探究激光立体成形途径改善

1椽条类零件的激光立体成形

上下椽条为C919飞机中央翼的关键承力件，因此对该零件的尺寸、质量甚至显微组织的均匀性、稳定性都提出了较高要求，所以，使用激光立体成形技术制造该零件，对制造工艺、制造装备及制造过程控制都有较高的要求。椽条形状如图1所示，在高度方向上有曲率变化，通过有限元分析以及与工程实践经验结合，该类零件沿高度方向竖直成形变形和热应力最小。为此，西北工业大学凝固技术国家重点试验室建设了椽条类零件的专用激光立体成形装备LSF－V，设备成形尺寸为1500mm×1500mm×3000mm，采用Rofin8000CO2激光器，Fagor8070数控系统。椽条的激光立体成形首先需要对三维模型进行剖分，得到每一层的剖分轮廓，然后进行路径填充，填充后的图形如图2所示。获得填充路径后，还需为路径设定激光功率、扫描速度、送粉量等工艺参数，然后生成数控加工作业文件。简单情况下，所有的扫描路径使用相同的工艺参数，但是，对于空间有曲率变化的复杂零件，使用相同的工艺参数将导致成形边缘塌陷、表面不平整等问题出现。移，如图2中箭头所指方向，从而导致在成形过程中某些扫描线会产生漏光现象，如图2中A标号所指位置，即激光扫描到边缘，有部分激光没有完全进入熔池，从而使该位置成形高度不足的现象。如图3（a）所示，成形路径的边沿，特别是边沿并伴有90°直角拐弯的位置，最容易发生边沿塌陷现象。成形表面不平整，主要集中在椽条零件的中心位置，如图2中B标号所指位置，该位置由于路径较短，扫描完成后，产生较大的热量残余，在残余热量还没来得及散失掉时，下一道扫描已经开始，相当于上一道扫描对下一道进行了强预热，从而导致熔池温度过高，捕获的金属粉末更多，成形高度变高，产生表面不平整现象。如图3（b）所示，成形路径中心位置沿着成形扫描方向出现凸起，如果凸起高度超过工艺稳定范围，将会导致成形过程出现层间融合不良，从而造成零件内部缺陷，导致成形过程失败。为了获得平整的成形表面和边缘，需要针对图2中A、B等位置使用不同的激光成形工艺参数。

2基于样式表达的激光立体成形路径优化

如果直接为每个扫描线段设定不同的工艺参数，由于扫描路径繁多，设定工作将极其麻烦，后续的维护和图形化观察不便。为此，提出了基于样式表达的激光立体成形路径优化方案，即首先根据工艺试验，筛选出能够使用的激光工艺参数配比，将这些工艺参数输入到数据库中，并为每个工艺参数指定标号，然后在进行扫描路径的工艺参数修改时，选择某一个工艺参数标号即可。最后，计算机自动根据用户对扫描线的样式设定，生成激光立体成形数控加工作业文件。

2．1样式数据库

样式数据库（如图4所示）是为工艺参数的配比提供存储而设计的。在激光立体成形过程中的关键工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉量、保护气氛等，但是实时可调的工艺参数目前仅有激光功率和扫描速度。为此，样式数据库的表头字段包括：ID标号、Power激光功率、ScanSpeed扫描速度、FeedSpeed送粉量、Color显示颜色。其中，送粉量也是关键工艺参数，但是目前设备无法做到实时送粉量控制，所以该字段为后续预留字段。工艺设计人员首先对椽条零件的激光立体成形进行工艺验证试验，在正交试验结果的基础上，反复试验，优选出符合该结构的成形工艺参数配比若干，然后将这些工艺参数配比输入到工艺参数样式数据库中，构成激光立体成形工艺样式数据库。样式数据库构建完成后，就可以对任何一层的成形路径进行样式指定，例如对于图2所示的A、B位置可以分别指定较高或者较低的激光功率，较快或者较慢的扫描速度样式，从而满足工艺设计人员对于扫描路径的控制。仅使用上述方案对椽条零件进行样式指定将是不可能完成的任务。对于剖分厚度1mm来说，椽条剖分完成后就有近3000层数据，每层填充完成后有几十条甚至上百条扫描路径，如果直接为每条路径设定样式，完全由人工进行，将是不可想象的。因此，提出了基于样式规则继承的自动检测算法。

2．2样式规则的自动继承

基于样式规则继承的自动判断算法是该方案能否成功的关键。该算法的建立依托于一个事实：椽条零件的曲率变化是连续的。也就是说，相邻两层之间，相似位置的扫描路径，其样式是相同的。从而下一层可以通过对上一层用户设定的样式进行继承，即通过上一层扫描线所在位置或相对位置以及扫描线设定的样式，来自动判断并设定下一层相似位置的扫描线的样式。可见，上下两层相似位置的扫描线判断是该算法的关键。下面举例说明该关键算法的工作原理。假设第i层轮廓如图5所示，其中扫描线1被用户设定了不同的样式，样式号为Si。为了对下一层的扫描线进行自动样式判断，首先根据上一层扫描线1的数据生成轮廓偏置区域，如图5中虚线所示，偏置距离为R／2（该值可以由用户设定），然后，遍历下一层所有的扫描线，计算是否有扫描线落入该区域。假设在下一层扫描线中找到一根落入该区域（如图5中2所指的扫描线所示），则为该扫描线自动设定样式号为Si。计算扫描线是否落入某一区域，可以使用扫描线算法，通过计算直线段与区域轮廓的交点来判断直线段与轮廓环的关系。直线的轮廓偏置算法是将直线作为一个矩形包围盒考虑的，只是矩形包围盒两个短边的长度都为零，该矩形包围盒向外轮廓偏置后，将会得到一个如图5虚线所示的区域。但是需要注意，整个填充路径的微量移动方向为水平向右，而矩形包围盒的轮廓偏置方向与直线1的方向垂直，所以，在进行下一层相似路径计算时，线段3和线段4的一部分会进入矩形包围盒，从而产生误判。为了避免该问题的出现，可以使用“命中因子”，即落入该区域中的扫描线的长度与扫描线总长度的比值，例如可以设定为99％，即当下一层扫描线有99％落入矩形包围盒中时，才认为该扫描线是相似扫描线，并设定相同的样式号，否则不予设定。在上述算法过程中，用户可以通过控制偏置距离R／2和“命中因子”来对下一层落入矩形包围盒的扫描线的多少进行控制。

3数控作业文件的自动生成

在基于样式表达的系统中，每一条扫描线（直线段）都包含一个样式字段（正整数变量），在用户对所有层进行样式设定和确认后，即可以通过数控代码自动生成操作，生成真正的激光立体成形数控作业文件。由于数控插补速度F为模态指令，即用户一旦设定，如果不修改，则后续的运动都使用该速度，所以在自动生成数控代码过程中，需要根据插补速度是否变化来决定下一行代码中是否包含F速度设定控制字。例如对于如图5中的扫描线1，正常的数控代码指令为：G00P1；快速移动到P1点M20；打开激光因此在系统自动生成激光立体成形作业文件时，相当于模拟一次真实的数控操作过程，在生成代码时，需要系统维护两个变量，一个为当前速度，另一个为当前激光功率。在进行下一条数控指令输出时，判断当前速度和当前激光功率是否发生了改变，如果发生改变，则相应地修改输出数控代码，并更新当前值。依次遍历所有的层，每一层遍历所有的扫描线，并根据样式确定输出数控代码格式，即能自动生成最终的激光立体成形数控作业文件。下载到数控系统中，执行即可。图6为使用样式设定方法生成的激光立体成形作业文件制造的椽条零件，零件尺寸430mm×250mm×2900mm，毛坯重量近100kg。

4结论

通过构建激光立体成形工艺参数不同配比的样式表达数据库，为椽条扫描路径设定不同的激光立体成形工艺参数样式。通过使用轮廓偏置算法生成矩形包围盒测试区域，结合“命中因子”自动判断下一层中相似路径的扫描线，并为其自动设定样式。根据用户为每个扫描路径设定的样式，自动生成激光立体成形数控作业文件。使用该方法不仅实现了对所有扫描路径的激光立体成形工艺设定，而且多层之间能够自动继承，大大减少了工艺设计人员的操作，并杜绝了加工过程中人为因素对激光立体成形质量的影响，使工艺设计人员、数控操作人员职责明晰，满足适航认证对激光立体成形过程控制的要求。

作者：马良 林鑫 谭华 黄卫东 单位：西北工业大学凝固技术国家重点试验室