增減材複合製造能量輸入對零件材料性能的影響研究

《增減材複合製造能量輸入對零件材料性能的影響研究》是依託大連理工大學,由白倩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：增減材複合製造能量輸入對零件材料性能的影響研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：白倩

項目摘要

本項目對增減材複合製造(A/SHM)中的零件控形控性方法進行研究，提出控制增材製造和減材加工中的能量輸入以保證A/SHM零件精度和性能的新思路，研究A/SHM工藝參數對零件材料性能的作用規律，為A/SHM一體化製造技術的發展提供理論依據。研究在A/SHM製造馬氏體時效鋼零件過程中，增材製造和減材加工的複合工藝對缺陷、熱應力及零件表面完整性的影響規律。通過增材製造實驗和理論分析，建立增材製造熱力耦合數值模型，研究雷射輸入能量密度對缺陷和熱應力的影響，為確定減材加工區域提供依據。在增材餘熱條件下對馬氏體時效鋼進行乾切削，研究餘熱溫度和工藝參數對切削力、切削熱和零件表面完整性的影響，從而確定切削工件容許溫度。對A/SHM工藝路徑進行規劃，根據實時檢測的工件溫度，最佳化A/SHM的能量輸入，確定減材加工的區域和時機。該項目對促進A/SHM製造技術在航空航天、汽車和模具製造領域的套用具有重要意義。

結題摘要

增材減材製造(Additive/Subtractive Hybrid Manufacturing, A/SHM)結合了增材和減材兩種工藝，既可以通過控制增材工藝參數成形複雜的幾何結構並對零件晶粒組織進行一定調控，又可以通過減材工藝保證零件的精度和表面質量，適用於製造複雜幾何特徵的零件，在航空、航天、汽車等領域有廣泛的套用前景。本項目針對雷射增材製造工藝中存在缺陷的問題，研究了成形件內部缺陷產生規律，利用多元線性回歸方法建立了孔隙度與工藝參數之間的關係模型，其相關係數達93.04%，並開發了增材製造缺陷資料庫管理系統。提出耦合粉末尺度下的鋪粉模型、中尺度下的溫度場模型和粉末尺度下的熔池流體力學模型的多尺度建模方法，研究了不同粗糙度底面導致的熔道形貌和熔池流動行為，結果顯示增材表麵粉末更密實，但其潤濕性更差，更易產生球化效應。建立了FEM-CA-MC模型，成功模擬出增材製造過程中重熔和固態晶粒粗化現象，基於該機理和模型預測結果設計了晶粒組織調控工藝實驗，可以實現對單道多層LENS增材工件晶粒形態及尺寸一定程度的調控。本項目提出了將渦流檢測(Eddy Current Detection, ECD)與A/SHM工藝相結合的製造及缺陷檢測方法，確定了最佳激勵頻率為100kHz，隨著增材餘溫的增加，信號電抗值近線性增加，且隨著缺陷尺寸的增加ECD信號強度增加，證實了利用渦流進行缺陷檢測的可行性。針對實際銑削過程中出現的刀具磨損形貌，建立了基於磨粒、粘結、擴散磨損機理及熱力耦合作用的正反饋Simulink仿真模型，對銑刀後刀面磨損帶長度進行了定量預測，整體預測誤差在22%以下。A/SHM工件殘餘應力是增材和減材工藝共同作用的結果, 初始增材殘餘應力在近表面深度範圍均為拉應力，側銑主要受後刀面犁耕作用影響，在加工表面引入壓應力；隨著徑向切深的增加，銑削殘餘壓應力逐漸增加，當銑削引入殘餘壓應力足夠大時，可以將A/SHM工件表面整體殘餘應力轉變為壓應力。本項目結合實驗與仿真研究了增材過程中缺陷產生的原因，並集成渦流檢測技術到A/SHM工藝中，將缺陷檢測與去除結合起來，為增材製造獲得高精度，高質量的工件提供理論指導。