CN106513930A - 一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，该方法采用两类成形层路径相交形成网格，这种成形层路径间没有相互跨越关系，不会出现交叉结构的塌陷、缩颈和凸起等缺陷，可以形成无结构缺陷的网格状加强筋，满足后续机械加工和使用需求；而且本发明的网格交叉结构角度可控，适应多种形式网格状加强筋的加工需求，适用性强且成形工艺简单易实现。

Description

一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材制造技术领域，特别涉及一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，适用于铝合金、钛合金、高温合金等材料的电弧熔丝增材制造。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术隶属于“3D打印”技术领域，具有成形效率高、材料利用率高、设备成本低、制造周期短、产品近净成形等优点，非常适宜在航空航天领域推广应用。

航空航天领域对产品重量有严格要求，为保证强度往往采用各种形式的加强筋结构，其中的网格加强筋结构最为常见。网格加强筋有菱形、方形等不同的网格形式。分析这些网格形加强筋结构可知，网格加强筋结构由大量一定交叉角度的交叉结构按规则排列组合而成，不同网格的区别在于基本单元的交叉角度不同。

利用电弧熔丝增材制造技术成形网格加强筋结构的技术难点是在交叉处易出现凸起、缩颈、塌陷等多种缺陷。缺陷形成原因如下：在利用电弧熔丝增材制造技术进行交叉结构成形时，往往采用直接交叉策略成形，即先沿水平方向成形一道成形层，再沿垂直方向叠加一道成形层。由于电弧本身的特性，在垂直的成形层接近第一条成形层时，电弧往往被凸起的第一条成形层所吸引，在交叉点前方和交叉点后方的热输入量不足，导致成形层出现宽度减小，同时高度降低的现象；以及在凸起处热输入量加大，导致成形层出现宽度增加，高度增加的现象。此现象一旦形成，后续的成形过程会加剧这种现象，而导致上述缺陷的产生。

这些缺陷的存在将影响成形后网格加强筋的机械加工。由于电弧熔丝增材制造技术是近净成形技术，需要后期机械加工。加工余量的控制很重要，预留的加工余量越大，越有利于加工到预期的产品尺寸，但是会降低成形效率，浪费原材料，增加成本；若预留的加工余量不足，达不到预期尺寸。理想的预留加工余量是在保证加工尺寸的同时，尽可能少。对于交叉结构而言，机械加工后理想的交叉结构是在交叉处形成圆角，以避免或减少应力集中，提高产品的整体强度，如图1a所示。对于电弧熔丝增材制造的交叉筋结构而言，若在交叉处存在缩颈、塌陷等缺陷，将难以加工出尺寸满足使用需求的结构，出现如图1b所示的交叉处凹陷的问题。因而，交叉处缺陷的控制是电弧熔丝增材制造技术能否应用于成形网格加强筋结构的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，该方法采用的成形层路径间没有相互跨越关系，不会出现交叉结构的塌陷、缩颈和凸起等缺陷，可以形成无结构缺陷的网格状加强筋，可以满足后续机械加工和使用需求，成形工艺简单易实现且适用性强。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，包括以下步骤：

(1)、在基板上成形第一层成形层网格，具体实现过程如下：

(1a)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点A₁、A₂、…、A_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点A₁～A_N之间形成第一类单道成形层路径，所述成形层路径以点A₁为起弧点、以点A_N为熄弧点、以点A₂～A_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；α为设定的网格交叉角度；

(1b)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点B₁、B₂、…、B_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点B₁～B_N之间形成第二类单道成形层路径，所述成形层路径以点B₁为起弧点、以点B_N为熄弧点、以点B₂～B_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；

其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的奇数拐点相交，或者第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的偶数拐点相交，且交点的连线与各单道成形层路径中的奇数拐点连线、偶数拐点连线相互平行；

(1c)、重复步骤(1a)和(1b)在基板上成形第一层成形层网格，所述成形层网格由交替出现的第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径构成；

(2)、重复步骤(1a)至步骤(1c)，在第一层成形层网格上成形第二层成形层网格，然后在第二层成形层网格上成形第三层成形层网格，依次类推，共成形M层成形网格，以达到设定的网格高度，M为正整数。

上述的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，在步骤(1)中，第一类单道成形层路径与第二类单道成形层路径的成形方向相同或相反；所述成形方向包括沿横向由右至左、沿横向由左至右、沿纵向由上至下、沿纵向由下至上；其中：沿横向由右至左和沿横向由左至右互为反方向；沿纵向由上至下和沿纵向由下至上互为反方向。

上述的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，在步骤(1)中，如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，则成形层网格中的网格单元为菱形网格。

上述的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，在步骤(1)中，如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为正方形网格。

上述的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，在步骤(1)中，如果在第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径中，各拐点与相邻两个拐点间的距离分别为d₁和d₂，d₁与d₂不相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为矩形网格。

上述的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，在各成形层网格成形后，通过机械加工在网格单元交叉处形成圆角。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、本发明采用的成形层路径间没有相互跨越关系，不会出现交叉结构的塌陷、缩颈和凸起等缺陷，可以形成无结构缺陷的网格状加强筋，可以满足后续机械加工和使用需求；

(2)、本发明的网格交叉结构角度可控，适应多种形式网格状加强筋的加工需求，适用性强且成形工艺简单易实现。

附图说明

图1a为机械加工后理想的交叉结构示意图，其在交叉处形成圆角；

图1b为现有技术中电弧熔丝增材制造的交叉接结构的示意图；其在交叉处存在缺陷；

图2a为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的第一类单道成形层路径示意图；

图2b为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的第一类单道成形层路径和第二类成形层路径对比示意图；

图3a为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的成形层网格结构示意图；其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径均采用横向分布形式且路径方向相反；

图3b为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的成形层网格结构示意图；其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径均采用横向分布形式且路径方向相同；

图3c为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的成形层网格结构示意图；其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径均采用纵向分布形式且路径方向相反；

图3d为采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法成形的成形层网格结构示意图；其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径均采用纵向分布形式且路径方向相同。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

采用本发明的交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，可以在基板上形成多层成形层网格，以达到设定的网格高度。具体实现步骤如下：

(1)、在基板上成形第一层成形层网格，具体实现过程如下：

(1a)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点A₁、A₂、…、A_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点A₁～A_N之间形成第一类单道成形层路径，所述成形层路径以点A₁为起弧点、以A_N为熄弧点、以A₂～A_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；α为设定的网格交叉角度。例如：如图2a所示的第一类单道成形层路径，其中，A₁为起弧点，A₇为熄弧点，A₂、A₄、A₆分别为偶数拐点，A₁、A₃、A₅分别为奇数拐点，图中偶数拐点所在的直线与奇数所在的直线平行，如果边缘网格也是完整网格，则起弧点A₁和熄弧点A₇也在上述平行直线上，如果边缘网格为部分网格，则起弧点A₁和熄弧点A₇位于两条平行直线之间。另外∠A₁A₂A₃＝∠A₂A₃A₄＝∠A₃A₄A₅＝∠A₄A₅A₆＝∠A₅A₆A₇＝90°，其中设定的网格角度α＝90°。

(1b)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点B₁、B₂、…、B_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点B₁～B_N之间形成第二类单道成形层路径，所述成形层路径以点B₁为起弧点、以B_N为熄弧点、以B₂～B_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的奇数拐点相交，或者第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的偶数拐点相交，且交点的连线与各单道成形层路径中的奇数拐点连线、偶数拐点连线相互平行。

例如：如图2b所示的第二类单道成形层路径，其中，B₁为起弧点，B₇为熄弧点，B₂、B₄、B₆分别为偶数拐点，B₁、B₃、B₅分别为奇数拐点，图中偶数拐点所在的直线与奇数所在的直线平行，如果边缘网格也是完整网格，则起弧点B₁和熄弧点B₇也在上述平行直线上，如果边缘网格为部分网格，则起弧点B₁和熄弧点B₇位于两条平行直线之间。另外∠B₁B₂B₃＝∠B₂B₃B₄＝∠B₃B₄B₅＝∠B₄B₅B₆＝∠B₅B₆B₇＝90°，其中设定的网格角度α＝90°。另外，图中第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径在偶数拐点处相交，相交点所在直线分别与两条路径的奇数拐点所在直线平行，如果网格单元为正方形或菱形，则两条路径对于相交点所在直线成镜像对称关系。

(1c)、重复步骤(1a)和(1b)在基板上成形第一层成形层网格，所述成形层网格由交替出现的第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径构成。

如果将图2b的第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径交替出现，则可以形成如图3b所示的第一层成形层网格。其中，两条路径的方向相同，均为横向自左向右。在成形过程中，第一类单道成形层路径与第二类单道成形层路径的成形方向也以相同，也可以相反。该成形方向包括沿横向由右至左、沿横向由左至右、沿纵向由上至下、沿纵向由下至上；其中：沿横向由右至左和沿横向由左至右互为反方向；沿纵向由上至下和沿纵向由下至上互为反方向。图3a～3d分别给出了四种网格路径方向示意图。

其中如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的成形路径方向相反时，相当于连续加工形成两个路径，电弧的持续工作时间较长，热累积较大，在网格尺寸较小时可能会造成基板或成形层变形。而且这种方式会造成起弧位置和熄弧位置重复，因而在同一点累计起弧误差和熄弧误差，从而造成累积性缺陷。因此可以根据网格大小选择不同的路径方案进行交替使用。

(2)、重复步骤(1a)至步骤(1c)，在第一层成形层网格上成形第二层成形层网格，然后在第二层成形层网格上成形第三层成形层网格，依次类推，共成形M层成形网格，以达到设定的网格高度，M为正整数。

该步骤中，各层成形层网格中的第一类单道成形层路径与第二类单道成形层路径的成形方向设定可以根据实际加工情况进行设定，每层均可在8种成形路径方向方案中进行选择，其中，这8中成形路径方向方案如表1所示。

方案序号	第一类单道成形层路径方向	第二类单道成形层路径的成形方向
			1	横向自右向左	横向自右向左
2	横向自右向左	横向自左向右
			3	横向自左向右	横向自右向左
4	横向自左向右	横向自左向右
			5	纵向自上向下	纵向自上向下
6	纵向自上向下	纵向自下向上
			7	纵向自下向上	纵向自上向下
8	纵向自下向上	纵向自下向上

(3)、在各成形层网格成形后，通过机械加工在网格单元交叉处形成如图1a所示的圆角。

在以上的交叉网格成形过程中：如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，则成形层网格中的网格单元为菱形网格；如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为正方形网格。如果在第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径中，各拐点与相邻两个拐点间的距离分别为d₁和d₂，d₁与d₂不相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为矩形网格。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、在基板上成形第一层成形层网格，具体实现过程如下：

(1a)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点A₁、A₂、…、A_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点A₁～A_N之间形成第一类单道成形层路径，所述成形层路径以点A₁为起弧点、以点A_N为熄弧点、以点A₂～A_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；α为设定的网格交叉角度；

(1b)、在基板上沿设定成形方向设置N个点，依次记为点B₁、B₂、…、B_N，N为正整数；然后采用电弧熔丝增材制造工艺在点B₁～B_N之间形成第二类单道成形层路径，所述成形层路径以点B₁为起弧点、以点B_N为熄弧点、以点B₂～B_N-1为拐点；其中：排序为奇数的拐点分布在同一直线上，而排序为偶数的拐点分布在另一直线上，两条直线相互平行，且成形层路径上相邻三个点连接构成的角度均为α；

其中，第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的奇数拐点相交，或者第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的偶数拐点相交，且交点的连线与各单道成形层路径中的奇数拐点连线、偶数拐点连线相互平行；

(1c)、重复步骤(1a)和(1b)在基板上成形第一层成形层网格，所述成形层网格由交替出现的第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径构成；

(2)、重复步骤(1a)至步骤(1c)，在第一层成形层网格上成形第二层成形层网格，然后在第二层成形层网格上成形第三层成形层网格，依次类推，共成形M层成形网格，以达到设定的网格高度，M为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：在步骤(1)中，第一类单道成形层路径与第二类单道成形层路径的成形方向相同或相反；所述成形方向包括沿横向由右至左、沿横向由左至右、沿纵向由上至下、沿纵向由下至上；其中：沿横向由右至左和沿横向由左至右互为反方向；沿纵向由上至下和沿纵向由下至上互为反方向。

3.根据权利要求1所述的一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：在步骤(1)中，如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，则成形层网格中的网格单元为菱形网格。

4.根据权利要求1所述的一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：在步骤(1)中，如果第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径的相邻拐点间的距离均相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为正方形网格。

5.根据权利要求1所述的一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：在步骤(1)中，如果在第一类单道成形层路径和第二类单道成形层路径中，各拐点与相邻两个拐点间的距离分别为d₁和d₂，d₁与d₂不相等，且设定的网格交叉角度α＝90°，则成形层网格中的网格单元为矩形网格。

6.根据权利要求1所述的一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：在各成形层网格成形后，通过机械加工在网格单元交叉处形成圆角。