选择性激光熔化成型薄壁件的有限元分析及实验研究

发布时间：2020-05-22 00:50

【摘要】：薄壁金属零件具有重量轻、结构紧凑、节约材料等特点,工业生产制造中,广泛应用于各个行业。但是薄壁零件通常都是结构形状复杂、刚度低、壁厚尺寸小,采用诸如铣削、车削、铸造、锻造、焊接等传统工艺制造时容易发生形变,影响加工精度及质量。选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种能够直接成型致密度接近100%、机械性能优异的金属零件的激光制造技术,可以加工传统加工无法加工或者难以加工的复杂零件,因此采用SLM技术成型薄壁件非常有优势。但是目前针对SLM成型薄壁件多基于实验研究,对SLM成型薄壁件的温度场,应力场分布,以及薄壁成型与实体成型有何区别还研究不够透彻。本文通过有限元数值模拟,首先针对薄壁零件的温度场进行了分析。在温度场的研究中,主要分析了不同激光功率以及扫描速度对熔池尺寸的影响,并且对比了同样工艺参数条件下薄壁加工的熔池尺寸与大面积实体加工的熔池尺寸,研究发现薄壁加工的熔池有更大的长宽比,因此更容易发生球化现象;还对比分析了薄壁与实体温度场随时间的变化,研究发现薄壁加工的降温速度更慢,因此在分区扫描中的最佳扫描线长要大于实体加工。其次,在温度场的基础上,进一步对薄壁零件的应力演化及残余应力分布进行了研究。结果表明:薄壁加工的应力主要集中在薄壁的两侧以及薄壁的顶部,其中两侧主要以Z方向应力为主,顶部则主要以X方向应力为主;并且在多道薄壁的成型过程中,分区扫描能有效降低薄壁零件的应力。最后,在模拟研究的基础上,进行了薄壁成型实验。通过测量薄壁厚度,与有限元结果进行了对比,验证了有限元分析模型的正确性;观测了薄壁的单道形貌,获取了能加工连续稳定薄壁单道的加工参数;测量了不同分区长度的薄壁的变形,验证了分区扫描可以减小应力,并且获得了更优的分区长度。
【图文】：

加工原理

2选择性激光熔化作为一种新型加工技术，相较于传统加工主要有以下优势[1-5 直接成型最终金属零件，无需开模，省去了车铣刨磨等诸多中间过程，简化了加工工艺流程。适合单件或小批量的快速生产。可以成型传统加工难以加工或者无法加工的形状，比如随形流道，多孔结构（如图 1.2）等内部有复杂形状结构的零件。而且加工时间几乎不受形状复杂度的影响，只与零件体积有关，大大提高了设计的自由度。成型零件致密度接近 100%，力学性能优于铸件，一般与锻件相当。图 1.1 SLM 加工原理图Fig.1.1 Schematic of selective laser melting

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选择性激光熔化技术在航空航天，医疗，，模具等多个行业已应用十分广泛。美国“增材制造路线图”把航空航天需求作为增材制造的第一大工业应用目标，目前已建立了美国增材制造创新研究所（NAMII），其成员包括波音、GE、霍尼韦尔、洛克希德马丁等美国著名航空航天企业。GE 公司对原来由二十多个零件组成的航空发动机燃油喷嘴采用SLM技术实现了一体化制造，重量减轻25%，寿命为原设计的 5 倍。德国 Fraunhofer 激光技术研究所与牙科设备公司 BEGO 展开合作，研究利用 SLM 技术制作牙冠和假牙，此外还考虑到用 SLM 技术制作人造骨等其它人造移植物。随着 SLM 技术的逐渐成熟，现在已有多家成熟的 SLM设备制造商，主要有德国的EOS公司、MCP公司、SLM Solutions公司、Concept Laser公司、美国的 3D System 公司等，国内也有华曙高科公司、西安铂力特公司、苏州西帝摩公司等从事 SLM 设备研发制造。图 1.2 SLM 加工的零件Fig.1.2 Parts fabricated by SLM
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24;TG665

【参考文献】