹和姿态的自主规划。首先,论文对再制造过程中相关的工艺参数和路径规划算法开展了研究。通过对成形过程的理论分析与实验研究,得出了最优焊缝间距的表达式以及堆积层高与焊缝余高的关系。结合简单截面的成形实验,分析、总结了各算法的优劣,为焊道路径规划算法的选择提供了依据;根据单条焊缝起弧点和熄弧点的几何特点,探讨了焊层路径规划的策略。其次,论文对缺陷零件再制造区域点云数据的获取开展了研究。介绍了缺陷零件点云数据的采集和处理流程,提出了基于边界曲率和布尔运算获取再制造区域点云数据的提取方法。然后,论文利用NX二次开发工具设计了路径规划工具。通过调用二次开发函数,实现了点云分层切片和路径自主规划,生成了再制造过程的焊枪轨迹和姿态。并对具有典型几何形态的再制造区域进行焊枪轨迹仿真,以验证路径规划工具对于不同种类和形状的再制造区域的适用性和精确度。最后,论文进行了电弧增材再制造实验。搭建了再制造实验平台,利用后处理程序对路径规划结果进行坐标变换,生成了机器人运动程序,并根据运动程序对缺陷模具进行再制造实验,以验证路径规划工具生成的焊枪轨迹和姿态的正确性。

关键词：焊接修复电弧增材再制造点云处理 NX二次开发路径规划

基于遗传算法优化的电弧增材再制造焊道尺寸预测模型

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机械制造文摘（焊接分册） 2021年第6期 15-20页

作者：倪永谦王猛杜心伟刘仁培魏艳红南京航空航天大学南京210000

电弧增材再制造过程中,成形件通过层层累积的方式进行制造。每道焊缝的几何尺寸对构件的成形精度有着重要的影响,是分层切片和路径规划的重要依据之一。为了研究焊接工艺参数与焊道尺寸之间的关系,文中采用正交试验法进行单道焊缝成形试... 详细信息

电弧增材再制造过程中,成形件通过层层累积的方式进行制造。每道焊缝的几何尺寸对构件的成形精度有着重要的影响,是分层切片和路径规划的重要依据之一。为了研究焊接工艺参数与焊道尺寸之间的关系,文中采用正交试验法进行单道焊缝成形试验,建立了基于遗传算法的神经网络模型,可以预测不同焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、送丝速度)下单道成形的熔宽和余高。结果表明,焊缝宽度的预测平均误差为2.05%,焊缝高度的预测平均误差为5.09%,该模型实现了对焊道尺寸的较高精度的预测。结合多层多道试验对模型进行了验证,结果显示成形件成形良好,成形精度较高。文中建立的神经网络模型为电弧增材制造过程的工艺优化提供了依据。

关键词：电弧增材再制造焊道尺寸神经网络遗传算法