热锻模具自动化电弧增材再制造过程设计及试验研究
发布时间：2021-02-04 04:57
为解决采用人工堆焊修复热锻模具时,精确尺寸难以控制、加工余量大造成的焊材浪费、现场作业环境恶劣、锻模组织性能稳定性差等问题,提出采用自动化电弧增材制造技术代替传统的人工堆焊,充分发挥失效锻模作为再制造基体的低成本优势和自动化电弧增材制造技术的精确性优势,具有广阔的应用前景。该方法在国内起步较晚,其成形精度和自动化水准都与国外先进水平存在较大差距,包括电弧增材工艺参数优化、复杂构件分层切片算法、填充路径轨迹规划方法等关键核心技术有待突破。本文以失效的曲轴热锻模具自动化电弧增材再制造过程为研究对象,对焊接工艺参数与焊缝形状映射关系、电弧增材制造分层切片及填充路径规划方法等关键核心技术进行了全面系统的研究,并进行了曲轴模具的自动化电弧增材再制造试验。论文主要的研究工作有以下几点:（1）针对能够直接影响电弧增材制造效率和质量的焊接工艺参数及其对应的焊缝形状,以直径1.2mm的CD645牌号焊材开展了自动化平板电弧增材制造实验,确定了焊接工艺参数范围,并统计了对应的焊缝形状数据。进而,训练出了预测及泛化能力良好的的BP神经网络进行数据扩容。（2）针对现有方法难以得到目标焊缝形状对应的最优工艺参数...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
发生严重塑性变形的某飞机高强钢起落架锻模:（a）模压2件后的锻模型腔压塌变形
重庆大学博士学位论文2模锻压机能否有效应用、能否用得起的关键瓶颈，也是影响我国高端装备（如飞机）制造成本及核心竞争力的关键，是当前迫切需要解决的难题。为此，已开展了如下研究工作：首先，为解决大型铝合金锻模制造成本高、寿命低的问题，基于“好钢用在刀刃上”的理念，在制备好的低成本铸钢基体上，通过人工堆焊技术，将具备耐高温、抗变形、耐磨损性能的优质材料增材于模具型腔表层上，发明了“铸钢基体双金属梯度堆焊制备大型锻模新方法”（发明专利号：ZL200910104604X）[6]，其原理如图1.2所示：图1.2基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法原理图Fig.1.2Thebimetal-gradient-layersurfacingtechnologybasedoncastingsteel该方法采用低成本铸钢作为基体，在铸钢基体上人工堆焊出强度硬度梯度上升的过渡层和强化层，从而大幅降低模具整体制造成本、有效提高锻模型腔工作层在高温下的耐磨损、抗变形能力[7]。该方法的研究成果已应用于铝合金锻件用大型锻模制造和再制造（以失效模具为基体，进行人工操作的双金属梯度层堆焊修复），并扩展应用于汽车曲轴锻件用中小型锻模制造和再制造，可降低锻模制造成本30%以上，提高模具寿命0.5-10倍以上（数据分别来源于普通钢制锻件和铝合金锻件用锻模）[8-10]。研究成果已在中国二重集团、西南铝业集团、重庆大江杰信锻造有限公司等知名企业推广应用，如图1.3所示：A:强度硬度过渡层；B:高强度高硬度强化层；C:模具型腔轮廓线；D:铸钢基体
1绪论3(a)(b)图1.3在重庆大江杰信锻造有限公司（a）和西南铝业集团（b）应用的铸钢基体锻模Fig.1.3ForgingdieswithcastingsteelsubstrateusedinChongqingdajiangjiexinforgingCo.,Ltd(a);andSouthwestaluminiumindustryGroupCo.(b)其次，为解决难变形材料（如钛合金、高强度钢等）成形时大型锻模制造成本高、寿命极低问题，基于前期铝合金用铸钢基体堆焊制造锻模的研究基础，为保护铸钢基体的安全，提出了一种基于铸钢基体的大型锻模“夹心层”制造新方法（发明专利号：ZL201510171656.4）[11]，其原理如图1.4所示，即在铸钢基体与过渡层之间堆焊一层封闭的软质“夹心层”焊材，在高压下允许“夹心层”发生一定变形，模具型腔承受的楔形分布峰值应力迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力传递到铸钢基体上，避免峰值应力过高导致铸钢基体产生破裂造成锻模整体断裂失效。图1.4铸钢基体“夹心层”梯度连接制备大型锻模新方法原理图Fig.1.4Themultiple-layersandwichedsurfacingtechnologybasedoncastingsteel图1.5所示为采用铸钢基体“夹心层”梯度连接新方法制备的大型锻模和锻造出的合格的某型号飞机钛合金吊尾框锻件，模锻后铸钢基体完好无损，未发现任何变形及裂纹。试验表明，该方法有效的保护了铸钢基体的承压安全，避免了峰值应力可能导致铸钢基体产生裂纹失效的问题。A：铸钢基体；B：应力扩散“夹心层”；C：强度硬度过渡层；D：表面耐高温强化层；E：模具型腔轮廓线
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸造类模具的发展现状分析[J]. 肖岩. 科技风. 2019(05)
[2]复合PVD涂层在冲压模具上的研究及应用[J]. 张海洲,崔立春,刘迪祥,王淑俊. 锻压装备与制造技术. 2018(06)
[3]模具设计的发展与改革[J]. 李静生,赵菲,李洋. 科技经济导刊. 2018(27)
[4]增材制造中STL模型三角面片法向量自适应分层算法研究[J]. 田仁强,刘少岗,张义飞. 机械科学与技术. 2019(03)
[5]一种面向3D打印技术的STL模型快速分层算法[J]. 江本赤,王建彬,王刚. 新乡学院学报. 2018(06)
[6]STL模型特征信息的自适应分层的研究[J]. 王军伟,陈兴,邓益民,刘洋,汪俊辉. 计算机工程与应用. 2019(06)
[7]模具制造中表面工程技术的应用及分析[J]. 韩佳. 科技资讯. 2018(13)
[8]800MN液压机飞机起落架锻模再制造[J]. 李蓬川. 兵器装备工程学报. 2018(03)
[9]H13热作模具钢表面激光熔覆原位合成Cu/TiB2复合涂层组织与性能研究[J]. Tran Van Nghia,杨森. 科技创新导报. 2018(05)
[10]增材制造中STL模型的自适应分层算法研究[J]. 林洁琼,王一博,靖贤,谷岩. 机械设计与制造. 2018(02)
博士论文
[1]铸钢基体双金属梯度制备锻模新方法基础及应用研究[D]. 卢顺.重庆大学 2014
[2]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[3]多金属热锻模热应力缓解机理及方法研究[D]. 潘成刚.武汉理工大学 2010
[4]热作模具钢（H13型）表面处理及其热疲劳、热熔损性能研究[D]. 闵永安.上海大学 2005
硕士论文
[1]航空发动机机匣锻造工艺优化及模具梯度堆焊再制造研究[D]. 熊逸博.重庆大学 2018
[2]铸钢基体夹心层梯度堆焊制备锻模方法基础及应用研究[D]. 高飞.重庆大学 2017
[3]电弧增材制造成形系统设计及成形规律研究[D]. 沈泳华.南京航空航天大学 2017
[4]基于STL模型的分层算法研究与软件实现[D]. 黄丽.山东农业大学 2016
[5]3D打印中基于STL文件的分层算法比较[D]. 赵方.大连理工大学 2016
[6]大型超高强度钢模锻用锻模夹心层再制造方法基础及应用研究[D]. 张建生.重庆大学 2016
[7]铸钢基体双金属堆焊热锻模服役前后组织性能研究[D]. 李梦瑶.重庆大学 2014
[8]热锻模模具分区域等寿命设计研究[D]. 余盈燕.重庆大学 2014
[9]模具材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究[D]. 王海洋.华中科技大学 2012
[10]药芯焊丝堆焊热作模具耐磨层组织性能试验研究[D]. 马超.武汉理工大学 2009
本文编号：3017762
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
发生严重塑性变形的某飞机高强钢起落架锻模:（a）模压2件后的锻模型腔压塌变形
重庆大学博士学位论文2模锻压机能否有效应用、能否用得起的关键瓶颈，也是影响我国高端装备（如飞机）制造成本及核心竞争力的关键，是当前迫切需要解决的难题。为此，已开展了如下研究工作：首先，为解决大型铝合金锻模制造成本高、寿命低的问题，基于“好钢用在刀刃上”的理念，在制备好的低成本铸钢基体上，通过人工堆焊技术，将具备耐高温、抗变形、耐磨损性能的优质材料增材于模具型腔表层上，发明了“铸钢基体双金属梯度堆焊制备大型锻模新方法”（发明专利号：ZL200910104604X）[6]，其原理如图1.2所示：图1.2基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法原理图Fig.1.2Thebimetal-gradient-layersurfacingtechnologybasedoncastingsteel该方法采用低成本铸钢作为基体，在铸钢基体上人工堆焊出强度硬度梯度上升的过渡层和强化层，从而大幅降低模具整体制造成本、有效提高锻模型腔工作层在高温下的耐磨损、抗变形能力[7]。该方法的研究成果已应用于铝合金锻件用大型锻模制造和再制造（以失效模具为基体，进行人工操作的双金属梯度层堆焊修复），并扩展应用于汽车曲轴锻件用中小型锻模制造和再制造，可降低锻模制造成本30%以上，提高模具寿命0.5-10倍以上（数据分别来源于普通钢制锻件和铝合金锻件用锻模）[8-10]。研究成果已在中国二重集团、西南铝业集团、重庆大江杰信锻造有限公司等知名企业推广应用，如图1.3所示：A:强度硬度过渡层；B:高强度高硬度强化层；C:模具型腔轮廓线；D:铸钢基体
1绪论3(a)(b)图1.3在重庆大江杰信锻造有限公司（a）和西南铝业集团（b）应用的铸钢基体锻模Fig.1.3ForgingdieswithcastingsteelsubstrateusedinChongqingdajiangjiexinforgingCo.,Ltd(a);andSouthwestaluminiumindustryGroupCo.(b)其次，为解决难变形材料（如钛合金、高强度钢等）成形时大型锻模制造成本高、寿命极低问题，基于前期铝合金用铸钢基体堆焊制造锻模的研究基础，为保护铸钢基体的安全，提出了一种基于铸钢基体的大型锻模“夹心层”制造新方法（发明专利号：ZL201510171656.4）[11]，其原理如图1.4所示，即在铸钢基体与过渡层之间堆焊一层封闭的软质“夹心层”焊材，在高压下允许“夹心层”发生一定变形，模具型腔承受的楔形分布峰值应力迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力传递到铸钢基体上，避免峰值应力过高导致铸钢基体产生破裂造成锻模整体断裂失效。图1.4铸钢基体“夹心层”梯度连接制备大型锻模新方法原理图Fig.1.4Themultiple-layersandwichedsurfacingtechnologybasedoncastingsteel图1.5所示为采用铸钢基体“夹心层”梯度连接新方法制备的大型锻模和锻造出的合格的某型号飞机钛合金吊尾框锻件，模锻后铸钢基体完好无损，未发现任何变形及裂纹。试验表明，该方法有效的保护了铸钢基体的承压安全，避免了峰值应力可能导致铸钢基体产生裂纹失效的问题。A：铸钢基体；B：应力扩散“夹心层”；C：强度硬度过渡层；D：表面耐高温强化层；E：模具型腔轮廓线
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸造类模具的发展现状分析[J]. 肖岩. 科技风. 2019(05)
[2]复合PVD涂层在冲压模具上的研究及应用[J]. 张海洲,崔立春,刘迪祥,王淑俊. 锻压装备与制造技术. 2018(06)
[3]模具设计的发展与改革[J]. 李静生,赵菲,李洋. 科技经济导刊. 2018(27)
[4]增材制造中STL模型三角面片法向量自适应分层算法研究[J]. 田仁强,刘少岗,张义飞. 机械科学与技术. 2019(03)
[5]一种面向3D打印技术的STL模型快速分层算法[J]. 江本赤,王建彬,王刚. 新乡学院学报. 2018(06)
[6]STL模型特征信息的自适应分层的研究[J]. 王军伟,陈兴,邓益民,刘洋,汪俊辉. 计算机工程与应用. 2019(06)
[7]模具制造中表面工程技术的应用及分析[J]. 韩佳. 科技资讯. 2018(13)
[8]800MN液压机飞机起落架锻模再制造[J]. 李蓬川. 兵器装备工程学报. 2018(03)
[9]H13热作模具钢表面激光熔覆原位合成Cu/TiB2复合涂层组织与性能研究[J]. Tran Van Nghia,杨森. 科技创新导报. 2018(05)
[10]增材制造中STL模型的自适应分层算法研究[J]. 林洁琼,王一博,靖贤,谷岩. 机械设计与制造. 2018(02)
博士论文
[1]铸钢基体双金属梯度制备锻模新方法基础及应用研究[D]. 卢顺.重庆大学 2014
[2]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[3]多金属热锻模热应力缓解机理及方法研究[D]. 潘成刚.武汉理工大学 2010
[4]热作模具钢（H13型）表面处理及其热疲劳、热熔损性能研究[D]. 闵永安.上海大学 2005
硕士论文
[1]航空发动机机匣锻造工艺优化及模具梯度堆焊再制造研究[D]. 熊逸博.重庆大学 2018
[2]铸钢基体夹心层梯度堆焊制备锻模方法基础及应用研究[D]. 高飞.重庆大学 2017
[3]电弧增材制造成形系统设计及成形规律研究[D]. 沈泳华.南京航空航天大学 2017
[4]基于STL模型的分层算法研究与软件实现[D]. 黄丽.山东农业大学 2016
[5]3D打印中基于STL文件的分层算法比较[D]. 赵方.大连理工大学 2016
[6]大型超高强度钢模锻用锻模夹心层再制造方法基础及应用研究[D]. 张建生.重庆大学 2016
[7]铸钢基体双金属堆焊热锻模服役前后组织性能研究[D]. 李梦瑶.重庆大学 2014
[8]热锻模模具分区域等寿命设计研究[D]. 余盈燕.重庆大学 2014
[9]模具材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究[D]. 王海洋.华中科技大学 2012
[10]药芯焊丝堆焊热作模具耐磨层组织性能试验研究[D]. 马超.武汉理工大学 2009
本文编号：3017762
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