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等离子熔积成形能量控制建模研究

作　者: 李廷忠
导　师: 张海鸥
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子熔积成形热输入控制数学模型金属零件几何形貌
分类号: TG664
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

等离子直接熔积成形零件技术采用等离子弧作为热源,以内送粉方式,依照预先规划的路径逐层熔积成形出所需金属零件毛坯原型。然后通过光整技术对原型件表面进行精整加工,以获得所需的尺寸精度及表面形貌。该技术充分发挥集成技术的综合优势,利用焊接方法中弧柱集束性好、热影响区小、加工柔性及成形精度高等特点。它可熔解的粉末材质种类和规格范围几乎不受限制,具有急冷快速凝固的成形特征;组织致密且优于铸件组织,并可制造具有梯度功能材料的零件。但是该技术熔积成形较为复杂几何结构的金属零件时,由于层间的热累积效应,以及熔积层内的热惯性作用,使得输入到熔池内的热能量向固-液界面方向迅速扩散。当熔池中的热累积量超过热平衡所需的能量时,它会推动固-液界面向固态方向移动,进而扩大熔池的几何尺寸,导致最终熔积层的宽度超过预先设置的路径宽度。这样加大了后续的表面光整加工量,严重情况下,熔解的液态金属在重力作用下出现流淌烧塌现象,使得金属零件无法成形。为避免因热累积作用易造成的流淌、烧塌致使零件无法成形,本文通过经典数学理论来建立数学模型,以达到控制等离子焊枪输送到熔池的热能量、减少熔积层间及固液界面间的温度梯度、削弱熔池固-液边界的热扩散作用。最终有效地控制熔池几何尺寸来减少熔积成形过程中的流淌量,提高金属零件原型的可成形性和精度。所建立的数学模型将熔积成形过程中涉及到热输入量大小的特征物理量有机地耦合在一起。熔积成形第一层时忽略初始温度,多层熔积成形时考虑层间初始温度,分别构建二个不同的非线性数学模型。通过预先设置可动参数的多输入量,先在MATLAB平台上用MATLAB语言编程,计算出热源中心点到熔池最大宽度处两点连线的距离最大值。再使用可视化编程技术设计一个可视化计算对话框,输入设置的工艺成形参数,可以立即计算出表征热输入量的关键物理量-电流值大小。再借助实验中所的采集数据,通过最佳组合工艺值对多层熔积成形数学模型进行修正,得到热输入量计算预测的数学模型。计算热输入量前设计了等离子焊枪的热效率实验,以及其他热输入的相关实验,然后对可视化计算界面中的各输入变量分别做了数值计算。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-20
  1.1 课题来源  9
  1.2 课题的目的和意义  9-10
  1.3 国内外相关领域的研究概况  10-18
    1.3.1 快速成形与快速制造  11
    1.3.2 金属零件直接成形与制造技术  11-15
    1.3.3 等离子直接熔积成形技术  15-17
    1.3.4 焊道表面几何形貌的控制方法  17
    1.3.5 零件几何形貌的能量输入控制应用状况  17-18
  1.4 本文研究内容  18-20
2 等离子熔积成形能量控制理论基础  20-36
  2.1 引言  20
  2.2 等离子弧热源  20-26
    2.2.1 等离子弧热源的特点  20-23
    2.2.2 等离子弧与基材的热传播规律  23-24
    2.2.3 等离子弧热源的几何模型确定  24-26
  2.3 温度场及熔池几何形状  26-33
    2.3.1 熔积成形温度场的意义及表达  26-29
    2.3.2 熔积层热循环的特点  29-30
    2.3.3 熔池几何形状的确定  30-33
  2.4 熔池的局部热作用  33-35
    2.4.1 等离子弧的热平衡和热密度  33-34
    2.4.2 基材的熔化  34-35
  2.5 本章小结  35-36
3 熔积成形热输入数值模型  36-53
  3.1 引言  36
  3.2 熔池的能量规律及热输入的分布模式  36-42
    3.2.1 熔池的能量规律  36-40
    3.2.2 等离子热输入的分布模式  40-42
  3.3 热输入控制数学建模  42-52
    3.3.1 热输入控制数值建模原理  42-43
    3.3.2 单道熔积层成形热输入数值模型  43-48
    3.3.3 多道熔积层成形热输入数值模型  48-49
    3.3.4 熔积成形能量输入数学模型的量纲验证  49-52
  3.4 小结  52-53
4 数学模型计算结果及分析  53-69
  4.1 引言  53
  4.2 实验  53-61
    4.2.1 等离子焊枪的热效率测试  53-56
    4.2.2 送粉量和金属粉末有效利用率的测量  56-58
    4.2.3 空心圆柱熔积成形实验  58-61
  4.3 粉末材料热物理参数的确定  61-62
  4.4 热输入数值计算算例  62-67
    4.4.1 计算方法  62-63
    4.4.2 数值计算  63-67
    4.4.3 结果与分析  67
  4.5 小结  67-69
5 全文总结与展望  69-73
  5.1 全文总结  69
  5.2 研究展望  69-73
    5.2.1 引言  69-70
    5.2.2 熔积成形物理模拟思想  70
    5.2.3 检测闭环控制制造系统  70-71
    5.2.4 几何形貌离线-在线的智能控制  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-81
附录作者在攻读硕士学位期间发表的论文  81

等离子熔积成形能量控制建模研究

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