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3D激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载 将引领先进制造成长

版权:今日尺度颁发时间:2018-11-22浏览量:1175



随着数字化设计与制造巴萨直播360直播-官方版APP下载的广泛应用,基于CAD模型的产物研制已经成为航空制造业的主流模式。在该模式下,通常基于零件的CAD模型和材料毛坯,通过去除材料或变形的方式得到与CAD模型几何一直的零件实体。尽管该模式对航空制造业的进步起到了巨大的鞭策作用,然而若干年的工业实践也注解这是一项十分耗时和巴萨直播360直播-官方版APP下载难度较高的工作,尤其是针对要求高性能、具有复杂布局且在航空制造业中广泛应用的钛合金构件的研制。

 

针对这一现状,呈现了一种变化性的数字化制造巴萨直播360直播-官方版APP下载——激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载。该巴萨直播360直播-官方版APP下载打破传统去除材料或变形的制造模式,采用“离散+堆积”的增材制造思想,由CAD模型一步完成构件的制造,具有无需模具、几何外形复杂度无限制、加工周期短、制造成本低、柔性高、综合性能优异等显著优势。该巴萨直播360直播-官方版APP下载自20世纪90年代问世以来,迅速成为航空大国竞相优先成长的一种先进制造巴萨直播360直播-官方版APP下载。

 

作为航空强国,美国引领着这一先进制造巴萨直播360直播-官方版APP下载的成长,并实现了飞机钛合金布局件激光快速成形制造的研发和工程化应用。目前,激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载已成为美国航空航天国防兵器装备大型钛合金布局件的核心制造巴萨直播360直播-官方版APP下载之一。

 

在F/A-18E、F22和F35等先进战机上,大量钛合金、不锈钢等材料的薄壁布局件、复杂加筋件和空腔布局件等均采用该巴萨直播360直播-官方版APP下载制造。北京航天航天大学王华明教授的研究团队冲破了钛合金、超高强度钢等材料的大型复杂构件激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载,并已成功开展工程化应用。

 

王教授的团队凭借“3D激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载”获国家巴萨直播360直播-官方版APP下载发明一等奖。西北工业大学黄卫东教授的研究团队针对激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载的相关理论、巴萨直播360直播-官方版APP下载及应用方面开展了大量的研究工作。目前,激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载已经能够制造主承力航空构件,制造的最大零件的投影面积已达12m2,并且材料操作率在70%以上。

 

激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载原理、要害程序及优势

 

在原理上,激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载打破“去除材料或变形”的常规加工思想,采用“增材”原理进行零件的成形。该巴萨直播360直播-官方版APP下载操作激光具有能量集中、易于控制、并且是成本较低的工业能量的优势,精确调节与控制激光光速,实现对材料的精细堆积与加工处理,从而快速制造高致密复杂金属构件。

 

激光快速成形的主要过程及要害程序为:首先对零件的CAD模型进行切片处理,将零件的网格模型按必然厚度分层离散成一系列类似计算机灰度图像的2D轮廓数据;然后基于轮廓数据生成可控制激光运动的数控驱动程序,从而驱动激光自底向上逐层熔覆沉积金属粉末;最终获得组织致密、高性能的“近净形“零件。完整的激光快速成形制造流程如图1所示。

 

 

图1 激光快熟成形过程

 

针对激光快速成形中的CAD模型切片问题,刘厚才等提出了基于轮廓边的快速求交算法,克服了经典算法中的奇点问题。马良等人按照STL模型中三角面片的几何信息,结合切片厚度,成立分组矩阵,通过构建三角面片之间局部的动态拓扑关系来减少三角面片的求交次数和遍历次数。

 

巴萨直播360直播-官方版APP下载基于经典的计算机图形学求交算法,通过优化三角面片的遍历次数来完成各层图像的快速生成。总体而言,CAD模型切片和基于轮廓数据生成驱动程序的算法较为成熟,而后续的激光熔覆过程则涉及复杂的物理、化学、力学和冶金问题,是制约激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载成长和应用的难题。

 

研究与应用现状

 

内部组织及缺陷的形成机理

 

激光快速成形过程可描述为:

 

◆持续输送到激光熔覆区的金属粉末熔化,即在激光束的作用下,基体或前一层熔覆层发生局部重熔,并混合成合金熔体;

 

◆金属熔体在熔池内流动直至熔池内的温度趋于一致且熔体合金成分趋于均匀;

 

◆随着轮廓变化,运动熔池中的熔体非平衡快速凝固。

 

上述过程发生在体积小、寿命短的液态熔池中,是一个非常复杂的非平衡短时物理冶金过程。激光、金属粉末与熔池的交互过程如图2所示。

 

 

 

图2 激光、粉末熔池交互过程示意图

 

陈静等人操作高速摄影来实时不雅观测激光快速成形过程中液态熔池的形成及演化过程。张凤英等研究了钛合金激光快速成形过程中缺陷的形成机制,气孔缺陷主要取决于粉末的松装密度,熔合不良与激光的能量密度、多道间搭接率以及Z轴单层行程有关。由于激光快速成形过程中的各种变化极其复杂,构件的内部组织和内部缺陷的形成机制等要害问题研究困难。北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所的“产学研”研究团队在这一领域取得了本色性进展,冲破了零件变形、开裂的预防和内部质量控制等难题。

 

成形过程的模拟与仿真

 

为获得不变、高质量的构件,准确把握激光快速成形过程中的内部组织和内部缺陷的形成规律,对成形工艺参数以及成形过程进行仿真优化逐渐得到重视。

 

贾文鹏等采用有限单元生死巴萨直播360直播-官方版APP下载模拟了熔池形成和自由界面外形演化及熔覆层的沉积过程,操作界面温度与粉末粒子动量损失状况来模拟熔池对粒子的捕捉以及构件对粉末的反射,并采用LAGRANGIAN粒子追踪模型实现了对粉末颗粒的跟踪。

 

马良等基于ANSYS,操作二次开发巴萨直播360直播-官方版APP下载成立了激光成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。采用移动热源和单元生死巴萨直播360直播-官方版APP下载,对激光成形过程中的热应力场进行了仿真,在准确计算温度场演化规律的基础上,揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场的产生原因。

 

谭华等人针对激光快速成形的工艺特点,研究了基于实时监测原理的闭环控制系统,来调整工艺参数,以获得高性能和高质量的构件,并阐述了监测与闭环控制系统进一步的成长标的目的。   激光快速成形的应用现状

 

作为一种变化性巴萨直播360直播-官方版APP下载,激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载主要针对需求量大、复杂度高且难加工或材料去除僵极大的零件。美国F-22飞机的两个钛合金接头件,如图3所示,采用激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载制造,其综合性能较传统加工方式有了大幅度提高,且制造成本降低了20%-40%,出产周期也缩短了80%。

 

 

图3 F-22的激光快速成形钛合金件

 

北京航空航天大学与中航工业集团成立了中航激光巴萨直播360直播-官方版APP下载,将激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载的研究成果财富化。该项目在国际上首次冲破了飞机钛合金大型整体主承力布局件的激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、巴萨直播360直播-官方版APP下载尺度。已经成功在我国多个型号飞机上开展了工程化应用。图4为首次公开展示的采用激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载制造的某型战机的大型钛合金零件。

 

经过多年的深入研究,西北工业大学的黄卫东教授在激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载方面也取得了突出的成果。图5所示的激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载制造的大型钛合金零件为某型机的主承力件。   直升机制造业中的应用阐发

 

●动部件的快速制造

 

直升机旋翼升力系统主桨骰、尾桨骰和主动倾斜器(合称“动部件”)的出产制造是直升机制造最核心的巴萨直播360直播-官方版APP下载。动部件为主承力件,布局形式复杂、工作环境恶劣,疲惫强度要求高,且材料多为TB6钛合金和高温合金等难加工材料。若采用激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载制造,则具有与之相当或更优异的综合力学性能。

 

此外,激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载先天具有的不依靠模具、对零件几何复杂度无限制、出产周期短和材料操作率高等优势,特殊适合响应动部件的设计变化。因此,采用激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载来制造直升机的动部件对提高动部件的综合力学性能、降低制造成本和缩短研制周期等具有主要意义。

 

●动部件的快速修复

 

直升机动部件是主要的承力部件,承受了桨叶传导的离心力、挥舞弯矩、摆振弯矩等。因此,动部件是直升机上最轻易磨损的部件。动部件成本昂扬,一旦呈现瑕疵或缺损,只能整体更换,可能造成数十万、甚至上百万的损失。

 

激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载是逐点增材制造的,故只需把缺损零件看做不凡的基体,对缺损部位进行几何重建,在重建几何长进行切片分层,最后操作激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载即可快速修复零件。由于激光能量在时空分布和功率密度上的可控性远远高于其他工业能源,因此可以最大限度减少修复加热过程对被修复零件的不利影响。

 

此外,由于激光快速成形过程可以同步控制成形合金成分和组织,因而可以通过控制修复区成分、组织使修复区与零件本体的性能保持一致,从而恢复构件的固有属性。能够挽回巨大的经济和时间损失,还能提高资源的操作率,符合低成本、可持续成长战略。

 

结论与展望

 

作为工业之花的航空制造业的主要组成部门,直升机财富正经历飞速的变化。要想做大做强该财富,没有一劳永逸的解决方案。只有不竭加强研究和成长,才能顺应成长潮水,立于强者之林。激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载所带来的巨大巴萨直播360直播-官方版APP下载优势必将引领先进制造巴萨直播360直播-官方版APP下载的成长。直升机动部件的制造巴萨直播360直播-官方版APP下载是直升机研制巴萨直播360直播-官方版APP下载制造能力的表现,从成本、效率、质量而言,采用激光快速成形巴萨直播360直播-官方版APP下载来进步履部件的制造和修复具有巨大巴萨直播360直播-官方版APP下载优势和经济效益,可作为未来动部件制造巴萨直播360直播-官方版APP下载的优先成长标的目的。


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