热锻模具自动化电弧增材再制造过程设计及试验研究

摘要

为解决采用人工堆焊修复热锻模具时，精确尺寸难以控制、加工余量大造成的焊材浪费、现场作业环境恶劣、锻模组织性能稳定性差等问题，提出采用自动化电弧增材制造技术代替传统的人工堆焊，充分发挥失效锻模作为再制造基体的低成本优势和自动化电弧增材制造技术的精确性优势，具有广阔的应用前景。该方法在国内起步较晚，其成形精度和自动化水准都与国外先进水平存在较大差距，包括电弧增材工艺参数优化、复杂构件分层切片算法、填充路径轨迹规划方法等关键核心技术有待突破。　　本文以失效的曲轴热锻模具自动化电弧增材再制造过程为研究对象，对焊接工艺参数与焊缝形状映射关系、电弧增材制造分层切片及填充路径规划方法等关键核心技术进行了全面系统的研究，并进行了曲轴模具的自动化电弧增材再制造试验。论文主要的研究工作有以下几点：　　① 针对能够直接影响电弧增材制造效率和质量的焊接工艺参数及其对应的焊缝形状，以直径1.2mm的CD645牌号焊材开展了自动化平板电弧增材制造实验，确定了焊接工艺参数范围，并统计了对应的焊缝形状数据。进而，训练出了预测及泛化能力良好的的BP神经网络进行数据扩容。　　② 针对现有方法难以得到目标焊缝形状对应的最优工艺参数的难题，以训练好的BP神经网络为基础，结合改进的爬山算法，构建了工艺参数优化模型。进而基于 MATLAB 平台，编写了工艺参数优化软件，并对该软件进行运行效果测试，发现该软件完全满足焊缝形状预测及对目标结果的优化，计算结果具有很高的可靠性。　　③ 针对STL模型的结构特点, 设计了Point、Triangle、STLModel三个类对模型的数据进行存储。然后分析了常用分层切片算法的缺陷和不足，并从提高分层切片处理效率和实用性的角度出发，提出了一种先求交点后重构为环从而得到轮廓多边形的分层切片算法，进而引入了提高轮廓多边形精度的插值拟合修复算法，然后推导出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。　　④ 针对扫描填充路径的规划，通过分析常规填充算法的优缺点，提出了一种内部填充均匀、外部过渡平顺的复合填充算法。进而开发了填充轨迹与机器人指令文件的转化接口及其转换方法。结合自动电弧增材数控系统、数字焊机的硬件结构以及焊接工艺，架构了电弧增材轨迹规划软件相关业务逻辑类的关系，并采用业务逻辑和UI逻辑分开的方法深度设计了路径规划软件。　　⑤ 结合工厂实际生产情况，分析了曲轴锻模失效的常见形式、位置分布以及失效原因，进而详细介绍了曲轴锻模自动化电弧增材再制造的流程，并对失效的曲轴锻模进行了电弧增材再制造试验，验证了整套方案的可行性。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 热锻模具制造方法研究现状

1.2.1 锻模行业现状

1.2.2 铸钢基体锻模研究现状

1.2.3 堆焊技术在锻模领域应用现状

1.3 电弧增材制造技术研究现状

1.4 研究目的与主要内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究内容

2 焊接工艺参数与焊缝形状关系

2.1 引言

2.2 实验内容与方法

2.2.1 单道焊缝平板电弧增材制造实验

2.2.2 体视显微样品制备与表征

2.2.3 电弧增材制造实验结果

2.3 BP神经网络的建立

2.3.1 BP神经网络结构

2.3.2 BP神经网络算法推导

2.3.3 输入输出变量设计

2.3.4 训练参数设置

2.3.5 精度与预测能力评价

2.4 焊接工艺参数优化模型

2.4.1 爬山算法简介

2.4.2 爬山算法与BP神经网络结合

2.5 焊接工艺参数优化软件

2.5.1 软件界面设计

2.5.2 软件程序设计

2.5.3 软件运行效果

2.6 本章小结

3 电弧增材制造分层切片设计

3.1 引言

3.2 STL模型拓扑结构

3.2.1 STL文件简介

3.2.2 STL模型存储数据结构

3.3 电弧增材制造分层切片算法

3.3.1 常规的分层算法

3.3.2 基于增材方向排序分层算法

3.3.3 轮廓修复插值算法

3.3.4 内外轮廓判断算法

3.4 本章小结

4 电弧增材制造填充路径规划

4.1 引言

4.2 填充路径规划算法

4.2.1 直线扫描填充算法

4.2.2 轮廓多边形偏移填充算法

4.2.3 多边形间的差、并运算

4.2.4 复合填充算法

4.3 轨迹与机器人指令转化

4.3.1 焊接工艺参数控制

4.3.2 焊枪、锤头移动控制

4.3.3 指令转化实例

4.4 路径规划控制软件

4.4.1 软件功能分析

4.4.2 软件功能实现

4.5 本章小结

5 曲轴锻模电弧增材再制造实例

5.1 引言

5.2 曲轴锻模失效形式

5.2.1 模具的热疲劳失效

5.2.2 模具的磨损失效

5.2.3 模具的断裂失效和塑性变形失效

5.3 曲轴锻模电弧增材再制造设计

5.3.1 模具修复流程

5.3.2 目标模型路径规划

5.4 电弧增材再制造实施

5.4.1 再制造过程模拟

5.4.2 逐层电弧增材过程

5.4.3 焊后锤击过程

5.4.4 机加工及成品

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 不足之处及工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢