悬垂闭合结构激光光内送粉成形工艺研究
发布时间：2021-06-19 15:08
悬垂闭合结构作为工程中一种多见的结构,在航空航天、船舶、核电、矿山、冶金、模具、发动机等领域都有广泛的运用,采用3D打印技术无模直接成形悬垂闭合结构具有独特优点与重要意义。现有报道采用金属3D打印的方法直接成形大倾角悬垂结构通常会产生熔池塌陷、表面台阶等缺陷,更难以成形出全闭合的结构件。采用光内送粉激光熔覆技术成形具有大倾角特征的结构件,可有效改善熔池塌陷等问题,但还是存在易发生熔覆层变薄、翘曲、脱离预定轨迹的情况。本课题基于光内送粉激光熔覆技术,对具有大倾角悬垂闭合结构件的成形工艺进行深入的研究。针对大倾角加工时出现的熔覆层变薄、翘曲、脱离预定轨迹问题,提出一种熔池悬垂沉积的斜向激光内送粉熔覆成形方法。在结构件倾角增大至一定角度时,采用不同的喷头偏转角度进行熔覆堆积。通过对加工工艺参数的调整优化,使熔覆层按照结构件母线位置顺利生长,实现悬垂结构件的成形。本文首先研究了熔池悬垂沉积的基础工艺,分析了变角度情况下熔覆光斑变形情况,结果表明光内送粉熔覆头在25°至90°的范围内可实现熔覆层间的法向堆积,且熔覆层较为平整、不影响后续加工堆积情况。以斜面熔池为研究对象,建立了其受激光辐射熔化到...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１薄壁蝶形封头?图１．?２锥形空心结构??２°—２１
悬垂闭合结构激光光内送粉成形工艺研究?第一章绪论??过对局部参数的实时调控，成功成形出悬垂结构。成形过程中，随着成形结构悬垂角??增大，单一熔覆层厚度逐渐减小，单层切片厚度仅有３５ｐｍ，且在接近水平位置处出??现激光穿透粉末的现象，结构水平位置处的壁厚仅为〇．３５＿，如图１．３所示。段声??勤、刘婷婷等人［２３］利用激光选区熔化技术，对圆孔试样进行分区分析，研宄了激光功??率、扫描线角度以及轮廓扫描次数对悬垂圆孔结构成形质量的影响。结果表明，激光??功率对圆孔成形质量的影响显著，随着激光功率的增大，圆孔圆度值增大，尺寸精度降??低，同时悬垂面出现细而长的熔池，部分熔池断裂球化成球状熔滴；当扫描线方向平行??于悬垂面边缘线时，悬垂面质量较好，但在成形圆孔顶部近水平悬垂面处出现严重塌陷；??在设置的扫描次数范围内，增加轮廓扫描次数可降低悬垂曲面表面粗糙度，优化表面质??量。通过ＳＬＭ的方法成形悬垂结构，成形周期较长、顶端形貌控制困难，无法成形??具有厚度要求的悬垂结构，且成形件的致密程度无法达到较高的标准。??〇?ｆ?２９１３??图１．３悬垂结构成形件?图１．４悬垂圆孔结构??１＾此你止丨等［２４］采用５轴螺旋扫通过定向沉积描成形了如图１．５所示的全致密的半??球形样件。Ｗｕ［２５］等采用３轴联动的方式及较小的ｚ轴提升量获得了最大倾角为３０°??的倒圆锥成形件（如图１．６所示）。Ｇｒｉｆｆｉｈ％】等通过对熔池的温度、尺寸和热梯度等??参数闭环控制制造出具有４０°悬垂角的倾斜圆管，而不采用闭环功能时悬垂角仅有??２０°。王续跃等［２７＿２８】建立了熔覆成形倾斜角度数学模型，堆积出最大倾斜角度３９．５°??的倾斜薄壁件。
第一章绪论?悬垂闭合结构激光光内送粉成形工艺研究??图１．５半球形样件?图１．６倒圆锥成形件??综上所述，悬垂封闭结构件的成形是金属制造领域有待解决的一大难题。传统??激光增材制造方法中，悬垂结构的成形多采用水平分层、层间错位方法，由于层间错??位太大容易造成滴落，故只能采用层间小错位，此法成形的倾角一般都较小，而且其??厚度随倾角增大而减小，尺寸误差大还难以达到封闭区位的合龙标准。另外，闭合位??附近己成形结构与成形工具之间的干涉也是难以合龙闭合的主因之一。本研究所团队??自主研发的激光光内送粉熔覆喷头在成形悬垂结构上具有一定优势，本文采用自主知??识产权的激光内送粉喷头，并研发悬垂闭合结构的特殊成形工艺，以尝试解决以上问??题。??１．３本文研究内容??本文基于光内送粉技术对悬垂闭合结构件成形展开研宄，针对封闭过程中存在的??法向成形干涉、悬垂结构翘曲、闭合端结构凸起与内凹等问题展开研宄分析，寻找合??理的成形方式成形出悬垂封闭结构，实现成形件顶端无缺陷闭合，保证成形件达到尺??寸精度、力学性能等指标。本文选取典型的拱形封闭结构进行试验，具体将从以下几??方面展开研宄：??（１）根据试验过程中结构件成形、控制、理化分析的要求，构建一套悬垂闭合??结构激光熔覆成形系统。??（２）研宄大倾角倾斜面熔池流淌变形现象与机理。主要针对大倾角斜向熔覆成??形熔池流淌沉积现象开展研宄，建立熔池受力力学模型并进行模拟分析，采用ＦＬＵＥＮＴ??数值模拟熔池流淌过程中的溶质分布，利用控制变量法进行喷头大偏转角度下的熔池??位移实验，分析单因子工艺参数对熔池流淌的影响规律，获取优化的工艺数据。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]热冲压成形模具冷却系统的设计研究[J]. 庞立娟,张雪峰,黄治勇. 粉末冶金工业. 2018(04)
[2]激光熔覆周向倾斜薄壁圆环成形工艺的研究[J]. 孙佳钰,于天彪,赵雨,杨林,关闯. 中国激光. 2018(08)
[3]封闭空腔回转薄壁件的激光熔覆成形[J]. 王聪,石世宏,方琴琴,石拓,夏志新. 红外与激光工程. 2018(01)
[4]悬垂圆孔激光选区熔化成形质量研究[J]. 段声勤,刘婷婷,廖文和,张长东,杨涛. 中国激光. 2018(04)
[5]金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证[J]. 陈祯,杜军,魏正英,方学伟,李俊峰. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[6]一种大型薄壁碟形封头成形工艺优化[J]. 丁志杨,陈梁玉,赵坤民. 锻压装备与制造技术. 2017(02)
[7]钛合金空心结构的热等静压成形方法与力学性能研究[J]. 赵冰,廖金华,韩秀全,侯红亮,李志强. 航空制造技术. 2018(18)
[8]火箭模型头部薄壁椭圆件的加工[J]. 金亚云,康徐红,程洋,顾燕,赵玉凤. 科技视界. 2016(18)
[9]浅述增材制造技术颠覆传统制造业的几大方式[J]. 王娟. 科技创新与应用. 2016(04)
[10]精密电解加工在航空发动机整体结构件制造中的应用[J]. 程小元,黄明涛,张明岐,傅军英,张志金. 航空制造技术. 2015(Z2)
硕士论文
[1]基于光内同轴送粉激光熔覆变截面异形薄壁件堆积成形研究[D]. 曹非.苏州大学 2013
[2]倾斜薄壁结构件激光熔覆成形基础研究[D]. 江豪.大连理工大学 2012
[3]激光熔覆及快速成形专用铁基粉末的研制[D]. 付春霞.山东大学 2008
本文编号：3238043
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１薄壁蝶形封头?图１．?２锥形空心结构??２°—２１
悬垂闭合结构激光光内送粉成形工艺研究?第一章绪论??过对局部参数的实时调控，成功成形出悬垂结构。成形过程中，随着成形结构悬垂角??增大，单一熔覆层厚度逐渐减小，单层切片厚度仅有３５ｐｍ，且在接近水平位置处出??现激光穿透粉末的现象，结构水平位置处的壁厚仅为〇．３５＿，如图１．３所示。段声??勤、刘婷婷等人［２３］利用激光选区熔化技术，对圆孔试样进行分区分析，研宄了激光功??率、扫描线角度以及轮廓扫描次数对悬垂圆孔结构成形质量的影响。结果表明，激光??功率对圆孔成形质量的影响显著，随着激光功率的增大，圆孔圆度值增大，尺寸精度降??低，同时悬垂面出现细而长的熔池，部分熔池断裂球化成球状熔滴；当扫描线方向平行??于悬垂面边缘线时，悬垂面质量较好，但在成形圆孔顶部近水平悬垂面处出现严重塌陷；??在设置的扫描次数范围内，增加轮廓扫描次数可降低悬垂曲面表面粗糙度，优化表面质??量。通过ＳＬＭ的方法成形悬垂结构，成形周期较长、顶端形貌控制困难，无法成形??具有厚度要求的悬垂结构，且成形件的致密程度无法达到较高的标准。??〇?ｆ?２９１３??图１．３悬垂结构成形件?图１．４悬垂圆孔结构??１＾此你止丨等［２４］采用５轴螺旋扫通过定向沉积描成形了如图１．５所示的全致密的半??球形样件。Ｗｕ［２５］等采用３轴联动的方式及较小的ｚ轴提升量获得了最大倾角为３０°??的倒圆锥成形件（如图１．６所示）。Ｇｒｉｆｆｉｈ％】等通过对熔池的温度、尺寸和热梯度等??参数闭环控制制造出具有４０°悬垂角的倾斜圆管，而不采用闭环功能时悬垂角仅有??２０°。王续跃等［２７＿２８】建立了熔覆成形倾斜角度数学模型，堆积出最大倾斜角度３９．５°??的倾斜薄壁件。
第一章绪论?悬垂闭合结构激光光内送粉成形工艺研究??图１．５半球形样件?图１．６倒圆锥成形件??综上所述，悬垂封闭结构件的成形是金属制造领域有待解决的一大难题。传统??激光增材制造方法中，悬垂结构的成形多采用水平分层、层间错位方法，由于层间错??位太大容易造成滴落，故只能采用层间小错位，此法成形的倾角一般都较小，而且其??厚度随倾角增大而减小，尺寸误差大还难以达到封闭区位的合龙标准。另外，闭合位??附近己成形结构与成形工具之间的干涉也是难以合龙闭合的主因之一。本研究所团队??自主研发的激光光内送粉熔覆喷头在成形悬垂结构上具有一定优势，本文采用自主知??识产权的激光内送粉喷头，并研发悬垂闭合结构的特殊成形工艺，以尝试解决以上问??题。??１．３本文研究内容??本文基于光内送粉技术对悬垂闭合结构件成形展开研宄，针对封闭过程中存在的??法向成形干涉、悬垂结构翘曲、闭合端结构凸起与内凹等问题展开研宄分析，寻找合??理的成形方式成形出悬垂封闭结构，实现成形件顶端无缺陷闭合，保证成形件达到尺??寸精度、力学性能等指标。本文选取典型的拱形封闭结构进行试验，具体将从以下几??方面展开研宄：??（１）根据试验过程中结构件成形、控制、理化分析的要求，构建一套悬垂闭合??结构激光熔覆成形系统。??（２）研宄大倾角倾斜面熔池流淌变形现象与机理。主要针对大倾角斜向熔覆成??形熔池流淌沉积现象开展研宄，建立熔池受力力学模型并进行模拟分析，采用ＦＬＵＥＮＴ??数值模拟熔池流淌过程中的溶质分布，利用控制变量法进行喷头大偏转角度下的熔池??位移实验，分析单因子工艺参数对熔池流淌的影响规律，获取优化的工艺数据。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]热冲压成形模具冷却系统的设计研究[J]. 庞立娟,张雪峰,黄治勇. 粉末冶金工业. 2018(04)
[2]激光熔覆周向倾斜薄壁圆环成形工艺的研究[J]. 孙佳钰,于天彪,赵雨,杨林,关闯. 中国激光. 2018(08)
[3]封闭空腔回转薄壁件的激光熔覆成形[J]. 王聪,石世宏,方琴琴,石拓,夏志新. 红外与激光工程. 2018(01)
[4]悬垂圆孔激光选区熔化成形质量研究[J]. 段声勤,刘婷婷,廖文和,张长东,杨涛. 中国激光. 2018(04)
[5]金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证[J]. 陈祯,杜军,魏正英,方学伟,李俊峰. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[6]一种大型薄壁碟形封头成形工艺优化[J]. 丁志杨,陈梁玉,赵坤民. 锻压装备与制造技术. 2017(02)
[7]钛合金空心结构的热等静压成形方法与力学性能研究[J]. 赵冰,廖金华,韩秀全,侯红亮,李志强. 航空制造技术. 2018(18)
[8]火箭模型头部薄壁椭圆件的加工[J]. 金亚云,康徐红,程洋,顾燕,赵玉凤. 科技视界. 2016(18)
[9]浅述增材制造技术颠覆传统制造业的几大方式[J]. 王娟. 科技创新与应用. 2016(04)
[10]精密电解加工在航空发动机整体结构件制造中的应用[J]. 程小元,黄明涛,张明岐,傅军英,张志金. 航空制造技术. 2015(Z2)
硕士论文
[1]基于光内同轴送粉激光熔覆变截面异形薄壁件堆积成形研究[D]. 曹非.苏州大学 2013
[2]倾斜薄壁结构件激光熔覆成形基础研究[D]. 江豪.大连理工大学 2012
[3]激光熔覆及快速成形专用铁基粉末的研制[D]. 付春霞.山东大学 2008
本文编号：3238043
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