高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)同步測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于高能束增材制造領(lǐng)域，涉及一種高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)同步測(cè)量裝置，本發(fā)明還涉及上述裝置的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高能束增材制造技術(shù)是基于快速原型制造技術(shù)原理發(fā)展起來(lái)的高性能金屬增材制造技術(shù)，其原理是:首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維形狀信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，隨后在計(jì)算機(jī)的控制下，采用同步送進(jìn)粉末或絲材的高能束沉積方法，按照二維輪廓信息逐層堆積，最終形成三維實(shí)體零件。其中，高能束包括等激光束、電子束、離子束、電弧等。
[0003]在高能束增材制造技術(shù)中，隨著高能束熱源的移動(dòng)，熔池快速產(chǎn)生和凝固，使熔池及附近區(qū)域經(jīng)受一個(gè)不均勻的快冷快熱作用，致使整個(gè)成形件的溫度分布隨時(shí)間、空間的不同而急劇變化;巨大的溫度梯度引起的基板與成形件的變形應(yīng)力，會(huì)造成一定程度的變形，以上情況嚴(yán)重影響了增材制造成形件的性能和精度，因此對(duì)高能束增材制造過(guò)程中溫度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量與反饋控制研究具有重要的意義。
[0004]公開(kāi)發(fā)表的 “FEM simulat1n of the temperature field during the laserforming of sheet metal，，文獻(xiàn)(Journal of Materials Processing Technology，1998，74)通過(guò)有限元模擬研究了激光立體成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)演化規(guī)律，認(rèn)為基板溫度場(chǎng)分布與激光功率與掃描速度有關(guān)。數(shù)值模擬技術(shù)可以計(jì)算出整個(gè)成形過(guò)程中基板與成形件的溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)。該方法與本發(fā)明不矛盾，為科學(xué)研究不同途徑。但是由于高能束增材制造過(guò)程的復(fù)雜性以及很多材料的熱學(xué)參量不能準(zhǔn)確測(cè)量，在模擬計(jì)算溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)方面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，帶來(lái)一定誤差。
[0005]公開(kāi)發(fā)表的 “Thermomechanical Modeling of Additive Manufacturing LargeParts，，文南犬(Journal of Manufacturing Science&Engineering，2014，136(6))通過(guò)三維掃描技術(shù)對(duì)成型后基板與成形件的整體進(jìn)行了掃描，并通過(guò)圖像處理技術(shù)與成形前掃描圖像進(jìn)行對(duì)比，得到基板與成形件的變形量。公開(kāi)發(fā)表的“激光立體成形過(guò)程控制的基礎(chǔ)問(wèn)題研究”文獻(xiàn)(西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2010)以基板為模型制作基板的石膏倒模，最后用螺旋測(cè)微儀測(cè)量石膏倒模兩端和中心的高度差來(lái)評(píng)估基板的翹曲變形程度。以上實(shí)驗(yàn)方法僅以基板或成形件的最終變形量為測(cè)量指標(biāo)，未能對(duì)成形過(guò)程中基板的變形規(guī)律進(jìn)行測(cè)量。
[0006]公開(kāi)發(fā)表的“激光直接沉積過(guò)程中基板變形分析”文獻(xiàn)(塑形工程學(xué)報(bào)，2007年，12卷，5期)利用熱點(diǎn)偶測(cè)量成形過(guò)程中成形件溫度，利用自主設(shè)計(jì)裝置測(cè)量成形過(guò)程中基板邊緣的翹曲變形。但是該方法僅能測(cè)量基板邊緣處翹曲變形，并未能考慮實(shí)際加工過(guò)程中的成形件的變形，測(cè)量位置較為單一，無(wú)法獲取成形過(guò)程中全面的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際成形工藝指導(dǎo)反饋?zhàn)饔貌淮蟆?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，該裝置解決了現(xiàn)有測(cè)量裝置無(wú)法實(shí)時(shí)同步測(cè)量高能束增材制造成形過(guò)程中溫度與變形的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供上述測(cè)量裝置的測(cè)量方法，能夠?qū)崟r(shí)同步地測(cè)量高能束增材制造成形過(guò)程中的溫度與變形。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)同步測(cè)量裝置，包括工作平臺(tái)及安裝在工作平臺(tái)上的變形測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)。
[0010]工作平臺(tái)包括工作臺(tái)，工作臺(tái)表面均勻分布有螺紋孔，工作臺(tái)通過(guò)緊固螺釘連接有兩個(gè)支架，其中一個(gè)支架上表面通過(guò)緊固螺釘連接有夾持板，夾持板下方夾持有基板；
[0011]變形測(cè)量系統(tǒng)包括接觸式位移傳感器和非接觸式光學(xué)傳感器，接觸式位移傳感器設(shè)置在兩個(gè)支架之間的導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌上滑動(dòng)連接有若干傳感器安裝座，傳感器安裝座上設(shè)置有若干固定孔，接觸式位移傳感器設(shè)置在固定孔內(nèi)；非接觸式光學(xué)傳感器通過(guò)傳感器支撐桿安裝在工作臺(tái)的螺紋孔內(nèi)，并位于基板一側(cè)；
[0012]溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括熱電偶、高溫?zé)岢上駜x、跟蹤式紅外測(cè)溫儀和固定式紅外測(cè)溫儀。其中，熱電偶分別焊于基板上表面的兩端及中間點(diǎn)處;高溫?zé)岢上駜x通過(guò)成像儀支撐桿安裝在工作臺(tái)的螺紋孔內(nèi)，并位于基板另一側(cè);跟蹤式紅外測(cè)溫儀通過(guò)可調(diào)節(jié)高度和角度的環(huán)形安裝座固定，且位于基板正上方；固定式紅外測(cè)溫儀通過(guò)測(cè)溫儀支撐桿分別設(shè)置在工作臺(tái)的螺紋孔內(nèi)，且固定式紅外測(cè)溫儀基板的兩端及中部一側(cè)。
[0013]本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
[0014]變形測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線與嵌于高能束增材制造系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)相連接。
[0015]接觸式位移傳感器與固定孔通過(guò)手?jǐn)Q螺釘固定，接觸式位移傳感器位于基板下方。
[0016]成像儀支撐桿上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)高度及角度的成像儀安裝座。
[0017]跟蹤式紅外測(cè)溫儀通過(guò)手?jǐn)Q螺釘與環(huán)形安裝座固定。
[0018]測(cè)溫儀支撐桿上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)角度的測(cè)溫儀安裝座。
[0019]基板上方設(shè)置有激光熔覆噴頭，環(huán)形安裝座套裝在激光熔覆噴頭上;所述跟蹤式紅外測(cè)溫儀位于激光熔覆噴頭一側(cè)。
[0020]固定式紅外測(cè)溫儀數(shù)量不少于3個(gè)。
[0021]本發(fā)明的另一技術(shù)方案是，一種高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)同步測(cè)量方法，具體包括以下步驟:
[0022]步驟1、將待測(cè)量成形件置于基板上，開(kāi)啟高能束加工設(shè)備進(jìn)行加工，同時(shí)開(kāi)啟記錄控制系統(tǒng)；
[0023]步驟2、通過(guò)接觸式位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量基板在成形過(guò)程中的翹曲變形量；
[0024]步驟3、通過(guò)非接觸式光學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量成形件在成形過(guò)程中的變形量；
[0025]步驟4、通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量基板在成形過(guò)程中的特定點(diǎn)的溫度；
[0026]步驟5、通過(guò)固定式紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量成形件在成形過(guò)程中特定點(diǎn)的溫度；
[0027]步驟6、通過(guò)跟蹤式紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量成形過(guò)程中的熔池溫度；
[0028]步驟7、通過(guò)高溫?zé)岢上駜x實(shí)時(shí)測(cè)量成形件某成形面的溫度分布梯度；
[0029]步驟8、成形結(jié)束，待成形件完全冷卻，完成測(cè)量。
[0030]本發(fā)明另一技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，
[0031]接觸式位移傳感器、非接觸式光學(xué)傳感器、高溫?zé)岢上駜x、固定式紅外測(cè)溫儀和跟蹤式紅外測(cè)溫儀的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)記錄控制系統(tǒng)收集處理。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:
[0033]I)—種高能束增材制造中溫度與變形實(shí)時(shí)同步測(cè)量裝置，通過(guò)采取接觸式的高精度位移傳感器、非接觸式光學(xué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量變形的手段，解決了實(shí)時(shí)測(cè)量基板變形的問(wèn)題;通過(guò)采取熱電偶、紅外測(cè)溫儀與熱成像相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的手段，得到成形過(guò)程中基板與成形件的特定點(diǎn)、特定面和熔池移動(dòng)點(diǎn)的溫度演變規(guī)律，多角度多方面獲得實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果;通過(guò)本裝置能夠?qū)崟r(shí)在線同步測(cè)量高能束增材制造成形過(guò)程中溫度與變形的參數(shù)，為成形工藝的反饋控制提供測(cè)量數(shù)據(jù)，確保成形件的性能與精度。