CN104227313A - 一种腐蚀损伤零件的修复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腐蚀损伤零件的修复方法，用铣刀自动以最小铣切量逐层清除腐蚀产物，记录最终铣切面的详细三维数据后采用3D打印方法进行快速修复至零件原设计形状，之后进行喷丸强化。本发明还涉及一种腐蚀损伤零件的修复装置，包括具有四个自由度的机械手，所述机械手的前端设有可换工位的铣刀和3D打印头。本发明在清除腐蚀产物后通过3D打印的方法对零件的腐蚀损伤部位进行修复，从而降低了腐蚀损伤零件的报废率，提高腐蚀损伤零件的修复效率、修复强度和可靠性。本发明可应用于腐蚀损伤零件的修复。

Description

一种腐蚀损伤零件的修复方法及装置

技术领域

本发明涉及零件的修复领域，特别是涉及一种腐蚀损伤零件的修复方法及装置。

背景技术

金属材料或复合材料构件在使用过程中经常出现遭受腐蚀的情况，国内外普查资料统计数据显示，每年因腐蚀而造成的损失约占各国GDP的3%~5%，其中有一部分是可以修复再利用的轻微腐蚀。目前针对腐蚀零件所采取的处理方法，对单一的金属材料零件而言，第一种是腐蚀程度较轻，修复方法是清除腐蚀材料之后再进行简单的表面防腐处理。这种情况显然构件的强度会有所降低；第二种是腐蚀程度较重，清除腐蚀材料之后还要对腐蚀区域进行喷丸强化以尽量弥补强度损失，这种情况虽然对损伤区域进行了喷丸强化，但仍然无法达到本来的设计强度；第三种是构件局部完全腐蚀断开，有些情况下采用外加搭接件的方法修复，这种情况下则在修复后会产生新的应力集中，而且增加了重量，导致出现不利因素；第四种则是腐蚀程度特别严重已无法修复而直接报废，损失较大，但其中部分零件并不一定完全无法修复。

而对纤维增强的复合材料零件而言，对损伤部位的修复一般都是用现有的纤维编织布预浸树脂后分层粘贴到损伤区，再进行加热固化和表面打磨。但为了保证修复的质量，一般都选择尺寸较大的纤维布，即修复的区域往往会比损伤区域大很多，这样就给后面的打磨工序带来不便，而且修复区域的新旧材料结合强度往往偏低。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种腐蚀损伤零件的修复方法，降低腐蚀损伤零件的报废率，又可以提高腐蚀损伤零件的修复效率和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

一种腐蚀损伤零件的修复方法，用铣刀自动以最小铣切量逐层清除腐蚀产物，记录最终铣切面的详细三维数据后采用3D打印方法进行快速修复至零件原设计形状，之后进行喷丸强化。

作为上述技术方案的进一步改进，腐蚀产物清除后在铣切面铣切出交错相接的细小沟槽或网格，形成最终铣切面。

作为上述技术方案的进一步改进，以最终铣切面为底部，由下至上逐层添加和固化修复原料进行3D打印修复。

作为上述技术方案的进一步改进，当修复零件为单一材料时，最终铣切面为沟槽状，修复原料为单一结构；当修复零件为纤维复合材料时，最终铣切面为网格状，修复原料为至少一种纤维材料和一种树脂材料。 

作为上述技术方案的进一步改进，腐蚀产物的清除过程中，通过连续监控铣刀的扭力值来确定铣切轨迹。

作为上述技术方案的进一步改进，所述铣切轨迹通过以下方式确定：

a. 将铣刀安装在带扭力传感器的铣刀轴上，以构件未腐蚀区的表面为深度基准，将铣刀移至腐蚀区的大致中间位置，记为原点A；

b. 按设定的每层切削量将铣刀一边旋转一边下移，再向腐蚀区边缘移动，当扭力值突然增加时继续按原方向移动直到扭力值的增加速度开始明显下降时，记录该扭力值作为临界值P，铣刀继续按原方向移动，当扭力值达到1.2P时，记该位置为D点；

c.以D为起点，使铣刀以位置A为参照点作周向移动，并以铣刀尽量向远离A处移动且保持扭力值在1.1P~1.2P之间为原则，直到铣刀回到起点D，记录铣刀走出的封闭轨迹；

d.铣刀在所述封闭轨迹内按平行路径绕行多圈，直至覆盖封闭轨迹之内的全部区域从而形成一层铣切面，记录平行移动时出现扭力值最小的位置，记为新的原点A，如果平行移动时的扭力值比较稳定，则不更新原点A的记录；

e.以步骤d所形成的铣切底面为深度基准，重复步骤b~d，直至在封闭轨迹内铣切时所产生的扭力值全部达到1.0P~1.1P时，完成腐蚀产物的清除，并将各层铣切面自动生成包络面数据。

本发明还提供一种腐蚀损伤零件的修复装置，采用的技术方案是：

一种腐蚀损伤零件的修复装置，包括具有四个自由度的机械手，所述机械手的前端设有可换工位的铣刀和3D打印头。

作为上述技术方案的进一步改进，所述3D打印头上设有激光射孔且激光的强度可调。

作为上述技术方案的进一步改进，所述3D打印头包括工位可换的一个单孔打印头和一个双孔打印头，所述单孔打印头具有单个用于喷出单一修复原料的送料孔，所述双孔打印头具有分别用于纤维送丝和喷出树脂的两个送料孔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述铣刀包括可换工位的平头铣刀和尖头铣刀，所述平头铣刀的铣刀轴上设有扭力传感器。

本发明的有益效果是：本发明在清除腐蚀产物后通过3D打印的方法对零件的腐蚀损伤部位进行修复，从而降低了腐蚀损伤零件的报废率，提高腐蚀损伤零件的修复效率、修复强度和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明修复装置的结构示意图；

图2是铝合金零件腐蚀区域的局部示意图；

图3是铣刀轴扭力M与铣刀位置到腐蚀区中心点距离L的变化趋势图；

图4是铣刀第一次铣切出来的封闭轨迹的平面示意图；

图5是清除第一层腐蚀产物时铣刀多圈绕行后的轨迹示意图；

图6是在平头铣刀铣切所产生的台阶铣切面基础上生成的包络面的截面示意图；

图7是在铝合金损伤零件铣刀坑内加工出的沟槽形状示意图；

图8是铝合金零件修复后的截面示意图；

图9是碳纤维复合材料零件腐蚀区域的局部示意图；

图10是在碳纤维复合材料损伤零件铣刀坑内加工出的网格形状示意图；

图11是碳纤维零件修复后的截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，在一个4关节的机械手1的前端安装一个可旋转的操作箱2，操作箱2侧面设有两把铣刀和两个3D打印头，其中两把铣刀包括平头铣刀3和尖头铣刀4，3D打印头包括一个单孔打印头5和一个双孔打印头6。平头铣刀3的铣刀轴上安装有扭力传感器7，可感应铣刀轴所承受的扭力，并将扭力值传送至***控制中心用于控制铣刀的运行轨迹，单孔打印头5上设有一个喷出单一修复原料的送料孔和一个激光射孔，双孔打印头6上设两个送料孔和一个激光射孔，两个送料孔分别用于纤维送丝和喷出树脂。两个打印头上的激光射孔的激光强度均可以调节，以实现3D打印时所需要的不同固化温度。

操作箱2可以自由转动以便使用不同的铣刀和3D打印头，可以将铣刀和3D打印头移动到指定的位置和指定的姿态，从而实现对构件腐蚀损伤部位的快速修复。

实施例一：

图2所示为7075铝合金构件局部腐蚀后的状态示意图，I区为完全腐蚀材料（腐蚀产物），II区为腐蚀过渡材料，III区为基体材料。采用的修复方法具体步骤包括：

（1）选择铣刀及加工参数：由于7075铝合金的腐蚀产物类似于粉末，在清除腐蚀产物时，选择直径稍大的平头铣刀以增加腐蚀产物的清除效率，直径为6mm，设定铣刀转速为800转/分，铣刀移动速度为2mm/秒，每层切削量为0.5mm；在铣切最终沟槽型面时，选择直径为2mm的尖头铣刀，铣刀移动速度为1mm/秒，每层切削量为0.3mm；

（2）准备清除腐蚀产物：将所选用的平头铣刀安装在带扭力传感器的铣刀轴上，以构件未腐蚀区的表面为深度基准，将铣刀移至腐蚀区的大致中间位置，记为原点A；

（3）清除当前这一层腐蚀产物：按设定的每层切削量（0.5mm）将铣刀一边旋转一边下移0.5mm，再按设定的移动速度（2mm/秒）向腐蚀区边缘移动，铣刀从A点向外移动的过程中，铣刀轴扭力值M的变化趋势如图3所示：开始阶段扭力值M很小并保持稳定（AB段），说明铣刀一直在切削腐蚀产物I；当铣刀在切削腐蚀过渡区材料II时，由于腐蚀过渡区的厚度较小，所以扭力值M会迅速增加（BC段）；当扭力值M增加速度开始减小时（C点），说明铣刀已切削到基体材料III，记录该扭力值作为临界值P。当铣刀继续向基体III方向移动，则钮力M继续增加，但增加速度会有所减小，当扭力值增加到1.2P时，铣刀停止移动，记录该位置为D点；

（4）清除当前这一层腐蚀区边缘的腐蚀产物：以D点为起点，使铣刀以位置A为参照点按逆时针方向移动，并以铣刀尽量向远处移动且保持扭力值在1.1P~1.2P之间为原则，直到铣刀回到所述起点D，这时铣刀围绕腐蚀区当前这一层的边缘绕行一圈，***自动记录铣刀的封闭轨迹，如图4所示；

（5）清除当前这一层腐蚀区其余的腐蚀产物：铣刀在形成的封闭轨迹内按平行路径绕行多圈（每圈向内移动的距离等于铣刀的直径），直至覆盖封闭轨迹之内的全部区域（如图5所示），则可以将腐蚀区这一层的腐蚀产物全部清除。如果铣刀绕行时的扭力有时大有时小，说明在扭力大的地方铣刀已接触到腐蚀过渡区甚至接触到基体材料，而扭力小的地方则腐蚀深度较大，***自动记录绕行时出现扭力值明显偏小的位置，分别用A1、A2、A3等等更新本来记录的A点位置，以便作为清除下一层腐蚀产物的参考点；如果绕行时的扭力值小于P而且稳定不变，说明铣刀在这一区域绕行时还没有接触到腐蚀过渡区，全部在完全腐蚀区内移动，这种情况下则不用更新原点A；

（6）逐层清除腐蚀产物：以步骤（5）所形成的铣切底面为深度基准，重复步骤（3）~（5），直至在封闭轨迹内铣切时所产生的扭力值全部达到1.0P~1.1P，说明铣刀已全部接触腐蚀区域底部的基体材料，完成了腐蚀产物的清除；如果在清除某一层腐蚀产物开始的时候，铣刀下降过程中出现扭力值达到1.0P~1.1P，说明已经与基体材料接触，这种情况下不需要下降至指定的每层切削量即可停止下降，并继续完成当前层腐蚀产物的清除。然后将前述各铣切步骤所产生带有台阶的铣切面自动生成包络面数据，如图6所示。

（7）铣切沟槽：更换尖头铣刀，在所形成的铣切包络面的基础上再铣去0.3mm厚材料，以保证铣刀已全部铣切到基体材料，然后再铣出交错相接的沟槽，如图7所示，记录最终形成的铣切面的三维数据信息； 

（8）3D打印修复：按步骤（7）所记录的铣切面的三维数据信息，用单孔打印头的喷射孔将7075铝合金粉末喷射到铣刀坑内，同时用打印头上的激光照射刚喷到铣切表面的7075铝合金粉末使其固化。在对铣切部位进行增料打印修复过程中，单孔打印头先从铣切面最深部位开始，在这一层内逐条逐条添加材料并固化，完成一层之后将单孔打印头向上移动一段距离进行第二层材料的添加和固化，直到恢复零件原始的设计形状，如图8所示。由于新添加的材料与原有的基体材料是通过交错相接的沟槽结合在一起的，因此结合更为牢固，强度更大；

（9）表面强化：由于在修复过程中采用了激光固化，所形成的热影响区会产生不利的残余应力，为了消除这一不利影响，用玻璃弹丸对修复表面及附近区域进行喷丸强化处理，一方面消除不利的残余应力，另一方面又可以改善表面质量。

实施例二：

图9所示为碳纤维复合材料构件局部腐蚀后的状态示意图，采用的修复方法具体步骤包括：

（1）选择直径为6mm的平头铣刀，设定铣刀转速为1000转/分，铣刀移动速度为5mm/秒，每层切削量为0.8mm；选择尖部直径1mm的尖头铣刀，铣刀移动速度为2mm/秒，每层切削量为0.3mm；

（2）~（6）与实施例1相同；

（7）更换尖头铣刀，在所形成的铣切包络面的基础上再铣去0.3mm厚的基体材料，彻底清除腐蚀产物，并铣出网格，如图10所示，记录最终形成的铣切面的三维数据信息；

（8）按步骤（7）所记录的铣切面的三维数据信息，采用双孔打印头，通过其中的一个送料孔将碳纤维喷出，通过环绕在网格的凸点上使纤维拉直，并通过另一个送料孔将树脂材料喷射到碳纤维上，同时激光照射刚喷到铣切表面的碳纤维和树脂使其固化，在对铣切部位进行增料打印修复过程中，双孔打印头先从铣切面最深部位开始，在这一层内逐条逐条添加材料并固化，完成一层之后将双孔打印头向上移动一段距离进行第二层材料的添加和固化，直到恢复零件原始的设计形状，如图11所示；由于铣切坑内的网格中有很多凸点，不仅可以将纤维以平直的状态铺设到铣切坑内，避免出现纤维弯曲在材料内部，以便充分发挥纤维各向异性的性能特点，而且可以按性能要求选择在所需要的方向上对纤维进行编织，从而获得优化的纤维分布及机械性能。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于：用铣刀自动以最小铣切量逐层清除腐蚀产物，记录最终铣切面的详细三维数据后采用3D打印方法进行快速修复至零件原设计形状，之后进行喷丸强化。

2.根据权利要求1所述的腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于：腐蚀产物清除后在铣切面铣切出交错相接的细小沟槽或网格，形成最终铣切面。

3.根据权利要求2所述的腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于：以最终铣切面为底部，由下至上逐层添加和固化修复原料进行3D打印修复。

4.根据权利要求3所述的腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于：当修复零件为单一材料时，最终铣切面为沟槽状，修复原料为单一结构；当修复零件为纤维复合材料时，最终铣切面为网格状，修复原料为至少一种纤维材料和一种树脂材料。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于：腐蚀产物的清除过程中，通过连续监控铣刀的扭力值来确定铣切轨迹。

6.根据权利要求5所述的腐蚀损伤零件的修复方法，其特征在于，所述铣切轨迹通过以下方式确定：

a. 将铣刀安装在带扭力传感器的铣刀轴上，以构件未腐蚀区的表面为深度基准，将铣刀移至腐蚀区的大致中间位置，记为原点A；

b. 按设定的每层切削量将铣刀一边旋转一边下移，再向腐蚀区边缘移动，当扭力值突然增加时继续按原方向移动直到扭力值的增加速度开始明显下降时，记录该扭力值作为临界值P，铣刀继续按原方向移动，当扭力值达到1.2P时，记该位置为D点；

c.以D为起点，使铣刀以位置A为参照点作周向移动，并以铣刀尽量向远离A处移动且保持扭力值在1.1P~1.2P之间为原则，直到铣刀回到起点D，记录铣刀走出的封闭轨迹；

d.铣刀在所述封闭轨迹内按平行路径绕行多圈，直至覆盖封闭轨迹之内的全部区域从而形成一层铣切面，记录平行移动时出现扭力值最小的位置，记为新的原点A，如果平行移动时的扭力值比较稳定，则不更新原点A的记录；

e.以步骤d所形成的铣切底面为深度基准，重复步骤b~d，直至在封闭轨迹内铣切时所产生的扭力值全部达到1.0P~1.1P时，完成腐蚀产物的清除，并将各层铣切面自动生成包络面数据。

7.一种实现权利要求1至6中任一项所述方法的装置，其特征在于：包括具有四个自由度的机械手，所述机械手的前端设有可换工位的铣刀和3D打印头。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述3D打印头上设有激光射孔且激光的强度可调。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于：所述3D打印头包括工位可换的一个单孔打印头和一个双孔打印头，所述单孔打印头具有单个用于喷出单一修复原料的送料孔，所述双孔打印头具有分别用于纤维送丝和喷出树脂的两个送料孔。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述铣刀包括可换工位的平头铣刀和尖头铣刀，所述平头铣刀的铣刀轴上设有扭力传感器。