CN111922484B - 热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，包括以下步骤：步骤一：对待修复模具进行预处理，步骤二：取实体模型的上层外表面S₀来分层曲面，步骤三：获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}，步骤四：包括热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计和多材料随形梯度结构设计；步骤五：获得整个修复区域的随形梯度增材再制造的设计方案。本设计不仅有效避免了阶梯效应、提高了表面精度，节约了修复材耗、延长模具使用寿命，而且有利于消除多道焊道间的尺寸波动，提高整体表面精度，减小层间孔隙率。

Description

热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法

技术领域

本发明涉及一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，具体适用于热锻模具修复再制造。

背景技术

热锻模生产因其具有成本低、质量好及效率高等优点，是现代工业制造中广泛采用的一种工艺设备，但热锻模在服役过程中受到严酷的高热-交变载荷作用，极易产生磨损、开裂、变形等形式的失效，为节约生产成本，提高模具使用成本，通常需要对一个生命周期内的热锻模具进行多次修复再制造。

热锻模具的工作方式决定了其型腔内表面材料高温耐磨性要好，同时型腔内表面层到芯部的中间材料要具有较好的强度和韧性。从材料成本和模具性能角度考虑，对热锻模具的修复采用梯度材料结构设计是必然的趋势。随着电弧增材制造技术的快速发展，该技术在热锻模修复中已经得到实际应用，同时电弧增材制造技术在梯度材料结构设计中具有明显的优势。

目前大多数增材制造技术基于平面分层，该技术以智能机器人作为驱动装置，基于平面分层实现每层平面的堆焊、累加进而实现整个修复区域的打印。而增材制造技术的梯度材料结构设计是基于分层基础上实现的，实际打印时自下而上在不同层堆焊不同材料进而实现材料的梯度分布。基于平面分层的梯度材料结构设计导致热锻模具修复区域的侧壁存在材料的梯度变化，而部分侧壁总是暴露在型腔内表面，这导致按要求设计的表面层材料无法全覆盖热锻模型腔内表面，部分耐磨性差的芯部材料暴露在型腔内表面，所以梯度材料结构设计并不合理，同时平面分层固有的台阶效应与热锻模修复基体间融合不良，结合质量较差。所以基于平面分层的增材制造技术不适用于热锻模具的梯度材料结构设计。为此，需要对传统的平面分层增材制造技术加以改进，这里提出一种用于热锻模具型腔复杂曲面随形梯度增材再制造新方法，它是提取目标热锻模具型腔内壁曲面特征代替平面按一定间距对修复区域分层，分层结果类似于洋葱结构，但每层曲面更复杂，实际打印时将修复区域从上到下分为不同层，并且结合热、力分布情况和切片曲面族位置关系对各层单独进行多材料分区。这样既能使修复后型腔内表面都为设定的外表面材料，且能对各单层材料进行自由设计组合，又能规避台阶效应，使修复层和基体间结合紧密，提高热锻模具的服役寿命。

目前，热锻模具型腔复杂曲面随形梯度增材再制造方法在国内研究较少，在热锻模具修复再制造领域该方式较传统的基于平面分层的增材制造技术更为适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的修复基体间融合不良、结合质量较差的问题，提供了一种修复基体间融合良好、结合质量优的热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，所述随形梯度增材再制造方法包括以下步骤：

步骤一：对待修复模具进行预处理，对失效模具失效区域进行去除，并且适当扩展热锻模具型腔，平缓曲率较大区域；通过三维扫描仪或直接利用图像软件建模提取目标热锻模具和预处理后热锻模具三维模型，并进行布尔运算，得到待增材部分的实体三维模型；

步骤二：取实体模型的上层外表面S₀，作为随形分层的基准曲面，根据基准曲面结构特征沿曲面各处法向方向向下偏置1个设定厚度，并与实体模型布尔求差得到截留曲面S₁，也即曲面分层的第2层，S₁为实体模型上层外表面，S₁为S₀下方相邻曲面即第二层截留曲面；

步骤三：对步骤二的偏置距离再依次取i个设定厚度，i从2开始，直到第c个固定厚度偏置下重构三角面片与实体模型交集为空，取S_c-1截取实体模型的下表面作为S_c，结束求交运算，并对曲面偏置后产生自交的冗余部分剔除，最后得到所求曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}，i为S曲面的数字下角标表示相应曲面层，c为S曲面的数字下角标的最大值，S_c-1为第c-1个曲面，S_c为被S_c-1截取的实体模型下表面，U为曲面分层集合；

步骤四：所述步骤四包括：热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计和多材料随形梯度结构设计；

所述热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计，包括：以模具型面为基准的曲面随形分层、层间曲面随形路径规划和焊枪位姿确定及调整；热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计包括以下步骤：

Ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再基于工件坐标参考系，选取初始平面对曲面S₀进行求交运算得到轨迹点数据，即得S₀层间的第一条轨迹∫₀₀，再用平行于初始平面且偏置距离为j*d_焊道的若干平面对曲面求交得到轨迹∫_0j，j依次取1,2,...,直到第z+1个焊道搭接宽度偏置下的平面与曲面交集为空截止，至此求得S₀曲面的轨迹集合L₀＝{∫₀₀,∫₀₁,...,∫_0z}，∫₀₀、S₀层间的第一条轨迹，j为数字下角标，表示相应的轨迹；d_焊道为焊道搭接宽度，L₀为S₀曲面的轨迹集合；

Ⅱ、选取初始平面对曲面S_i求交，运算得到第i层上的第一列轨迹点数据，依照步骤Ⅰ进行轨迹偏置得到S_i曲面上的轨迹集合L_i＝{∫_i0,∫_i1,...,∫_iz}，i从1开始递加直至i＝c，即得到L_c截止，至此求得全部曲面轨迹集合V＝{L₀,L₁,...,L_c}，L_i为S_i曲面上轨迹集合，∫_i0为第i层曲面上j＝0轨迹，L_c为S_c曲面上轨迹集合，V为全部曲面轨迹集合；

Ⅲ、所有曲面上轨迹由一系列离散轨迹点拟合，取曲面上各轨迹线位于求交平面内的各轨迹点处的法向矢量为焊枪中心轴线指向，以焊枪末端即轨迹点坐标和焊枪轴线指向确定的焊枪的期望位姿；

Ⅳ、按照步骤Ⅲ中预设的焊枪期望位姿进行碰撞检测，对发生运动干涉区域轨迹点进行焊枪姿态调整，主要调整焊枪中心轴线指向，以微小角度转动焊枪中心轴线指向逼近铅锤方位实现焊枪姿态调整，直到运动干涉区域为空截止；

所述多材料随形梯度结构设计方法，包括根据热锻模服役工况、性能要求和典型结构特征提出内腔型面到芯部梯度分布的多材料分区结构设计，满足各区域材料热、力学性能要求，结合曲面随形分层结果和热、力载荷分布情况，确定模具腔型表面到芯部梯度分布的修复层分区结构；所述多材料随形梯度结构设计包括以下步骤：

ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再通过仿真分析获取待修复模具的工作的温度分布情况，选定一分区面，对该分区面与曲面分层集合U中各曲面空间位置进行对比，确定分区曲面S_α，分区曲面S_α完全位于等温面下方且相邻；S_α为分区曲面，由选取的分区面与曲面分层结果确定；

ⅱ、以分区曲面S_α上方U₁＝{S₀,S₁,...,S_α}构成单个区域Ω₁，选择具有高的热稳定性和高温耐磨性突出性质的堆焊材料填充该区域，Ω₁为曲面S₀到曲面S_α之间的区域；

ⅲ、以分区曲面S_α下方U₂＝{S_α,S_α+1,S_α+2}构成单个区域Ω₂，选择具有较好冲击韧性和强度突出性质的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能实现材料转变过渡，Ω₂为曲面S_α到曲面S_α+2之间的区域；

ⅳ、以分区曲面S_α+2下方U₃＝{S_α+2,...,S_c}构成单个区域Ω₃，选择具有抗拉性能好的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能够与修复基体实现良好的冶金结合，Ω₃为曲面S_α+2到曲面S_c之间的区域；

ⅴ：以区域Ω₁、Ω₂、Ω₃分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，实现三个区域的多材料随形梯度堆焊，且在区域Ω₁上方增设一层堆焊层；

步骤五：以步骤四中Ⅰ～Ⅳ获得的焊枪位姿对整个修复区域进行堆焊，并以ⅰ～ⅴ获得的Ω₁、Ω₂、Ω₃区域分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，进而实现整个修复区域的随形梯度增材再制造的修复方案。

所述步骤二中基于参考曲面创建的曲面集合满足相邻曲面在任意位置沿曲面法向方向层厚大致相等，具体可通过三维作图软件实现；固定厚度为焊道余高或焊道余高的修正值，由焊接工艺确定；

所述步骤三中曲面偏置产生自交的冗余部分常出现于曲面曲率大的上凸部位，可按曲面旋向不同剔除冗余上部。

所述步骤四的Ⅰ中与S₀求交的初始平面方位可人为设定；

所述步骤四的Ⅱ中相邻S_i(i＝0,1,...,c)的求交平面方位两两正交，S₀求交的初始平面方位一旦确定，所有曲面上的求交平面方位确定；

所述步骤四的Ⅲ中焊枪中心轴线的指向垂直于曲面能保证焊枪随形运动时焊丝干伸长量稳定，焊道成形质量一致性好；

所述步骤四的Ⅳ中焊枪的位姿可能受到待修复模具型腔基体的空间限制引发碰撞，以每次调整5°逼近竖直方向。

所述步骤四的ⅰ中的分区曲面S_α是对分区面的近似代替，方便随形增材再制造实施；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的分区是以S_α、S_α+2曲面为界将修复区域从型面到芯部梯度分割为三个区域；

所述步骤四的ⅴ中在区域Ω₁上方增设一层堆焊层，即在S₀上添加一层堆焊层，增设的一层堆焊层既能减少因曲面分层精度带来的实际打印时的误差又能保证机加工需要。

所述步骤四的ⅰ中的分区面人为选定的，参照热作模具盖面层修复焊丝厂家给出的工作温度范围和力学性能指标进行分区；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的单个区域Ω₁、Ω₂、Ω₃既包含各区域对应的曲面集合，也包括曲面集合间间隔的空间；Ω₁区域处于高温和剧烈摩擦状态，选用RMD750或RMD752或RMD765焊丝；Ω₂区域承受较高温度和冲击力，选用RMD545或RMD248焊丝；Ω₃区域为模具失效形式的拓展处，选用RMD535或RMD142焊丝；匹配原则为不同修复层应具有相似的热膨胀系数和良好的冶金结合性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法中利用堆焊层沿曲面结构随形分布的特点，解决了平面增材方式中存在的阶梯效应，表面精度较高，同时还可以减少切削加工的余量，有利于节省焊材使用量，提高再制造修复效率。因此，本设计采用随形分布的方式有效避免了阶梯效应、提高了表面精度，节约了修复材耗。

2、本发明一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法中曲面随形增材方式可以根据曲面结构特征，自适应调整分层曲面及其路径，有效地解决了堆焊层侧壁熔合不良的问题，提高了堆焊层与基体和侧壁结合性，有利于提高再制造模具的服役寿命。因此，本设计有效地解决了堆焊层侧壁熔合不良的问题，提高了堆焊层与基体和侧壁结合性，有利于提高再制造模具的服役寿命。

3、本发明一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法中的采用层间正交轨迹方式，有利于消除多道焊道间的尺寸波动，提高整体表面精度，减小层间孔隙率。因此，本设计有利于消除多道焊道间的尺寸波动，提高整体表面精度，减小层间孔隙率。

4、本发明一种热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法中多材料随形梯度结构设计方法使得材料分布更加合理，达到模具修复后的材料～结构～性能～制造工艺一体化设计的目的，提高了材料使用率，同时进一步使模具服役寿命最大化。因此，本设计通过多材料随形和梯度结构设计相融，进一步提高了材料的利用率，延长磨具服役寿命。

附图说明

图1是本发明的基本步骤流程图。

图2为本发明的曲面随形分层示意图。

图3为本发明曲面随形轨迹规划路径俯视图。

图4为本发明的多材料随形分布结构图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图4，热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，所述随形梯度增材再制造方法包括以下步骤：

步骤一：对待修复模具进行预处理，对失效模具失效区域进行去除，并且适当扩展热锻模具型腔，平缓曲率较大区域；通过三维扫描仪或直接利用图像软件建模提取目标热锻模具和预处理后热锻模具三维模型，并进行布尔运算，得到待增材部分的实体三维模型；

步骤二：取实体模型的上层外表面S₀，作为随形分层的基准曲面，根据基准曲面结构特征沿曲面各处法向方向向下偏置1个设定厚度，并与实体模型布尔求差得到截留曲面S₁，也即曲面分层的第2层，S₁为实体模型上层外表面，S₁为S₀下方相邻曲面即第二层截留曲面；

步骤三：对步骤二的偏置距离再依次取i个设定厚度，i从2开始，直到第c个固定厚度偏置下重构三角面片与实体模型交集为空，取S_c-1截取实体模型的下表面作为S_c，结束求交运算，并对曲面偏置后产生自交的冗余部分剔除，最后得到所求曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}，i为S曲面的数字下角标表示相应曲面层，c为S曲面的数字下角标的最大值，S_c-1为第c-1个曲面，S_c为被S_c-1截取的实体模型下表面，U为曲面分层集合；

步骤四：所述步骤四包括：热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计和多材料随形梯度结构设计；

所述热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计，包括：以模具型面为基准的曲面随形分层、层间曲面随形路径规划和焊枪位姿确定及调整；热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计包括以下步骤：

Ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再基于工件坐标参考系，选取初始平面对曲面S₀进行求交运算得到轨迹点数据，即得S₀层间的第一条轨迹∫₀₀，再用平行于初始平面且偏置距离为j*d_焊道的若干平面对曲面求交得到轨迹∫_0j，j依次取1,2,...,直到第z+1个焊道搭接宽度偏置下的平面与曲面交集为空截止，至此求得S₀曲面的轨迹集合L₀＝{∫₀₀,∫₀₁,...,∫_0z}，∫₀₀、S₀层间的第一条轨迹，j为数字下角标，表示相应的轨迹；d_焊道为焊道搭接宽度，L₀为S₀曲面的轨迹集合；

Ⅱ、选取初始平面对曲面S_i求交，运算得到第i层上的第一列轨迹点数据，依照步骤Ⅰ进行轨迹偏置得到S_i曲面上的轨迹集合L_i＝{∫_i0,∫_i1,...,∫_iz}，i从1开始递加直至i＝c，即得到L_c截止，至此求得全部曲面轨迹集合V＝{L₀,L₁,...,L_c}，L_i为S_i曲面上轨迹集合，∫_i0为第i层曲面上j＝0轨迹，L_c为S_c曲面上轨迹集合，V为全部曲面轨迹集合；

Ⅲ、所有曲面上轨迹由一系列离散轨迹点拟合，取曲面上各轨迹线位于求交平面内的各轨迹点处的法向矢量为焊枪中心轴线指向，以焊枪末端即轨迹点坐标和焊枪轴线指向确定的焊枪的期望位姿；

Ⅳ、按照步骤Ⅲ中预设的焊枪期望位姿进行碰撞检测，对发生运动干涉区域轨迹点进行焊枪姿态调整，主要调整焊枪中心轴线指向，以微小角度转动焊枪中心轴线指向逼近铅锤方位实现焊枪姿态调整，直到运动干涉区域为空截止；

所述多材料随形梯度结构设计方法，包括根据热锻模服役工况、性能要求和典型结构特征提出内腔型面到芯部梯度分布的多材料分区结构设计，满足各区域材料热、力学性能要求，结合曲面随形分层结果和热、力载荷分布情况，确定模具腔型表面到芯部梯度分布的修复层分区结构；所述多材料随形梯度结构设计包括以下步骤：

ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再通过仿真分析获取待修复模具的工作的温度分布情况，选定一分区面，对该分区面与曲面分层集合U中各曲面空间位置进行对比，确定分区曲面S_α，分区曲面S_α完全位于等温面下方且相邻；S_α为分区曲面，由选取的分区面与曲面分层结果确定；

ⅱ、以分区曲面S_α上方U₁＝{S₀,S₁,...,S_α}构成单个区域Ω₁，选择具有高的热稳定性和高温耐磨性突出性质的堆焊材料填充该区域，Ω₁为曲面S₀到曲面S_α之间的区域；

ⅲ、以分区曲面S_α下方U₂＝{S_α,S_α+1,S_α+2}构成单个区域Ω₂，选择具有较好冲击韧性和强度突出性质的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能实现材料转变过渡，Ω₂为曲面S_α到曲面S_α+2之间的区域；

ⅳ、以分区曲面S_α+2下方U₃＝{S_α+2,...,S_c}构成单个区域Ω₃，选择具有抗拉性能好的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能够与修复基体实现良好的冶金结合，Ω₃为曲面S_α+2到曲面S_c之间的区域；

ⅴ：以区域Ω₁、Ω₂、Ω₃分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，实现三个区域的多材料随形梯度堆焊，且在区域Ω₁上方增设一层堆焊层；

步骤五：以步骤四中Ⅰ～Ⅳ获得的焊枪位姿对整个修复区域进行堆焊，并以ⅰ～ⅴ获得的Ω₁、Ω₂、Ω₃区域分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，进而实现整个修复区域的随形梯度增材再制造的修复方案。

所述步骤二中基于参考曲面创建的曲面集合满足相邻曲面在任意位置沿曲面法向方向层厚大致相等，具体可通过三维作图软件实现；固定厚度为焊道余高或焊道余高的修正值，由焊接工艺确定；

所述步骤三中曲面偏置产生自交的冗余部分常出现于曲面曲率大的上凸部位，可按曲面旋向不同剔除冗余上部。

所述步骤四的Ⅰ中与S₀求交的初始平面方位可人为设定；

所述步骤四的Ⅱ中相邻S_i(i＝0,1,...,c)的求交平面方位两两正交，S₀求交的初始平面方位一旦确定，所有曲面上的求交平面方位确定；

所述步骤四的Ⅲ中焊枪中心轴线的指向垂直于曲面能保证焊枪随形运动时焊丝干伸长量稳定，焊道成形质量一致性好；

所述步骤四的Ⅳ中焊枪的位姿可能受到待修复模具型腔基体的空间限制引发碰撞，以每次调整5°逼近竖直方向。

所述步骤四的ⅰ中的分区曲面S_α是对分区面的近似代替，方便随形增材再制造实施；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的分区是以S_α、S_α+2曲面为界将修复区域从型面到芯部梯度分割为三个区域；

所述步骤四的ⅴ中在区域Ω₁上方增设一层堆焊层，即在S₀上添加一层堆焊层，增设的一层堆焊层既能减少因曲面分层精度带来的实际打印时的误差又能保证机加工需要。

所述步骤四的ⅰ中的分区面人为选定的，参照热作模具盖面层修复焊丝厂家给出的工作温度范围和力学性能指标进行分区；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的单个区域Ω₁、Ω₂、Ω₃既包含各区域对应的曲面集合，也包括曲面集合间间隔的空间；Ω₁区域处于高温和剧烈摩擦状态，选用RMD750或RMD752或RMD765焊丝；Ω₂区域承受较高温度和冲击力，选用RMD545或RMD248焊丝；Ω₃区域为模具失效形式的拓展处，选用RMD535或RMD142焊丝；匹配原则为不同修复层应具有相似的热膨胀系数和良好的冶金结合性。

本发明的原理说明如下：

求交平面：与各曲面做求交运算的平面。

热锻模具待修复区域三维模型的建立实际可通过三维扫描仪采集所需三维模型，再导入三维造型软件进行布尔运算和修减。

曲面随形分层中，曲面族的等间距指相邻曲面各点延法线方向层厚均等，层厚约为一个焊道余高。

焊枪姿态由焊枪中心轴线方位唯一确定，焊枪中心轴线方位处于求交平面内，且与轨迹曲线各点切向垂直。轨迹点在在工件坐标系下的法向矢量用以确定焊枪期望姿态。焊枪姿态调整为修改焊枪期望姿态，将焊枪中心轴线方位以每次∠5°绕轨迹点转向铅锤方向，直到不发生运动干涉。

型面到芯部梯度分布的多材料分层指型腔外表面附近，处于高温和剧烈摩擦状态，其材料选择的突出性质为高的热稳定性和高温耐磨性。次表面层承受较高温度和冲击力，材料选择的突出性质为冲击韧性和强度较好，并能实现材料转变过渡，使冶金结合较好。与修复基体相连的底层是模具失效形式的拓展处，材料的突出性质为抗拉性能好。

层上分区结构设计，指热锻模具服役时热、力分布较为复杂，与增材制造工艺中分层曲面并不一致，针对同层不同区域按热、力情况不同选用不同突出性质材料，同时不同修复层应具有相似的热膨胀系数和好的冶金结合性。

实施例1：

热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，所述随形梯度增材再制造方法包括以下步骤：

步骤一：对待修复模具进行预处理，对失效模具失效区域进行去除，并且适当扩展热锻模具型腔，平缓曲率较大区域；通过三维扫描仪或直接利用图像软件建模提取目标热锻模具和预处理后热锻模具三维模型，并进行布尔运算，得到待增材部分的实体三维模型；

步骤二：取实体模型的上层外表面S₀，作为随形分层的基准曲面，根据基准曲面结构特征沿曲面各处法向方向向下偏置1个设定厚度，并与实体模型布尔求差得到截留曲面S₁，也即曲面分层的第2层，S₁为实体模型上层外表面，S₁为S₀下方相邻曲面即第二层截留曲面；

步骤三：对步骤二的偏置距离再依次取i个设定厚度，i从2开始，直到第c个固定厚度偏置下重构三角面片与实体模型交集为空，取S_c-1截取实体模型的下表面作为S_c，结束求交运算，并对曲面偏置后产生自交的冗余部分剔除，最后得到所求曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}，i为S曲面的数字下角标表示相应曲面层，c为S曲面的数字下角标的最大值，S_c-1为第c-1个曲面，S_c为被S_c-1截取的实体模型下表面，U为曲面分层集合；

步骤四：所述步骤四包括：热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计和多材料随形梯度结构设计；

所述热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计，包括：以模具型面为基准的曲面随形分层、层间曲面随形路径规划和焊枪位姿确定及调整；热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计包括以下步骤：

Ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再基于工件坐标参考系，选取初始平面对曲面S₀进行求交运算得到轨迹点数据，即得S₀层间的第一条轨迹∫₀₀，再用平行于初始平面且偏置距离为j*d_焊道的若干平面对曲面求交得到轨迹∫_0j，j依次取1,2,...,直到第z+1个焊道搭接宽度偏置下的平面与曲面交集为空截止，至此求得S₀曲面的轨迹集合L₀＝{∫₀₀,∫₀₁,...,∫_0z}，∫₀₀、S₀层间的第一条轨迹，j为数字下角标，表示相应的轨迹；d_焊道为焊道搭接宽度，L₀为S₀曲面的轨迹集合；

Ⅱ、选取初始平面对曲面S_i求交，运算得到第i层上的第一列轨迹点数据，依照步骤Ⅰ进行轨迹偏置得到S_i曲面上的轨迹集合L_i＝{∫_i0,∫_i1,...,∫_iz}，i从1开始递加直至i＝c，即得到L_c截止，至此求得全部曲面轨迹集合V＝{L₀,L₁,...,L_c}，L_i为S_i曲面上轨迹集合，∫_i0为第i层曲面上j＝0轨迹，L_c为S_c曲面上轨迹集合，V为全部曲面轨迹集合；

Ⅲ、所有曲面上轨迹由一系列离散轨迹点拟合，取曲面上各轨迹线位于求交平面内的各轨迹点处的法向矢量为焊枪中心轴线指向，以焊枪末端即轨迹点坐标和焊枪轴线指向确定的焊枪的期望位姿；

Ⅳ、按照步骤Ⅲ中预设的焊枪期望位姿进行碰撞检测，对发生运动干涉区域轨迹点进行焊枪姿态调整，主要调整焊枪中心轴线指向，以微小角度转动焊枪中心轴线指向逼近铅锤方位实现焊枪姿态调整，直到运动干涉区域为空截止；

所述多材料随形梯度结构设计方法，包括根据热锻模服役工况、性能要求和典型结构特征提出内腔型面到芯部梯度分布的多材料分区结构设计，满足各区域材料热、力学性能要求，结合曲面随形分层结果和热、力载荷分布情况，确定模具腔型表面到芯部梯度分布的修复层分区结构；所述多材料随形梯度结构设计包括以下步骤：

ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合U＝{S₀,S₁,...,S_c}为基础，再通过仿真分析获取待修复模具的工作的温度分布情况，选定一分区面，对该分区面与曲面分层集合U中各曲面空间位置进行对比，确定分区曲面S_α，分区曲面S_α完全位于等温面下方且相邻；S_α为分区曲面，由选取的分区面与曲面分层结果确定；

ⅱ、以分区曲面S_α上方U₁＝{S₀,S₁,...,S_α}构成单个区域Ω₁，选择具有高的热稳定性和高温耐磨性突出性质的堆焊材料填充该区域，Ω₁为曲面S₀到曲面S_α之间的区域；

ⅲ、以分区曲面S_α下方U₂＝{S_α,S_α+1,S_α+2}构成单个区域Ω₂，选择具有较好冲击韧性和强度突出性质的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能实现材料转变过渡，Ω₂为曲面S_α到曲面S_α+2之间的区域；

ⅳ、以分区曲面S_α+2下方U₃＝{S_α+2,...,S_c}构成单个区域Ω₃，选择具有抗拉性能好的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能够与修复基体实现良好的冶金结合，Ω₃为曲面S_α+2到曲面S_c之间的区域；

ⅴ：以区域Ω₁、Ω₂、Ω₃分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，实现三个区域的多材料随形梯度堆焊，且在区域Ω₁上方增设一层堆焊层；

步骤五：以步骤四中Ⅰ～Ⅳ获得的焊枪位姿对整个修复区域进行堆焊，并以ⅰ～ⅴ获得的Ω₁、Ω₂、Ω₃区域分界曲面S_α+2、S_α上轨迹的起点作为焊丝更换节点，进而实现整个修复区域的随形梯度增材再制造的修复方案。

所述步骤二中基于参考曲面创建的曲面集合满足相邻曲面在任意位置沿曲面法向方向层厚大致相等，具体可通过三维作图软件实现；固定厚度为焊道余高或焊道余高的修正值，由焊接工艺确定；所述步骤三中曲面偏置产生自交的冗余部分常出现于曲面曲率大的上凸部位，可按曲面旋向不同剔除冗余上部。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述步骤四的Ⅰ中与S₀求交的初始平面方位可人为设定；

所述步骤四的Ⅱ中相邻S_i(i＝0,1,...,c)的求交平面方位两两正交，S₀求交的初始平面方位一旦确定，所有曲面上的求交平面方位确定；

所述步骤四的Ⅲ中焊枪中心轴线的指向垂直于曲面能保证焊枪随形运动时焊丝干伸长量稳定，焊道成形质量一致性好；

所述步骤四的Ⅳ中焊枪的位姿可能受到待修复模具型腔基体的空间限制引发碰撞，以每次调整5°逼近竖直方向。

所述步骤四的ⅰ中的分区曲面S_α是对分区面的近似代替，方便随形增材再制造实施；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的分区是以S_α、S_α+2曲面为界将修复区域从型面到芯部梯度分割为三个区域；

所述步骤四的ⅴ中在区域Ω₁上方增设一层堆焊层，即在S₀上添加一层堆焊层，增设的一层堆焊层既能减少因曲面分层精度带来的实际打印时的误差又能保证机加工需要。

实施例3：

实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：

所述步骤四的ⅰ中的分区面人为选定的，参照热作模具盖面层修复焊丝厂家给出的工作温度范围和力学性能指标进行分区；所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的单个区域Ω₁、Ω₂、Ω₃既包含各区域对应的曲面集合，也包括曲面集合间间隔的空间；Ω₁区域处于高温和剧烈摩擦状态，选用RMD750或RMD752或RMD765焊丝；Ω₂区域承受较高温度和冲击力，选用RMD545或RMD248焊丝；Ω₃区域为模具失效形式的拓展处，选用RMD535或RMD142焊丝；匹配原则为不同修复层应具有相似的热膨胀系数和良好的冶金结合性。

Claims (5)

1.热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，其特征在于：

所述随形梯度增材再制造方法包括以下步骤：

步骤一：对待修复模具进行预处理，对失效模具失效区域进行去除，并且适当扩展热锻模具型腔，平缓曲率较大区域；通过三维扫描仪或直接利用图像软件建模提取目标热锻模具和预处理后热锻模具三维模型，并进行布尔运算，得到待增材部分的实体三维模型；

步骤二：取实体模型的上层外表面

，作为随形分层的基准曲面，根据基准曲面结构特 征沿曲面各处法向方向向下偏置1个设定厚度，并与实体模型布尔求差得到截留曲面

，也 即曲面分层的第2层，

为实体模型上层外表面，

为

下方相邻曲面即第二层截留曲面；

步骤三：对步骤二的偏置距离再依次取

个设定厚度，

从2开始，直到第

个固定厚度偏 置下重构三角面片与实体模型交集为空，取

截取实体模型的下表面作为

，结束求交运 算，并对曲面偏置后产生自交的冗余部分剔除，最后得到所求曲面分层集合

{

,

,...,

}，

为

曲面的数字下角标表示相应曲面层，

为

曲面的数字下角标的最大值，

为第

个曲面，

为被

截取的实体模型下表面，

为曲面分层集合；

步骤四：包括：热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计和多材料随形梯度结构设计；

所述热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计，包括：以模具型面为基准的曲面随形分层、层间曲面随形路径规划和焊枪位姿确定及调整；热锻模具型腔复杂曲面随形增材设计包括以下步骤：

Ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合

{

,

,...,

}为基础，再基于工件坐标参考系， 选取初始平面对曲面

进行求交运算得到轨迹点数据，即得

层间的第一条轨迹

，再用平 行于初始平面且偏置距离为

的若干平面对曲面求交得到轨迹

，

依次取1, 2,...,直到第

个焊道搭接宽度偏置下的平面与曲面交集为空截止，至此求得

曲面的 轨迹集合

{

,

,...,

}，

、

层间的第一条轨迹，

为数字下角标，表示相应的轨迹；

为焊道搭接宽度，

为

曲面的轨迹集合；

Ⅱ、选取初始平面对曲面

求交，运算得到第

层上的第一列轨迹点数据，依照步骤Ⅰ进 行轨迹偏置得到

曲面上的轨迹集合

{

,

,...,

}，

从1开始递加直至

，即得到

截止，至此求得全部曲面轨迹集合

{

,

,...,

}，

为

曲面上轨迹集合，

为第

层曲 面上

=0轨迹，

为

曲面上轨迹集合，

为全部曲面轨迹集合；

Ⅲ、所有曲面上轨迹由一系列离散轨迹点拟合，取曲面上各轨迹线位于求交平面内的各轨迹点处的法向矢量为焊枪中心轴线指向，以焊枪末端即轨迹点坐标和焊枪轴线指向确定焊枪的期望位姿；

Ⅳ、按照步骤Ⅲ中预设的焊枪期望位姿进行碰撞检测，对发生运动干涉区域轨迹点进行焊枪姿态调整，主要调整焊枪中心轴线指向，以微小角度转动焊枪中心轴线指向逼近铅锤方位实现焊枪姿态调整，直到运动干涉区域为空截止；

所述多材料随形梯度结构设计，包括根据热锻模服役工况、性能要求和典型结构特征提出内腔型面到芯部梯度分布的多材料分区结构设计，满足各区域材料热、力学性能要求，结合曲面随形分层结果和热、力载荷分布情况，确定模具腔型表面到芯部梯度分布的修复层分区结构；所述多材料随形梯度结构设计包括以下步骤：

ⅰ、以步骤三中获得的曲面分层集合

{

,

,...,

}为基础，再通过仿真分析获取待 修复模具的工作的温度分布情况，选定一分区面，对该分区面与曲面分层集合

中各曲面空 间位置进行对比，确定分区曲面

，分区曲面

完全位于等温面下方且相邻；

为分区曲面， 由选取的分区面与曲面分层结果确定；

ⅱ、以分区曲面

上方

{

,

,...,

}构成单个区域

，选择具有高的热稳定性和 高温耐磨性突出性质的堆焊材料填充该区域，

为曲面

到曲面

之间的区域；

ⅲ、以分区曲面

下方

{

,

,

}构成单个区域

，选择具有较好冲击韧性和强 度突出性质的堆焊材料填充该区域，且该堆焊材料能实现材料转变过渡，

为曲面

到曲 面

之间的区域；

ⅳ、以分区曲面

下方

{

,...,

}构成单个区域

，选择具有抗拉性能好的堆 焊材料填充该区域，且该堆焊材料能够与修复基体实现良好的冶金结合，

为曲面

到曲 面

之间的区域；

ⅴ：以区域

、

、

分界曲面

、

上轨迹的起点作为焊丝更换节点，实现三个区域 的多材料随形梯度堆焊，且在区域

上方增设一层堆焊层；

步骤五：以步骤四中Ⅰ~Ⅳ获得的焊枪位姿对整个修复区域进行堆焊，并以ⅰ~ⅴ获得的

、

、

区域分界曲面

、

上轨迹的起点作为焊丝更换节点，进而实现整个修复区域的 多材料随形梯度增材再制造的修复方案。

2.根据权利要求1所述的热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，其特征在于：

所述步骤二中基于参考曲面创建的曲面集合满足相邻曲面在任意位置沿曲面法向方向层厚大致相等，具体可通过三维作图软件实现；固定厚度为焊道余高或焊道余高的修正值，由焊接工艺确定；

所述步骤三中曲面偏置产生自交的冗余部分常出现于曲面曲率大的上凸部位，可按曲面旋向不同剔除冗余上部。

3.根据权利要求1所述的热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，其特征在于：

所述步骤四的Ⅰ中与

求交的初始平面方位可人为设定；

所述步骤四的Ⅱ中相邻

的求交平面方位两两正交，

求交的初始平面方位 一旦确定，所有曲面上的求交平面方位确定；

所述步骤四的Ⅲ中焊枪中心轴线的指向垂直于曲面能保证焊枪随形运动时焊丝干伸长量稳定，焊道成形质量一致性好；

所述步骤四的Ⅳ中焊枪的位姿可能受到待修复模具型腔基体的空间限制引发碰撞，以每次调整5^◦逼近竖直方向。

4.根据权利要求1所述的热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，其特征在于：

所述步骤四的ⅰ中的分区曲面

是对分区面的近似代替，方便随形增材再制造实施；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的分区是以

、

曲面为界将修复区域从型面到芯部梯度 分割为三个区域；

所述步骤四的ⅴ中在区域

上方增设一层堆焊层，即在

上添加一层堆焊层，增设的一 层堆焊层既能减少因曲面分层精度带来的实际打印时的误差又能保证机加工需要。

5.根据权利要求4所述的热锻模具型腔的复杂曲面随形梯度增材再制造方法，其特征在于：

所述步骤四的ⅰ中的分区面人为选定的，参照热作模具盖面层修复焊丝厂家给出的工作温度范围和力学性能指标进行分区；

所述步骤四的ⅱ、ⅲ、ⅳ中的单个区域

、

、

既包含各区域对应的曲面集合，也包括 曲面集合间间隔的空间；

区域处于高温和剧烈摩擦状态，选用RMD750或RMD752或RMD765 焊丝；

区域承受较高温度和冲击力，选用RMD545或RMD248焊丝；

区域为模具失效形式的 拓展处，选用RMD535或RMD142焊丝；匹配原则为不同修复层应具有相似的热膨胀系数和良 好的冶金结合性。

Images