CN106002277A - 一种电弧增材与铣削复合加工方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧增材与铣削复合加工的方法，包括：(1)将需要加工零件的STL三维模型进行分层切片及路径规划，生成相应的G代码，然后导入至电弧增材和铣削加工复合装置中进行加工；(2)控制焊枪的开关，氩气的开关以及复合装置的运动，来进行电弧增材制造；(3)当使用焊枪堆积达到需要铣削加工的阈值时，暂停电弧增材加工，同时G代码控制焊枪相对于铣刀抬高，成形件移动至铣刀下方进行轮廓和顶面的铣削加工；(4)如果加工满足结束条件，结束加工，获得加工零件；否则转到步骤(2)，循环执行。本发明还公开了相应的产品。本发明可以使得电弧增材与铣削复合加工能够有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。

Description

一种电弧增材与铣削复合加工方法及其产品

技术领域

本发明属于电弧增材制造技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材与铣削复合加工方法及其产品。

背景技术

电弧增材制造技术是采用电弧熔丝工艺进行金属零件3D成形的工艺过程(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)，即采用氩弧焊电弧作为热源，将金属丝材熔化逐层沉积从而制造出接近产品设计尺寸要求的三维金属胚件。与其它金属增材制造技术相比较，电弧增材制造技术具有设备投资少、制造效率高、设备运行稳定、运行成本低(电-电弧转换率85％以上，对激光而言，电-光转换率小于10％)等优点。然而电弧增材制造技术普遍存在加工精度不足的问题，若不进行后续机加工，很难保证其尺寸精度达到预期目标。

为了克服上述的缺陷，现有技术中出现了一种在电弧增材制造中融合数控铣削的解决方案，例如专利文献CN105414981A中公开的一种方案，其包括电弧增材单元和铣削加工单元，所述铣削加工单元包括铣削加工头，所述铣削加工单元和所述电弧增材单元相连接，电弧增材单元包括焊枪、支撑板、滑块、固定槽、固定板、步进电机以及丝杠，焊枪一端与滑块固定，焊枪另一端穿过支撑板的通孔，支撑板与步进电机相固定，固定板也与步进电机相固定，固定槽与固定板相固定，步进电机的输出轴连接有丝杠，丝杠穿过滑块上开设的螺纹通孔。该装置将铣削加工单元结合至电弧增材单元上，进而一次性进行增材制造和切削复合加工，实现对加工零件的形貌尺寸进行控制，使工件的加工精确满足使用要求。

但是，尽管该方案中披露了通过铣削加工介入进而提高形貌尺寸的精度控制，因为电弧增材制造与铣削加工两种工艺是相互独立的，铣削加工何时介入电弧增材工艺中，如何介入其中，以及两者如何相互进行结合和协同加工并进行协调统一控制，是进行电弧增材与铣削复合加工的关键，是能否可以提高工件加工精度、获取精确形貌尺寸的核心手段，该方案中并没有提及，使得其在加工零件精度、形貌尺寸控制方面仍存在一定的不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电弧增材与铣削复合加工的方法及相应的产品，其通过对电弧增材与铣削加工进行融合处理，并对铣削加工的介入时机进行设置和优化，从而可以使得电弧增材与铣削复合加工能够有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种电弧增材与铣削复合加工的方法，其包括如下步骤：

(1)将需要加工零件的三维模型进行分层切片及路径规划，生成相应的G代码，然后将G代码导入至电弧增材和铣削加工复合装置中进行加工；

(2)导入的G代码系统控制焊枪的开关，氩气的开关以及复合装置的运动，来进行电弧增材制造；

(3)当使用焊枪堆积达到需要铣削加工的阈值时，暂停电弧增材加工，同时G代码控制焊枪相对于铣刀抬高，成形件移动至铣刀下方进行轮廓和顶面的铣削加工，以改善成形件表面精度和形貌尺寸；

(4)如果加工满足结束条件，结束加工，获得加工零件；否则转到步骤(2)，循环执行。

作为本发明的进一步优选，所述阈值通过如下过程获得：

首先得出单条焊道的尺寸形态与焊接参数之间存在的关系，利用实验得到的尺寸形态数据对单道焊缝进行建模，得到焊接参数与模型之间的关系；

然后，经过模型与单道焊缝的对比，从而确定单道抛物线模型；

之后，将单道抛物线模型进行等间距排列，各焊道之间通过圆弧进行连接，通过所述单道抛物线模型的函数方程及其与圆弧之间的几何关系，得到道间距P，层厚T与焊接参数之间的关系；

根据所选用的焊接参数，进行计算得出单道抛物线模型的层厚，将其作为所述阈值。

作为本发明的进一步优选，所述单条焊道的尺寸形态包括熔宽和熔高。

作为本发明的进一步优选，所述焊接参数包括焊接速度、送丝速度和焊接电压。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述电弧增材与铣削复合加工的方法所制备的工件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明中，将对铣削加工的介入时机进行优化，使得电弧增材与铣削复合加工能够有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好；

(2)本发明中，通过优化的算法使得铣削加工的介入通过增加加工的厚度阈值进行体现，即通过单道抛物线模型以及焊接参数，获得模型层厚作为加工阈值，从而实现铣削加工的精准介入；

(3)本发明的方法可以使得电弧增材与铣削复合加工能够有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。

附图说明

图1为按照本发明实施例所构建的复合加工方法的总体流程图；

图2为按照本发明实施例所构建的方法中加工的工件形貌特征图；

图3为按照本发明实施例所构建的方法中的复合铣削电弧增材制造系统原理图；

图4为按照本发明实施例所构建的方法中的电弧增材和铣削复合加工装置示意图；

图5为按照本发明实施例所构建的方法中的电弧增材和铣削复合加工装置主视图；

图6为按照本发明实施例所构建的电弧增材和铣削复合工艺具体流程图；

图7为按照本发明实施例所构建的方法中获得阈值的单道抛物线模型示意图；

图8为按照本发明实施例所构建的方法中获得阈值的单层多道抛物线模型示意图；

图9为按照本发明实施例所构建的方法中的路径规划方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明一个实施例的电弧增材与铣削复合加工方法，其中可以利用任意的具有电弧增材与铣削装置集成的加工设备来实现，例如一个实施例中可以利用专利文献CN105414981A中的一种电弧增材和铣削复合加工装置来实施。

具体来说，如图4和5所示，该实施例中，其中的电弧增材和铣削加工装置包括电弧增材单元1和铣削加工单元2。其中，铣削加工单元2整体设置在机床上，其包括铣削加工头21，铣削加工单元2和所述电弧增材单元1相连接，以能整体移动，电弧增材单元包括焊枪11、支撑板12、滑块13、固定槽14、固定板15、步进电机16以及丝杠17，焊枪11一端与滑块13固定，焊枪11另一端穿过支撑板12的通孔，支撑板12与步进电机16相固定，固定板15也与步进电机16相固定，固定槽14与固定板15通过螺钉相固定，步进电机16的输出轴通过联轴器18用与丝杠17固定在一起。丝杠17穿过滑块13上开设的螺纹通孔，以能带动滑块13往复移动，进而带动焊枪11上下移动，焊枪11内设置有与外接阳极相连的焊丝。

连接板3一端呈筒状，以供铣削加工头21穿入并与连接板3固定，连接板3另一端呈板状，以通过紧固件与固定槽14相固定。电弧增材单元1和铣削加工单元2通过连接板相连接连接，电弧增材单元1和铣削加工单元2可以整体移动，即整体发生上下、左右以及前后的移动，在步进电机的驱动下，丝杠运动，带动焊枪相对铣削加工头上下移动，使铣削加工头和焊枪具有相对距离差，方便进行增材制造或者是切削加工。

固定槽14呈矩形体状，滑块13内嵌在所述固定槽14内，以在固定槽14约束下平稳上下滑动。

电弧增材单元整体固定在三轴数控机床平台上，铣削加工单元与电弧增材单元固定在一起，由步进电机16通过联轴器18带动丝杠17进行转动，从而丝杠上面的滑块13进行上下运动。焊枪11固定在滑块13上的，从而能自动调节焊枪11的上下位置，形成机床的第四轴，进行增材制造，相应地，铣削加工单元移动到合适位置进行铣削加工。

如图3和6所示，整个机械结构的运动由数控机床利用G代码进行控制，具体的复合加工总体工艺过程为：

(1)将需要加工的stl格式的模型导入至软件中，进行三维模型的切片及路径规划，生成相应的G代码，然后将G代码导入至电弧增材和铣削加工复合装置(数控加工装置)中进行加工；

(2)电弧增材制造：使用自定义的代码控制焊枪的开关，读取并运行导入的G代码，进行电弧增材制造；

一般是通过导入的G代码系统控制焊枪的开关，氩气的开关以及复合装置的运动，来进行电弧增材制造。

(3)铣削加工：当使用焊枪堆积达到需要铣削加工阈值(例如到预定层数)时，焊枪通过第四轴抬高，转为铣削过程来消除尺寸误差，成形件移动至铣刀下方进行轮廓和顶面的铣削加工，以改善成形件表面精度和形貌尺寸，避免了可能产生的相互干涉。

(4)如果加工满足结束条件，结束加工，获得加工零件；否则转到步骤(2)，循环执行。

具体来说，如图3所示，首先利用CAD软件进行模型建模，并导出STL格式的模型文件，之后对的STL模型文件进行分层切片处理和路径规划，生成相应的G代码，然后将G代码导入至数控机床中进行加工。

本方案中，为了提高产品加工精度，对于电弧增材加工中铣削加工的介入进行了具体的规划和设置，使得电弧增材加工与铣削加工可以有效融合，即复合铣削的电弧增材制造过程分为电弧增材和铣削两个部分，其中铣削又可分为对轮廓的铣削和对成形顶面的铣削。整个复合铣削电弧增材制造流程如图1所示。

铣削加工介入时机的阈值是本方案中一个关键的因素，也是加工精度和效率的重要影响因子。本方案中，根据焊接参数与焊接尺寸的关系，通过正交试验利用理论分析获得相应的阈值，从而作为铣削加工介入时机，实现高精度的复合加工。

本方案中，通过正交试验，首先得出单条焊道的尺寸形态(熔宽、熔高)与焊接参数(焊接速度、送丝速度、焊接电压等)之间存在的关系，利用实验得到的熔宽熔高数据对单道焊缝进行建模，得到焊接参数与模型之间的关系。然后，经过模型与单道焊缝的对比，从而确定使用抛物线模型，如图7所示。之后，将单道抛物线模型按一定的道间距P进行排列，道与道之间通过圆弧进行连接，如图8所示。通过单道抛物线模型的函数方程及其与圆弧之间的几何关系，可以得到道间距P，层厚T与焊接参数(接速度、送丝速度、焊接电压等)之间的关系。

由此，可以根据所选用的焊接参数，进行计算得出模型的层厚。在加工前，将得出的层厚设为阈值，即如果经过一层电弧堆积之后，达到了此阈值，则进行铣削加工，反之继续进行电弧堆积。

一个实施例中，根据加工需要预选合适的工艺参数，然后根据当前工艺参数对应的堆积焊迹形貌，设置合适的堆焊层数为阈值，一旦堆焊到到设置层数后进行铣削加工。由于层数阈值是可以调节的，能够很好的适应不同参数以及不同模型下的加工需求，即堆焊到一定层数后进行铣削加工处理堆焊层，循环往复，完成最后一层加工后，对零件的顶面进行铣削加工。与此同时可以根据当前模型的形貌尺寸特征设定在堆焊到某些特殊层高后进行铣削处理，来保证成形件的形貌特征精度。

另一个实施例中，在加工装置上可以安装高度测量仪与轮廓测量仪，可以实时监控加工零件的形貌尺寸，并反馈至上位机中，与模型的形貌尺寸进行计算对比。无论是竖直方向，还是水平方向，如果没有超出预定的阈值，就继续进行电弧堆积；反之进行铣削加工。

如图2凸台，模型层高H1和H2分别为保证凸台形貌尺寸的特殊层高，可以设置H1和H2为阈值来触发铣削加工。对于不同模型，其保证形貌尺寸的一些特殊层高不尽相同，因此可以根据工艺参数数据库和当前模型形貌特征来设置这些层高阈值。具体操作中，可以通过在软件中预先设置阈值，再结合路径规划策略及自定义的辅助数控指令，生成能够控制整个工艺流程的数控代码，写入TXT格式文件中，最后将TXT格式控制文件导入实验平台进行金属件成形制造过程。

本方案中，复合铣削的电弧增材路径规划可分为电弧增材路径规划和铣削路径规划两个部分，其中铣削路径规划又可分为轮廓铣削路径的规划和顶面铣削路径的规划。如图9所示为复合铣削的电弧增材制造路径规划方法示意图，根据实际需求分别为每部分设计合适的路径规划策略后，再结合图1所示复合铣削电弧增材制造流程以及焊铣坐标变换方法，便可形成适合整个工艺流程的复合路径规划策略。整个弧增材铣削复合加工过程的控制使用同一套数控代码，通过软件模块导入模型，输入相应的堆焊以及铣削参数，电弧增材制造过程作为加法，铣削加工作为减法，综合两者的优点满足了金属零件制造快速性、成形件表面高精度的要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电弧增材与铣削复合加工的方法，其包括如下步骤：

(1)将需要加工零件的三维模型进行分层切片及路径规划，生成相应的G代码，然后将G代码导入至电弧增材和铣削加工复合装置中进行加工；

(2)通过导入的G代码控制焊枪的开关，保护气的开关以及复合装置的运动，进行电弧增材制造；

(3)在使用焊枪堆积达到需要铣削加工的阈值时，暂停电弧增材加工，同时G代码控制焊枪相对于铣刀抬高，工件被移动至铣刀下方进行轮廓和顶面的铣削加工，以改善其表面精度和形貌尺寸；

(4)如果加工满足结束条件，结束加工，获得加工零件；否则转到步骤(2)，循环执行。

2.根据权利要求1所述的一种电弧增材与铣削复合加工的方法，其中，所述阈值通过如下过程获得：

首先得出单条焊道的尺寸形态与焊接参数之间存在的关系，利用实验得到的尺寸形态数据对单道焊缝进行建模，得到焊接参数与模型之间的关系；

然后，经过模型与单道焊缝的对比，从而确定单道抛物线模型；

之后，将单道抛物线模型进行等间距排列，各焊道之间通过圆弧进行连接，通过所述单道抛物线模型的函数方程及其与圆弧之间的几何关系，得到道间距P，层厚T与焊接参数之间的关系；

根据所选用的焊接参数，进行计算得出所述单道抛物线模型的层厚，即为所述阈值。

3.根据权利要求2所述的一种电弧增材与铣削复合加工的方法，其中，所述单条焊道的尺寸形态包括熔宽和熔高。

4.根据权利要求2或3所述的一种电弧增材与铣削复合加工的方法，其中，所述焊接参数包括焊接速度、送丝速度和焊接电压。

5.利用权利要求1-4中任一项所述的电弧增材与铣削复合加工的方法所制备的工件。