一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高能束加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高能束選區(qū)熔化技術(shù)是一種先進的增材制造技術(shù)，先以計算機設(shè)計目標(biāo)零件模型，再將該模型以軟件分層，獲取零件截面信息，逐層疊加后控制高能束流根據(jù)截面信息逐層熔化金屬粉末，如此層層堆積，最后制得目標(biāo)零件。高能束選區(qū)熔化技術(shù)無需制造模具便可快速直接得到任意復(fù)雜形狀的金屬零件，是解決復(fù)雜技術(shù)零件制造，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本的有效途徑。高能束也稱高能束流，如激光束、電子束、等離子束等。現(xiàn)如今，用于增材制造的高能束流主要有電子束與激光束兩種，受到能量密度和材料特性限制，高能束選區(qū)熔化成形的分層制造工藝為了通過一次性掃描完成材料的熔化成形，只能逐點或分塊加熱，材料粉末或金屬絲也只能逐點或分區(qū)被熔化。目前，高能束選區(qū)熔化技術(shù)采用的逐點或分塊掃描熔化方式，零件不同形狀部位的受熱不一致，容易引起材料受熱不均勻，熔化凝固過程容易產(chǎn)生熱應(yīng)力；并且，當(dāng)加工完成后，若零件內(nèi)存在較大殘余應(yīng)力必將對其精度和力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，成形熱應(yīng)力嚴重時會導(dǎo)致零件內(nèi)部缺陷和翹曲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其方法步驟簡單、設(shè)計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好，能簡便、快速設(shè)計出高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑且設(shè)計出的熔化路徑合理，工件加工精度高，工件各部位的受熱均勻且力學(xué)性能優(yōu)良。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0005]步驟一、待加工工件分層截面圖像獲取:獲取待加工工件多個分層的分層截面圖像，并將所獲取的多個所述分層截面圖像均存儲在數(shù)據(jù)處理設(shè)備內(nèi)；
[0006]多個所述分層由下至上布設(shè)且其呈平行布設(shè)，每個所述分層的層厚均與采用高能束選區(qū)熔化成形方法對所述待加工工件進行逐層熔化成形時的層厚相同；
[0007]每個所述分層的分層截面均為一個待加工區(qū)域，且每個所述分層截面圖像均為一個所述待加工區(qū)域的圖像；所述待加工區(qū)域為采用高能束進行選區(qū)熔化成形的區(qū)域，所述高能束為電子束、激光束或等離子束；
[0008]步驟二、輪廓線提取:采用所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且調(diào)用圖像處理模塊，提取出多個所述分層截面圖像的輪廓線；每個所述分層截面圖像的輪廓線均包括該分層截面圖像的所有外輪廓線和所有內(nèi)輪廓線，所述外輪廓線和內(nèi)輪廓線均為封閉曲線；
[0009]步驟三、熔化路徑填充:采用所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且調(diào)用路徑填充模塊，對步驟一中多個所述待加工區(qū)域分別進行熔化路徑填充，獲得多個所述待加工區(qū)域的高能束掃描路徑；每個所述待加工區(qū)域的高能束掃描路徑均包括表層掃描路徑和內(nèi)核掃描路徑；多個所述待加工區(qū)域的熔化路徑填充方法均相同，對任一個所述待加工區(qū)域進行熔化路徑填充時，包括以下步驟:
[0010]步驟301、表層掃描路徑填充:根據(jù)步驟二中提取出的當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的圖像的輪廓線，對當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的表層掃描路徑進行填充；當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的圖像為當(dāng)前處理圖像；
[0011]所述表層掃描路徑包括當(dāng)前處理圖像的所有輪廓線的掃描路線；
[0012]其中，當(dāng)前處理圖像中每條所述外輪廓線的掃描路線均包括一條沿該外輪廓線進行掃描的外輪廓掃描線和M條對該外輪廓掃描線進行M次向內(nèi)縮進后獲得的向內(nèi)縮進掃描線，M條所述向內(nèi)縮進掃描線均位于外輪廓掃描線內(nèi)側(cè)且其由外至內(nèi)排列，相鄰兩條所述向內(nèi)縮進掃描線之間以及外輪廓掃描線與M條所述向內(nèi)縮進掃描線中位于最外側(cè)的向內(nèi)縮進掃描線之間的間距均為mXd，其中d為步驟一中所述高能束的束斑直徑；m= l_e，e為高能束束斑的搭接率且0.5 < e < I ;M為正整數(shù)且M ^ I ;所述外輪廓掃描線與M條所述向內(nèi)縮進掃描線中位于最內(nèi)側(cè)的向內(nèi)縮進掃描線之間的區(qū)域為當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的一個外輪廓掃描區(qū)域；
[0013]當(dāng)前處理圖像中每條所述內(nèi)輪廓線的掃描路線均包括一條沿該內(nèi)輪廓線進行掃描的內(nèi)輪廓掃描線和M條對該內(nèi)輪廓掃描線進行M次向外擴張后獲得的向外擴張掃描線，M條所述向外擴張掃描線均位于內(nèi)輪廓掃描線外側(cè)且其由內(nèi)至外排列，相鄰兩條所述向外擴張掃描線之間以及內(nèi)輪廓掃描線與位于最內(nèi)側(cè)的向外擴張掃描線之間的間距均為mX d ;所述內(nèi)輪廓掃描線與位于最外側(cè)的向外擴張掃描線之間的區(qū)域為當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的一個內(nèi)輪廓掃描區(qū)域；
[0014]當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的所有外輪廓掃描區(qū)域和所有內(nèi)輪廓掃描區(qū)域組成當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的表層掃描區(qū)域；
[0015]步驟302、內(nèi)核掃描區(qū)域確定:根據(jù)步驟301中當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的表層掃描區(qū)域，對當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的內(nèi)核掃描區(qū)域進行確定；
[0016]當(dāng)前所填充待加工區(qū)域中位于所述表層掃描區(qū)域內(nèi)部的封閉區(qū)域為內(nèi)層掃描區(qū)域，所述內(nèi)核掃描區(qū)域位于所述內(nèi)層掃描區(qū)域內(nèi)且其與所述表層掃描區(qū)域之間的間隙為掃描間隙，所述掃描間隙的寬度為nXd且其所處的區(qū)域為間隙區(qū)域，其中η為間隙修正系數(shù)且0.5 < η < I ;當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的內(nèi)核掃描區(qū)域和所述間隙區(qū)域組成所述內(nèi)層掃描區(qū)域；
[0017]步驟303、內(nèi)核掃描路徑填充:在步驟302中所確定的當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的內(nèi)核掃描區(qū)域內(nèi)，對當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的內(nèi)核掃描路徑進行填充；
[0018]所述內(nèi)核掃描路徑包括填充于所述內(nèi)核掃描區(qū)域內(nèi)的多條內(nèi)核掃描線，多條所述內(nèi)核掃描線均呈平行布設(shè)且其由前至后進行布設(shè)，相鄰兩條所述內(nèi)核掃描線之間的間距均SmXd ;所述內(nèi)核掃描線為一條平直掃描線或通過所述內(nèi)輪廓掃描區(qū)域分隔為由左至右位于同一直線上的多條所述平直掃描線；
[0019]步驟304、多次重復(fù)步驟301至步驟303，直至完成所述待加工工件的所有待加工區(qū)域的熔化路徑填充過程。
[0020]上述一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟一中將所獲取的多個所述分層截面圖像均存儲在數(shù)據(jù)處理設(shè)備內(nèi)時，按照多個所述分層由下至上的排列順序，對多個所述分層截面圖像由先至后分別進行存儲；其中，多個所述分層位于最底部的分層的分層截面圖像最先存儲，且多個所述分層位于最上部的分層的分層截面圖像最后存儲。
[0021]上述一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟二中對每個所述分層截面圖像的輪廓線進行提取后，均需對所提取出的所有輪廓線的平面位置數(shù)據(jù)進行同步存儲；每條所述輪廓線的平面位置數(shù)據(jù)均包括位于該條輪廓線上多個圖像點的二維平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0022]上述一種高能束選區(qū)恪化成形的恪化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟301中所述外輪廓掃描線、內(nèi)輪廓掃描線、向內(nèi)縮進掃描線和向外擴張掃描線均為表層掃描線；步驟301中進行表層掃描路徑填充時，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備需對所有表層掃描線的平面位置數(shù)據(jù)進行同步存儲；每條所述表層掃描線的平面位置數(shù)據(jù)均包括位于該條表層掃描線上多個圖像點的二維平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0023]步驟303中進行內(nèi)核掃描路徑填充時，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備需對所有平直掃描線的平面位置數(shù)據(jù)進行同步存儲；每條所述平直掃描線的平面位置數(shù)據(jù)均包括位于該條平直掃描線上多個圖像點的二維平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0024]步驟303中內(nèi)核掃描路徑填充后，當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的所有表層掃描線的平面位置數(shù)據(jù)和所有平直掃描線的平面位置數(shù)據(jù)，組成當(dāng)前所填充待加工區(qū)域的掃描路徑信息;
[0025]步驟304中完成所述待加工工件的所有待加工區(qū)域的熔化路徑填充過程后，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備將所有待加工區(qū)域的掃描路徑信息輸出。
[0026]上述一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟301中進行表層掃描路徑填充時，還需對所有外輪廓掃描線、所有內(nèi)輪廓掃描線、所有向內(nèi)縮進掃描線和所有向外擴張掃描線的掃描方向進行標(biāo)注；
[0027]M條所述向內(nèi)縮進掃描線中相鄰兩條所述向內(nèi)縮進掃描線的掃描方向相反，所述外輪廓掃描線與M條所述向內(nèi)縮進掃描線中位于最外側(cè)的向內(nèi)縮進掃描線的掃描方向相反;
[0028]每條所述內(nèi)輪廓線的掃描路線中相鄰兩條所述向外擴張掃描線的掃描方向相反，且所述內(nèi)輪廓掃描線與M條所述向外擴張掃描線中位于最內(nèi)側(cè)的向外擴張掃描線的掃描方向相反；
[0029]步驟303中進行內(nèi)核掃描路徑填充時，還需對所有內(nèi)核掃描線的掃描方向進行標(biāo)注；
[0030]相鄰兩條所述內(nèi)核掃描線的掃描方向相反。
[0031]上述一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟303中進行內(nèi)核掃描路徑填充時，還需對多條所述內(nèi)核掃描線的掃描先后順序進行標(biāo)注；多條所述內(nèi)核掃描線的掃描先后順序為按照布設(shè)位置由前向后或由后向前進行逐條掃描。
[0032]上述一種高能束選區(qū)熔化成形的熔化路徑設(shè)計方法，其特征是:步驟303中多條所述內(nèi)核掃描線中位于最前側(cè)的內(nèi)核掃描線為前側(cè)掃描線且位于最后側(cè)的內(nèi)核掃描線為后側(cè)掃描線，多條所述內(nèi)核掃描線中位于所述前側(cè)掃描線與所述后側(cè)掃描線之間的內(nèi)核掃描線均為中間掃描線；
[0033]每條所述內(nèi)核掃描線均按照掃描方向由前向后分為三個掃描節(jié)段，三個所述掃描節(jié)段由前向后分別為前部掃描段、中部掃描段和后部掃描段；
[0034]當(dāng)多條所述內(nèi)核掃描線的掃描先后順序為按照布設(shè)位置由前向后進行逐條掃描時，所述前側(cè)掃描線的后部掃描段為掃描轉(zhuǎn)向段，所述后側(cè)掃描線的前部掃