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

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160A，电压为19V，焊接速度为5mm/s，焊缝宽度为6mm、焊缝间距为4mm、焊缝高度为3mm。 （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MSC.Marc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296MPa，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400MPa，370MPa。 （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250MPa。

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第一章 绪论

1.1本课题研究背景

1.2模具失效形式分析

1.3模具修复方法概述

1.4本课题相关领域国内外研究现状

1.4.1逆向工程技术研究现状

1.4.2堆焊增材制造技术研究现状

1.5本课题研究目标及意义

第二章 本课题研究方案制定

2.1研究技术路线

2.2研究内容及研究手段

第三章 基于逆向工程获取锻模缺损部位的模型及模型的实体化

3.1锻模的设计及其加工

3.1.1原始锻模图的设计

3.1.2待修复锻模图的设计

3.1.3 两种锻模的实际加工

3.2便捷式测量系统简介

3.2.1硬件测量系统

3.2.2软件测量系统

3.3锻模缺损部位数字化表面模型获取及处理

3.3.1扫描获取两种锻模表面的点云数据及处理

3.3.2锻模缺损部位的表面模型获取及处理

3.4锻模缺损部位三角化模型的实体化

3.4.1NUBERS表面模型的获取及锻模缺损部位模型的实体化

3.4.2轮廓草图的获取及锻模缺损部位模型的实体化

3.5扫描获取锻模缺损部位模型与目标缺损量模型的比对结果分析

3.6本章小结

第四章机器人熔丝堆焊增材修复锻模工艺的研究

4.1 机器人熔丝堆焊成形路径规划

4.2 离线编程生成单双向直线形熔丝堆焊路径轨迹

4.2.1双向直线形熔丝堆焊增材路径轨迹的生成

4.2.2单向直线形熔丝堆焊增材路径轨迹的生成

4.3 偏置环形熔丝堆焊增材路径轨迹的生成

4.4锻模堆焊修复工艺参数的实验研究

4.4.1实验设备及材料

4.4.2实验工艺参数的制定

4.5试验路径

4.6待修复锻模的熔丝堆焊增材修复过程

4.7修复后锻模的宏观形貌及微观组织测试分析

4.7.1金相试样的选取及制备

4.7.2试样宏观形貌和微观组织的测试分析

4.8本章小结

第五章多层多道单/双向直线路径轨迹熔丝堆焊增材过程动态数值模拟

5.1 MSC.Marc有限元分析软件的介绍

5.2 锻模熔丝堆焊修复过程的模拟流程设计

5.3材料性能参数的选定

5.4锻模熔丝堆焊修复模拟的工艺参数条件

5.5热源模型的分析及选择

5.5.1Rosenthal解析式热源模型

5.5.2高斯热源模型

5.5.3半球状热源模型和椭球型热源模型

5.5.4双椭球热源模型

5.6单/双向直线形路径多层多道的熔丝堆焊动态模拟

5.6.1建模及有限元网格划分

5.6.2施加材料性能参数

5.6.3建立熔丝堆焊路径和焊道

5.6.4设置焊道与基体的接触关系

5.6.5施加边界条件

5.6.6定义熔丝堆焊过程和冷却过程

5.6.7定义作业

5.7单/双向直线形路径多层多道熔丝堆焊模拟结果分析

5.7.1温度场模拟结果分析

5.7.2两种不同路径下节点的热循环比较分析

5.7.3应力场模拟结果分析

5.8本章小结

第六章多层多道环形路径轨迹熔丝堆焊增材过程动态数值模拟

6.1材料性能参数的选定

6.2锻模熔丝堆焊修复模拟的工艺参数条件

6.3热源的选择

6.4偏置环形路径多层多道堆焊模拟过程

6.4.1建模及有限元网格划分

6.4.2施加材料性能参数

6.4.3建立熔丝堆焊路径和焊道

6.4.4设置焊道与基体的接触关系

6.4.5施加边界条件

6.4.6定义熔丝堆焊过程和冷却过程

6.4.7定义作业

6.5偏置环形路径多层多道熔丝堆焊模拟结果

6.5.1温度场模拟结果分析

6.5.2应力场模拟结果分析

6.6本章小结

第七章 单层多道单/双向直线路径轨迹熔丝堆焊增材过程动态数值模拟

7.1材料性能参数的选定

7.2锻模熔丝堆焊修复模拟的工艺参数条件

7.3热源的选择

7.4单/双向直线形路径多层多道熔丝堆焊模拟过程

7.4.1模型的建立及有限元网格划分

7.4.2施加材料性能参数

7.4.3建立熔丝堆焊路径和焊道

7.4.4设置焊道与基体的接触关系

7.4.5施加边界条件

7.4.6定义熔丝堆焊过程和冷却过程

7.4.7定义作业

7.5单/双向直线路径多层多道熔丝堆焊模拟结果

7.5.1温度场模拟分析

7.5.2堆焊增材成形过程中节点热循环变化分析

7.5.3应力场模拟分析

7.6本章小结

第八章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢