一種增減材複合加工設備及其應用的製作方法

2023-06-07 22:17:46

本發明屬於電弧加工技術領域，更具體地，涉及一種增減材複合加工設備及其應用。

背景技術：

電弧增材製造技術(Wire Additive Manufacture,WAAM)是採用電弧作為熱源，將金屬絲材熔化逐層沉積從而製造出接近產品設計尺寸要求的三維金屬胚件，再輔以少量機械加工最終達到產品尺寸設計要求的一種快速製造方法。它具有沉積效率高、成本低等特點,能實現高性能高溫合金、鈦合金、鋁合金和高強鋼等大型複雜結構件的快速製造。WAAM熔敷過程中可以對不同結構採用不同種的材料，從而極大提高製造柔性；對幾何形狀尤其是角度不敏感，製造過程中一般不需要添加輔助支撐，極大地拓展了金屬增材製造的應用範圍。

基於WAAM技術製造產品能夠避免大尺寸鑄/鍛零件的氣孔、偏析及微裂紋，採用全熔堆焊方式所成形的零件組織、力學性能也強於鑄鍛件。比鍛造技術產品節約原材料，尤其是貴重金屬材料。因而，金屬零件的電弧成形技術有廣闊的前景，有關金屬絲增材製造技術成為國內外3D列印領域的熱點之一。

然而，對於表面形狀複雜、帶有內流道的複雜機械零件而言，傳統精密加工方法由於機械刀具無法逼近，零件後處理一般無法進行數控自動加工。而人工後處理雖然可以改善表面光潔度，但無法精確控制尺寸精度，也難以處理類似內流道等實體內部結構表面。釆用電化學加工方法加工精密模具速度緩慢，且數控編程複雜。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種增減材複合加工設備及其應用，其目的在於充分發揮電弧增材製造成型效率高製造成本低、適合零件修復和直接製造、室內或野外作業等優點，同時解決現有電弧增材製造表面質量差，精度低和只能列印簡單結構件的問題，這種邊列印成形邊精密加工的精複合工方法非常適合自動加工表面形狀複雜、帶有內流道的複雜機械零件，且精確控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種增減材複合加工設備，其特徵在於，包括在線金屬弧焊增材製造裝置和數控多軸聯動加工裝置，其中，

所述在線金屬弧焊增材製造裝置包括焊接機器人和焊機系統，所述焊機系統安裝在所述焊接機器人，以用於實施增材加工；

所述多軸聯動加工系統包括三維測量裝置和多軸聯動精密加工系統，所述三維測量裝置用於測量零件的輪廓信息並發送給計算機，計算機通過接收的輪廓信息獲得零件的實際輪廓，再與理論三維模型進行比較得到誤差，所述多軸聯動精密加工系統用於對零件實施減材加工，以使實際輪廓與理論三維模型的所述誤差控制在設定範圍內。

優選地，還包括熱處理裝置，所述熱處理裝置包括水冷箱及放置在所述水冷箱內的墊板，所述水冷箱固定安裝在升降工作檯上，所述墊板用於承接增材加工形成的零件，所述墊板通過冷卻銅塊安裝在所述水冷箱內，所述冷卻銅塊內設置有循環水路，以用於冷卻零件，並且所述水冷箱上設置有與所述循環水路連通的進水口和出水口，所述墊板上設置有溫控系統，以用於檢測所述墊板上的溫度並傳送給計算機，以讓計算機控制所述循環水路的開閉。

按照本發明的另一個方面，還提供了一種利用增減材複合加工設備進行加工的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

(1)基於零件破損處3D形貌特徵及模型加工信息的自由曲面工藝規划算法，採用曲面加工路徑方式以避免熱量積累，獲取待加工零件的CAD模型，基於曲面分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層，以生成零件增材加工路徑；

(2)根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的多軸聯動精密加工系統的切削頭的工作的位置參數及局部機加工軌跡，並將各個局部機加工軌跡連結，以生成零件輪廓的機加工路徑；

(3)根據步驟(1)中生成的零件增材加工路徑，驅動焊接機器人和焊機系統按照切片路逕行走的同時，熔化金屬絲，金屬熔滴沉積成一層；將電弧熔化後的金屬絲熔滴進行自然冷卻，以形成實體毛坯；

(4)根據步驟(2)中生成的零件輪廓的機加工路徑，驅動多軸聯動精密加工系統的刀具運動，並在三維測量裝置的配合下，對步驟(3)生成的實體毛坯的輪廓進行精加工；

(5)在精加工完畢後，升降工作檯帶動實體毛坯下降一層的高度；

(6)重複步驟(3)至(5)，直至加工出整個零件。

優選地，針對待加工零件中包括懸臂和裙邊特徵在內的結構，加入預成形填充塊，並將上述列印路徑轉變為機器人離線程式語言程序，以驅動焊接機器人的噴頭移動。

優選地，在零件的成形過程中，零件位於水冷箱內，水冷箱內的水路保持暢通，用以對零件降溫，水冷箱根據零件的熱處理需要與否，通過控制水位對零件進行水冷處理。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發明的在線金屬弧焊增材製造裝置和數控多軸聯動加工裝置可以分別進行增材製造和減材製造，能夠精確地保證零件的成形輪廓和成形精度；

2)本發明在加工零件時可以使用水冷箱對零件進行熱處理，提高零件的性能；

3)本發明充分發揮電弧增材製造成型效率高製造成本低、適合零件修復和直接製造、室內或野外作業等優點，同時解決現有電弧增材製造表面質量差，精度低和只能列印簡單結構件的問題，這種邊列印成形邊精密加工的精複合工方法非常適合自動加工表面形狀複雜、帶有內流道的複雜機械零件，且精確控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技術問題；

4)本發明不僅能夠解決現有精密加工方法難以自動加工形狀複雜(尤其是內腔複雜且還有精度要求)，能夠充分發揮電弧增材製造效率高，能耗低，環境適應強等優點，同時解決傳統電弧增材製造零件精度低尺寸小的技術問題。

附圖說明

圖1是本發明的增減材複合加工設備的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

參照圖1，一種增減材複合加工設備，包括在線金屬弧焊增材製造裝置5和數控多軸聯動加工裝置6，其中，

所述在線金屬弧焊增材製造裝置5包括焊接機器人和焊機系統，所述焊機系統安裝在所述焊接機器人，以用於實施增材加工；

所述多軸聯動加工系統包括三維測量裝置8和多軸聯動精密加工系統，所述三維測量裝置8用於測量零件1的輪廓信息並發送給計算機，計算機通過接收的輪廓信息獲得零件1的實際輪廓，再與理論三維模型進行比較得到誤差，所述多軸聯動精密加工系統用於對零件1實施減材加工，以使實際輪廓與理論三維模型的所述誤差控制在設定範圍內。

進一步，還包括熱處理裝置，所述熱處理裝置包括水冷箱9及放置在所述水冷箱9內的墊板2，所述水冷箱9固定安裝在升降工作檯4上，所述墊板2用於承接增材加工形成的零件1，所述墊板2通過冷卻銅塊3安裝在所述水冷箱9內，所述冷卻銅塊3內設置有循環水路，以用於冷卻零件1，並且所述水冷箱9上設置有與所述循環水路連通的進水口91和出水口92，所述墊板2上設置有溫控系統7，以用於檢測所述墊板2上的溫度並傳送給計算機，以讓計算機控制所述循環水路的開閉。

按照本發明的另一個方面，還提供了一種利用增減材複合加工設備進行加工的方法，包括以下步驟：

(1)基於零件1破損處3D形貌特徵及模型加工信息的自由曲面工藝規划算法，採用曲面加工路徑方式以避免熱量積累，獲取待加工零件1的CAD模型，基於曲面分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層，以生成零件1增材加工路徑；

(2)根據實體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的多軸聯動精密加工系統的切削頭的工作的位置參數及局部機加工軌跡，並將各個局部機加工軌跡連結，以生成零件1輪廓的機加工路徑；

(3)根據步驟(1)中生成的零件1增材加工路徑，驅動焊接機器人和焊機系統按照切片路逕行走的同時，熔化金屬絲，金屬熔滴沉積成一層；將電弧熔化後的金屬絲熔滴進行自然冷卻，以形成實體毛坯；

(4)根據步驟(2)中生成的零件1輪廓的機加工路徑，驅動多軸聯動精密加工系統的刀具運動，並在三維測量裝置8的配合下，對步驟(3)生成的實體毛坯的輪廓進行精加工；

(5)在精加工完畢後，升降工作檯4帶動實體毛坯下降一層的高度；

(6)重複步驟(3)至(5)，直至加工出整個零件1。

進一步，針對待加工零件1中包括懸臂和裙邊特徵在內的結構，加入預成形填充塊，並將上述列印路徑轉變為機器人離線程式語言程序，以驅動焊接機器人的噴頭移動。

進一步，步驟(1)中切片後的層厚度為1毫米～20毫米，步驟(3)中金屬絲的熔化溫度為1000～2000℃。

本發明還研製了移動式運載平臺，並將在線金屬弧焊3D列印系統所有裝備放在該移動式運載平臺上，以便滿足野外環境對設備機動性的要求。

本發明所採用的列印材料是由金屬焊絲，並且是加工成形製件的原材料。本發明採用了焊接機器人氣體保護冷焊接工藝，列印半徑可以達到1400mm，單層列印寬度2mm，高度4mm,都比傳統的雷射3D列印效率高很多，而且比早期弧焊列印裝置能列印更大尺寸的零件1。

多軸聯動精密加工系統用於在焊接機器人工作時，將磨頭和磨頭主軸移動到增材製造系統的邊緣，並保持靜止狀態，在焊接列印搶停止工作後，在三維測量裝置8的反饋支持下，多軸聯動系統用於將研磨磨頭和磨頭主軸移動到成形製件的上方幵始研磨工作，直到達到所需零件1的精度要求。

對於焊接機器人，首先通過示教建立工具坐標系與工件坐標系，其中工件坐標系與程序生成軌跡坐標系重合。其次通過手持操作盒將機器人運行到離列印工件較近的位置(主要為了避免發生幹涉)。然後將在工控機上生成的程序離線下載到機器人。最後，在機器人選定傳送過來的程序，執行相應的運動。

本發明的思路在於，將待成形零件1沿指定方向分成若干一定層厚(具體為1毫米至20毫米)的細層，釆用電弧絲材增材製造技術加工每一層的毛坯，然後變換工位，釆用高速研磨技術將該層毛坯研磨精加工為滿足尺寸精度與表面粗糙度要求的零件1實體，如此逐層往復沉積製造，直到將整個零件1加工完畢。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。