CN106425490B - 一种增减材复合加工设备及其应用 - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23P—OTHER WORKING OF METAL; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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- B23P23/04—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass for both machining and other metal-working operations
Abstract
Description
一种増减材复合加工设备及其应用
技术领域
[0001]本发明属于电弧加工技术领域，更具体地，涉及一种增减材复合加工设备及其应 用。
背景技术
[0002]电弧增材制造技术(Wire Additive Manufacture，WAAM)是采用电弧作为热源，将 金属丝材熔化逐沉积从而制造出接近产品设计尺寸要求的三维金属胚件，再辅以少量机 械方2工>最终达到产品尺寸设计要求的一种快速制造方法。它具有沉积效率高、成本低等特 能实现咼性能高温合金、钛合金、铝合金和高强钢等大型复杂结构件的快速制造。WAAM 熔敷过程中可以对不同结构采用不同种的材料，从而极大提高制造柔性;对几何形状尤其 是角度不敏感，制造过程中一般不需要添加辅助支撑，极大地拓展了金属增材制造的应用 范围。
[0003]基于WAAM技术制造产品能够避免大尺寸铸/锻零件的气孔、偏析及微裂纹，采用全 熔堆焊方式所成形的零件组织、力学性能也强于铸锻件。比锻造技术产品节约原材料，尤其 是贵重金属材料。因而，金属零件的电弧成形技术有广阔的前景，有关金属丝增材制造技术 成为国内外3D打印领域的热点之一。
[0004]然而，对于表面形状复杂、带有内流道的复杂机械零件而言，传统精密加工方法由 于机械刀具无法逼近，零件后处理一般无法进行数控自动加工。而人工后处理虽然可以改 善表面光洁度，但无法精确控制尺寸精度，也难以处理类似内流道等实体内部结构表面。釆 用电化学加工方法加工精密模具速度缓慢，且数控编程复杂。
发明内容
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增减材复合加工设备及 其应用，其目的在于充分发挥电弧增材制造成型效率高制造成本低、适合零件修复和直接 制造、室内或野外作业等优点，同时解决现有电弧增材制造表面质量差，精度低和只能打印 简单结构件的问题，这种边打印成形边精密加工的精复合工方法非常适合自动加工表面形 状复杂、带有内流道的复杂机械零件，且精确控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技术问题。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种增减材复合加工设备，其特 征在于，包括在线金属弧焊增材制造装置和数控多轴联动加工装置，其中，
[0007] 所述在线金属弧焊增材制造装置包括焊接机器人和焊机系统，所述焊机系统安装 在所述焊接机器人，以用于实施增材加工；
[0008]所述多轴联动加工系统包括三维测量装置和多轴联动精密加工系统，所述三维测 量装置用于测量零件的轮廓信息并发送给计算机，计算机通过接收的轮廓信息获得零件的 实际轮廓，再与理论三维模型进行比较得到误差，所述多轴联动精密加工系统用于对零件 实施减材加工，以使实际轮廓与理论三维模型的所述误差控制在设定范围内。
[0009] 优选地，还包括热处理装置，所述热处理装置包括水冷箱及放置在所述水冷箱内 的垫板，所述水冷箱固定安装在升降工作台上，所述垫板用于承接增材加工形成的零件，所 述垫板通过冷却铜块安装在所述水冷箱内，所述冷却铜块内设置有循环水路，以用于冷却 零件，并且所述水冷箱上设置有与所述循环水路连通的进水口和出水口，所述垫板上设置 有温控系统，以用于检测所述垫板上的温度并传送给计算机，以让计算机控制所述循环水 路的开闭。
[0010] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种利用增减材复合加工设备进行加工的方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011] (1)基于零件破损处3D形貌特征及模型加工信息的自由曲面工艺规划算法，采用 曲面加工路径方式以避免热量积累，获取待加工零件的CAD模型，基于曲面分层切片方法将 CAD模型从最底层一直分层到最顶层，以生成零件增材加工路径；
[0012] (2)根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，按照磨头刀位点处 必须与该三角形面片相切的原则获得该位置的多轴联动精密加工系统的切削头的工作的 位置参数及局部机加工轨迹，并将各个局部机加工轨迹连结，以生成零件轮廓的机加工路 径；
[0013] (3)根据步骤(1)中生成的零件增材加工路径，驱动焊接机器人和焊机系统按照切 片路径行走的同时，熔化金属丝，金属熔滴沉积成一层;将电弧熔化后的金属丝熔滴进行自 然冷却，以形成实体毛坯；
[0014] ⑷根据步骤⑵中生成的零件轮廓的机加工路径，驱动多轴联动精密加工系统的 刀具运动，并在三维测量装置的配合下，对步骤(3)生成的实体毛坯的轮廓进行精加工；
[0015] (5)在精加工完毕后，升降工作台带动实体毛坯下降一层的高度；
[0016] ⑹重复步骤⑶至⑸，直至加工出整个零件。
[0017] 优选地，针对待加工零件中包括悬臂和裙边特征在内的结构，加入预成形填充块， 并将上述打印路径转变为机器人离线编程语言程序，以驱动焊接机器人的喷头移动。
[0018] 优选地，在零件的成形过程中，零件位于水冷箱内，水冷箱内的水路保持畅通，用 以对零件降温，水冷箱根据零件的热处理需要与否，通过控制水位对零件进行水冷处理。 [0019]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，能够取得下列有 益效果：
[0020] 1)本发明的在线金属弧焊增材制造装置和数控多轴联动加工装置可以分别进行 增材制造和减材制造，能够精确地保证零件的成形轮廓和成形精度；
[0021] 2)本发明在加工零件时可以使用水冷箱对零件进行热处理，提高零件的性能；
[0022] 3)本发明充分发挥电弧增材制造成型效率高制造成本低、适合零件修复和直接制 造、室内或野外作业等优点，同时解决现有电弧增材制造表面质量差，精度低和只能打印简 单结构件的问题，这种边打印成形边精密加工的精复合工方法非常适合自动加工表面形状 复杂、带有内流道的复杂机械零件，且精确控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技术问题； [0023] 4)本发明不仅能够解决现有精密加工方法难以自动加工形状复杂(尤其是内腔复 杂且还有精度要求），能够充分发挥电弧增材制造效率高，能耗低，环境适应强等优点，同时 解决传统电弧增材制造零件精度低尺寸小的技术问题。
附图说明
[0024]图1是本发明的增减材复合加工设备的示意图。
具体实施方式
[0025]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。
[0026] 参照图1，一种增减材复合加工设备，包括在线金属弧焊增材制造装置5和数控多 轴联动加工装置6,其中，
[0027] 所述在线金属弧焊增材制造装置5包括焊接机器人和焊机系统，所述焊机系统安 装在所述焊接机器人，以用于实施增材加工；
[0028]所述多轴联动加工系统包括三维测量装置8和多轴联动精密加工系统，所述三维 测量装置8用于测量零件1的轮廓信息并发送给计算机，计算机通过接收的轮廓信息获得零 件1的实际轮廓，再与理论三维模型进行比较得到误差，所述多轴联动精密加工系统用于对 零件1实施减材加工，以使实际轮廓与理论三维模型的所述误差控制在设定范围内。
[0029] 进一步，还包括热处理装置，所述热处理装置包括水冷箱9及放置在所述水冷箱9 内的垫板2,所述水冷箱9固定安装在升降工作台4上，所述垫板2用于承接增材加工形成的 零件1，所述垫板2通过冷却铜块3安装在所述水冷箱9内，所述冷却铜块3内设置有循环水 路，以用于冷却零件1，并且所述水冷箱9上设置有与所述循环水路连通的进水口 91和出水 口 92，所述垫板2上设置有温控系统7，以用于检测所述垫板2上的温度并传送给计算机，以 让计算机控制所述循环水路的开闭。
[0030] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种利用增减材复合加工设备进行加工的方 法，包括以下步骤：
[0031] (1)基于零件1破损处3D形貌特征及模型加工信息的自由曲面工艺规划算法，采用 曲面加工路径方式以避免热量积累，获取待加工零件1的CAD模型，基于曲面分层切片方法 将CAD模型从最底层一直分层到最顶层，以生成零件1增材加工路径；
[0032] (2)根据实体的切片轮廓及该轮廓位置的三角形外法矢方向，按照磨头刀位点处 必须与该三角形面片相切的原则获得该位置的多轴联动精密加工系统的切削头的工作的 位置参数及局部机加工轨迹，并将各个局部机加工轨迹连结，以生成零件1轮廓的机加工路 径；
[0033] (3)根据步骤（1)中生成的零件1增材加工路径，驱动焊接机器人和焊机系统按照 切片路径行走的同时，熔化金属丝，金属熔滴沉积成一层;将电弧熔化后的金属丝熔滴进行 自然冷却，以形成实体毛坯；
[0034] (4)根据步骤(2)中生成的零件1轮廓的机加工路径，驱动多轴联动精密加工系统 的刀具运动，并在三维测量装置8的配合下，对步骤(3)生成的实体毛坯的轮廓进行精加工； [0035] ⑸在精加工完毕后，升降工作台4带动实体毛坯下降一层的高度；
[0036] ⑹重复步骤⑶至⑸，直至加工出整个零件1。
[0037] 进一步，针对待加工零件1中包括悬臂和裙边特征在内的结构，加入预成形填充 块，并将上述打印路径转变为机器人离线编程语言程序，以驱动焊接机器人的喷头移动。
[0038] 进一步，步骤(1)中切片后的层厚度为1毫米〜20毫米，步骤⑶中金属丝的熔化温 度为 1000 〜2000°C。
[0039]本发明还研制了移动式运载平台，并将在线金属弧焊3D打印系统所有装备放在该 移动式运载平台上，以便满足野外环境对设备机动性的要求。
[0040]本发明所采用的打印材料是由金属焊丝，并且是加工成形制件的原材料。本发明 采用了焊接机器人气体保护冷焊接工艺，打印半径可以达到1400mm，单层打印宽度2mm，高 度4mm，都比传统的激光3D打印效率高很多，而且比早期弧焊打印装置能打印更大尺寸的零 件1。
[0041]多轴联动精密加工系统用于在焊接机器人工作时，将磨头和磨头主轴移动到增材 制造系统的边缘，并保持静止状态，在焊接打印抢停止工作后，在三维测量装置8的反馈支 持下，多轴联动系统用于将研磨磨头和磨头主轴移动到成形制件的上方幵始研磨工作，直 到达到所需零件1的精度要求。
[0042] 对于焊接机器人，首先通过示教建立工具坐标系与工件坐标系，其中工件坐标系 与程序生成轨迹坐标系重合。其次通过手持操作盒将机器人运行到离打印工件较近的位置 (主要为了避免发生干涉）。然后将在工控机上生成的程序离线下载到机器人。最后，在机器 人选定传送过来的程序，执行相应的运动。
[0043]本发明的思路在于，将待成形零件1沿指定方向分成若干一定层厚（具体为1毫米 至20毫米)的细层，釆用电弧丝材增材制造技术加工每一层的毛坯，然后变换工位，釆用高 速研磨技术将该层毛坯研磨精加工为满足尺寸精度与表面粗糙度要求的零件1实体，如此 逐层往复沉积制造，直到将整个零件1加工完毕。
[0044]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 (4)
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