一種金屬結構件熔絲增材裝置及其熔絲製造工藝的製作方法
2023-06-19 06:10:26
本發明屬於增材製造技術領域，涉及熔絲增材裝置及工藝，尤其是一種金屬結構件熔絲增材裝置及其熔絲製造工藝。
背景技術：
增材製造技術又名3d列印或者快速成型。它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料或者熔絲，通過逐層堆疊累積的方式來構造三維實體的技術。目前常用的增材製造方法有：雷射粉床熔融、電子束粉床熔融、雷射同軸送粉、電弧熔絲成型技術等。
雷射粉床熔融、電子束粉床熔融由於受成型腔尺寸限制、粉末高昂成本等因素的影響，僅用於精細結構件的加工製造領域。而雷射同軸送粉、電弧熔絲成型技術採用雷射或電弧為熱源，以金屬絲材為原材料，熱源熔融金屬絲材持續形成熔池，熔池凝固形成沉積面，如此反覆最終通過逐層熔融凝固，完成三維實體過程。這種製造工藝具有原材料成本較粉末低廉、開放式的加工環境以及快速的沉積效率，更適合大型結構件的加工製造。
這種成型方式可能存在精細結構製造精度不足、零件表面光潔度不足、尺寸存在誤差等弊端，難以製造出精度較高的零件，僅能用於毛坯的製造。
鑑於上述指出的金屬熔絲增材製造技術難以製造出精度較高的零件。現有技術解決方案如下：
採用金屬熔絲增材製造技術製備出毛坯件，後將毛坯件再放入工具機進行二次加工以達到要求精度。
但這種常規工藝存在的弊端表現在：
一方面，零件參考點由於坐標變化無法精確定位、完全成型後部分面無法加工以及薄壁結構件加工時無支撐面造成變形等缺點，且存在局部細小結構二次加工困難或難以加工的問題。
另一方面，熔絲增材製造技術中，沉積寬度由熔池尺寸確定，熔池尺寸越大，其凝固後形成的沉積寬度一般也越大。而熔池尺寸大小直接由絲材直徑確定，通常，絲材直徑越大，形成的熔池尺寸也越大。對於大型複雜結構件而言，通常為不同厚度單壁結構組成。常規的熔絲增材技術採用單一規格直徑絲材送進方式，沉積成型的單壁結構厚度相同。雖然在二次機械加工過程可去除多餘尺寸厚度，但這樣勢必會增加銑削量，另外部分細小結構可能無法實現銑削加工。因此需要克服常規技術製造大型複雜金屬結構的技術短板。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種金屬結構件熔絲增材裝置及其熔絲製造工藝。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
本發明首先提出一種金屬結構件熔絲增材裝置，包括送絲系統、多個機器人、工作平臺、焊槍、成型件、數控銑削系統、控制系統和焊機主機；所述工作平臺用於承載成型件，以加工平臺平面為水平面，能夠沿水平方向旋轉及沿豎直方向翻轉；所述機器人對稱分布在工作平臺兩側且每個機器人單獨固定在工字鋼桁架上；所述焊槍和送絲系統分別固定在機器人軸上，其中送絲系統能夠為單絲或多絲送進；所述焊接主機電連接焊槍，控制金屬熔絲增材過程中電壓、電流和送絲速度；所述控制系統電連接機器人、焊接主機、數控銑削系統和送絲系統；所述控制系統控制機器人、焊接主機、數控銑削系統和送絲系統的開關及過程控制；所述工作平臺上承載有成型件；所述數控銑削系統置於成型件的正上方。
進一步，上述機器人為六軸機器人，其中機器人的六個自由軸包括沿x軸方向直線軸以及其他五個關節軸。
進一步，上述送絲系統送出的金屬絲材與熱源能夠同軸送進或非同軸送進。
本發明還提出一種上述金屬結構件熔絲增材裝置的熔絲製造工藝，包括以下步驟：
步驟1：將三維實體零件模型圖經分層切片處理後的數據導入控制系統中；
步驟2：通過控制系統在工作平臺表面建立直角坐標系，確定坐標軸x、y和坐標原點；
步驟3：焊接主機中分別設置所對應熔絲增材所需電壓、電流參數；
步驟4：控制系統中設置不同規格粗細金屬絲材的送絲速度、作為粗細絲的運動載體的機器人運動速度、數控銑削系統的銑削速度；
步驟5：
薄壁精細結構件增材製造時，控制系統開啟細絲送絲系統，細絲焊接主機，承載細絲焊槍和送絲系統的機器人；按照規劃路徑對薄壁精細結構件增材製造；
厚壁結構件增材製造時，控制系統開啟粗絲送絲系統，粗絲焊接主機，承載粗絲焊槍和送絲系統的機器人；按照規劃路徑對厚壁結構件增材製造；
步驟6：數控銑削系統按照三維模型尺寸對單層或多層沉積件進行銑削加工，達到精確的尺寸要求；
步驟7：重複步驟5-6直至零件精度尺寸達到規定尺寸要求，金屬熔絲增材製造、銑削加工過程結束。
進一步，在以上步驟3中焊機主機中設置的電流、電壓參數根據材料類型、絲材規格和零件尺寸要求修改。
進一步，上述步驟4中的金屬絲材為粗細絲、粗絲或細絲，能夠根據零件加工要求自由組合。
進一步，上述步驟5中薄壁精細結構和厚壁結構按順序分步熔絲增材。
進一步，上述步驟5和步驟6中薄壁精細結構和厚壁結構為兩臺或多臺機器人同步進行製造。
本發明具有以下有益效果：
本發明的金屬結構件熔絲增材裝置可實現增減材在一體機上一次性完成；並且兩臺或多臺機器人可配置單一規格或多種規格金屬絲材，實現了大型金屬結構件精細化部位可成型，減少了不必要的切削量，同時兩臺或多臺機器人可同時工作，提高工作效率。
本發明的熔絲製造工藝在實現金屬結構大尺寸形貌可製備的同時，可實現精細結構製備；並且本發明兼顧了表面質量和沉積效率，能夠實現細小結構可增材製造、成型件尺寸精度可控、表面光潔度高的要求。其滿足了大型結構件中不同壁厚的一體化加工。
綜上所述，本發明保證了大型結構件快速熔融沉積優點的同時，實現了細小結構可增材製造、成型件尺寸精度可控、表面光潔度高的要求。本發明將增材製造技術與減材製造結合，在一個加工平臺上完成從零件列印成型到後續機械加工的整個過程，簡化了工藝過程解決了傳統技術上的難點。
附圖說明
圖1為本發明金屬結構件熔絲增材裝置示意圖；
圖2為本發明所用六軸機器人示意圖；
圖3為本發明的加工的一種大型複雜金屬結構件示意圖；
圖4為大型複雜金屬結構件熔絲增材製造方法流程圖。
其中：1為送絲系統；2為機器人；3為工作平臺；4為焊槍；5為成型件；6為數控銑削系統；7為控制系統；8為焊機主機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參見圖1：本發明的金屬結構件熔絲增材裝置包括送絲系統1、多個機器人2、工作平臺3、焊槍4、成型件5、數控銑削系統6、控制系統7和焊機主機8。
本發明的工作平臺3用於承載成型件，以工作平臺3平面為水平面，可沿水平方向旋轉及沿豎直方向翻轉。
機器人2對稱分布在工作平臺3兩側且每個機器人2單獨固定在工字鋼桁架上。在本發明的最佳實施例中，機器人2是六軸機器人，機器人2對稱分布在工作平臺3兩側且每個機器人2單獨固定在工字鋼桁架上，其中機器人2的六個自由軸包括沿x軸方向直線軸以及其他五個關節軸。
焊槍4、送絲系統1固定在機器人2軸上。其中送絲系統1可為單絲或多絲送進，為生產梯度材料/多組分材料提供可能。
送絲系統1送出的金屬絲材與熱源可以同軸送進或非同軸送進。
焊接主機8電連接焊槍4，控制金屬熔絲增材過程中電壓、電流、送絲速度。
控制系統7電連接機器人2、焊機主機8、數控銑削系統6、送絲系統1由其控制機器人2、焊機主機8、數控銑削系統6、送絲系統1的開關及過程控制。
工作平臺3用於承載成型件5。數控銑削系統6置於成型件5的正上方。
參見圖1-4，基於以上金屬結構件熔絲增材裝置，本發明的熔絲製造工藝包括以下步驟：
步驟1：將三維實體零件模型圖經分層切片處理後的數據導入控制系統7中。
步驟2：通過設備控制系統7在零件承載的工作平臺3表面建立直角坐標系，確定坐標軸x、y和坐標原點。
步驟3：焊機主機8中分別設置所對應熔絲增材所需電壓、電流參數；
步驟4：控制系統7中設置不同規格粗細絲送絲速度、作為粗細絲運動載體的機器人2運動速度、數控銑削系統6的銑削速度。
步驟5：
在薄壁精細結構件增材製造時，控制系統7開啟細絲送絲系統，細絲焊機主機8，承載細絲焊槍4、送絲系統1的機器人2。按照規劃路徑對薄壁精細結構件增材製造。
在厚壁結構件增材製造時，控制系統7開啟粗絲送絲系統1，粗絲焊機主機8，承載粗絲焊槍4、送絲系統1的機器人2。按照規劃路徑對厚壁結構件增材製造。
步驟6：數控銑削系統6按照三維模型尺寸對單層或多層沉積件進行銑削加工，達到精確的尺寸要求。
步驟7：重複步驟5-6直至零件精度尺寸達到規定尺寸要求，金屬熔絲增材製造、銑削加工過程結束。
在本發明熔絲製造工藝的最佳實施例中：步驟3中焊機主機8中設置的電流、電壓參數根據材料類型、絲材規格、零件尺寸要求修改。步驟4中提及的金屬絲材可以為粗細絲或粗絲或細絲，根據零件加工要求可自由組合。步驟5中薄壁精細結構和厚壁結構可以按順序分步熔絲增材，也可以為兩臺或多臺機器人同步進行。其中所述細絲目的在於得到沉積寬度較窄的薄壁精細結構件，所述粗絲目的在於對於細節要求不高的區域實現高的沉積效率。