热锻模具电弧增材再制造技术研究进展

热锻模具是制造业中的基础工艺装备,是大规模生产的基础。由于其复杂的工作环境,热锻模具内部易产生疲劳裂纹、磨损、塑性变形等失效。将电弧增材技术引入热锻模具修复与再制造可提高模具基体材料的利用率,降低制造成本,提高锻造生产连续性。本文总结了热锻模具的主要失效形式及成因,并通过对现有修复技术比较,得出了电弧增材技术的适用性范围。分析了焊材、工序及工艺因素等对热锻模具再制造质量的影响,结合该技术已取得的进展及面临的技术瓶颈,对热锻模具电弧增材再制造技术的未来研究方向进行了展望:如研究热锻模具再制造专用焊材、匹配低热输入量增材制造工艺、建立电弧增材制造多金属层热锻模具剩余服役寿命预测模型、研发增减材净成形修复设备等。

电弧微铸锻复合增材制造Safra 66铝合金组织及性能的研究

利用电弧微铸锻复合增材制造装置直接成形了Safra 66铝合金制件,对电弧自由熔积成形与电弧微铸锻复合成形的Safra 66铝合金的组织特征和力学性能进行测试和分析,对比研究了微铸锻复合成形的断口形貌。结果表明:与自由熔积成形相比,微铸锻复合成形工艺可使Safra 66铝合金的组织更加均匀,晶粒得到整体细化,屈服强度提高31.1%,抗拉强度提高11.3%,伸长率提高20.0%,平均硬度提高15.5%。

基于关节机器人的电弧熔丝焊锻复合增材再制造热锻模修复

为了降低失效热锻模修复成本、提高修复效率,基于ABB工业关节机器人,开发了电孤熔丝焊锻复合增材再制造算法和装备,并用曲轴热锻模具进行再制造修复,以验证算法和装备的有效性。首先,提出增材制造目标模型的分层切片、截面复合填充算法;随后,提出满足增材再制造工艺所需的关节机器人TCP姿态控制算法,以达到控制焊枪与焊接路径夹角的目的,从而提高焊接成形质量;最后,选用失效曲轴热锻模进行了修复实验。结果表明,相较于人工修复,采用该工艺可大幅节约焊接材料并显著降低修复时间。人工修复和自动修复后的热锻模在相同条件下服役后,自动修复的热锻模表面光滑,微裂纹和塌陷缺陷少,比人工修复的热锻模具有更好的表面形貌,模具服役寿命得到显著提高。

电弧微铸锻增材制造AlMgSc合金纵扭复合超声振动干铣削加工特性研究

对电弧微铸锻增材制造AlMgSc合金进行纵扭超声复合干铣削加工特性试验研究,探讨超声铣削工艺参数对切削力、表面形貌、加工硬化及刀具磨损等AlMgSc合金干铣削成形特性的影响规律。结果表明:与锻造和常规电弧增材成形铝合金相比,微铸锻增材制造AlMgSc合金由于具备更加致密的微观组织、更高的强度和硬度而在超声干铣削成形过程中会产生更大的铣削力,更容易发生加工硬化。与常规干铣削相比,采用纵扭复合超声干铣削可以获得更小的表面粗糙度,并有利于减轻刀具磨损。

微铸锻对电弧增材制造5A56铝合金组织与性能的影响

选择5A56铝合金丝材进行电弧增材制造,对比研究自由沉积和微铸锻两种工艺下合金的沉积特征、组织特征、室温拉伸力学性能和断口的SEM形貌,探究微铸锻对合金显微组织和力学性能的影响机理。结果表明:两工艺前两层的沉积层高度相近。微铸锻产生的总变形量由三层单道的17.6%下降到多层单道的7.9%。微铸锻工艺各位置的显微组织更加细小和均匀,β相(Mg5Al8)在晶间为不连续球状分布。微铸锻在垂直于成型方向(即z向)的抗拉强度σb为348.67 MPa,屈服强度σ0.2为204.74 MPa,伸长率δ为20.38%,综合性能优于自由沉积态。二者的断口为韧性断裂,且微铸锻工艺的韧窝更为细小,分布更为均匀。

ZL114A铝合金电弧-激光微铸锻复合增材制造组织与力学性能研究

对ZL114A铝合金进行电弧-激光自由熔积和电弧-激光微铸锻复合增材成形实验,探究工艺条件对该铝合金的冶金缺陷、显微组织、力学性能和断口SEM形貌的影响机理。结果表明:电弧-激光微铸锻增材成形工艺能明显抑制成形过程中气孔的产生,显微组织更加细小、均匀,共晶硅在晶间弥散分布;与电弧-激光自由熔积工艺相比,熔积扫描方向、熔积增高方向的拉伸强度、塑性、布氏硬度均提高;两种工艺的试样拉伸断口形貌均为细小的等轴韧窝,但电弧-激光微铸锻工艺的拉伸断面微型气孔缺陷更少。

5CrNiMo钢表面电弧增材制造梯度结构用药芯丝材的研制及应用

设计了用于5CrNiMo钢表面电弧增材制造梯度结构(打底层、过渡层、硬面层)的3种药芯丝材,研究了基体及梯度层的显微组织、拉伸性能、磨损性能和结合性能,并对发动机高温合金盘用梯度结构模具进行了电弧增材制造。结果表明:3种药芯丝材均具有良好的成形性,不同金属层界面结合良好,结合强度均高于1000MPa;过渡层和硬面层组织中弥散分布着细小的碳化物;5CrNiMo钢、打底层、过渡层、硬面层的抗拉强度、屈服强度和硬度依次增大,而梯度层的断后伸长率和断面收缩率依次减小;700℃下,硬面层的磨损率较5CrNiMo钢的降低了35.29%,硬面层具有良好的耐高温磨损性能;使用设计的药芯丝材电弧增材制造的高温合金盘用梯度结构模具的使用寿命为单一5CrNiMo钢模具的4倍以上。

大型航空热锻模增材复合制造修复技术及应用

为了提高大型航空热锻模的服役寿命、降低其制造成本,将电弧熔丝增材制造技术应用于大型航空热锻模的再制造修复。首先,利用数值仿真技术得到模具在服役时的温度场和应力场,并根据其分布状态设计了模具的三层梯度结构,实现原模具基体上覆盖少量具有较好高温红硬性材料的目的,进而在降低模具再制造成本的同时提升模具寿命。其次,针对三层结构中的过渡层和强化层,分别设计了铁基和钴基材料。分析表明在室温下过渡层材料的强度最高、硬度最大、塑性最差,强化层材料在室温下的塑性和强度都略高于基体材料;在650℃高温下,强化层材料的强度最高,并且显著高于过渡层材料和基体材料。这种分层材料的设计,能够保证模具在服役时候表面强化层在高温下能够抵抗磨损和塑性变形,而过渡层温度较低又能提供强有力的强度支撑。最后,对某钛合金一梁大型锻模、超高强度钢起落架大型锻模进行了再制造修复验证,经多批次生产的考核验证,比传统方法制造的模具寿命提高了数倍,再制造锻模未出现裂纹、塑性变形等缺陷,表面层保持良好,变形量较原5CrNiMo模具小得多。

热锻模药芯焊丝电弧增材制造熔覆层摩擦磨损性能

目的研究工艺参数、搭接区域对熔覆层组织和性能的影响以及磨损性能的各向异性。方法在H13基板上分别制备单道多层和多道多层熔覆层。对熔覆试样进行2次高温回火,分别对单道多层和多道多层试样的搭接区与非搭接区进行往复磨损实验。研究多道多层试样平行和垂直于扫描方向熔覆层的磨损性能,结合金相组织,讨论磨损性能与组织的关系。结果熔覆层的组织为回火马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物。与扫描速度8 mm/s相比,扫描速度10 mm/s时熔覆层的残余奥氏体含量更高、硬度更低、磨损轮廓更大。与非搭接区相比,搭接区组织更为粗大、摩擦因数表现更不稳定、磨损轮廓更大。与平行扫描方向相比,垂直于扫描方向的试样摩擦因数更稳定、磨损轮廓尺寸更小。结论扫描速度8 mm/s时的单道多层熔覆层的磨损性能优于扫描速度10 mm/s时的;多道多层熔覆层搭接区的磨损性能比非搭接区的磨损性能差,与平行扫描方向相比,垂直扫描方向的熔覆层磨损性能表现较佳。

复杂型腔锻模电弧增材再制造分层切片方法

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.

汽车曲轴热锻模焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺

为了提高曲轴模具的服役寿命和降低再制造成本,提出了焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺,并开发了相应的软件和硬件系统。在该工艺中,曲轴模具的增材目标模型被分层切片和轨迹规划,并将锤击轨迹和焊接轨迹重合从而将每一道焊缝均进行焊后锤击。锤击分析表明,焊后锤击能够将焊缝残余拉应力矫正为残余压应力,提高焊缝的力学性能。自动增材制造工艺中模具被随形增材,而人工修复模具则采用满焊工艺,因此,自动增材制造工艺能够大幅节省材料大约50%以上,降低焊接时间50%以上。在服役8000件后,自动修复模具的压塌区域和压塌量显著少于人工修复模具,此外表面微裂纹的数量也得到了大幅降低,使得模具的服役寿命大幅提高。

电弧增材制造复杂截面等距填充路径生成算法

为了解决增材制造、计算机数控(CNC)加工中的任意复杂截面的等距填充问题,提出了一种基于水平集函数的等距填充路径生成算法.首先,针对复杂截面等距填充问题的特点,提出了水平集函数演变偏微分方程及其演变规则,通过有限差分法构建了前向欧拉迭代公式并设计了整个等距填充的算法流程;然后,使用一个复杂截面进行了有限差分数值实验验证,结果表明提出的新算法能够避免复杂的多边形交、差、并、裂解等运算,高效处理复杂截面的等距随形状填充;最后,以一个失效的曲轴热锻模为例,进行了分层切片、等距填充规划处理和电弧熔丝增材制造修复实验,验证了算法的有效性.

多向锻造对电弧熔丝增材制造300M钢微观组织及拉伸性能的影响

为了解决电弧增材制造超高强钢构件中存在的晶粒粗大、成分不均匀和力学性能较差等问题,提出一种将电弧熔丝增材制造和多向锻造相结合的复合成形技术。首先,采用电弧熔丝增材制造技术加工出300M钢块体,然后对其进行多向锻造实验,并采用单向拉伸实验对多向锻造前后300M钢的拉伸性能进行测试,采用金相显微镜、扫描电子显微镜对微观组织和拉伸断口进行观察分析。结果表明:经过多向锻造后,沉积态的柱状晶被打碎并形成了均匀的等轴晶,微气孔得到消除,微观组织由贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成。多向锻造后,材料的横向和竖向拉伸性能得到了大幅提升,各向异性得到消除,抗拉强度提高了205.1~281.8 MPa,屈服强度提高了23.9~50.5 MPa,伸长率提高了15.5%~16.2%,且拉伸断裂模式由准解理断裂转变为韧性断裂。