CN107253004A - 一种金属结构件熔丝增材装置及其熔丝制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属结构件熔丝增材装置，包括送丝系统、机器人、工作平台、焊枪、成型件、数控铣削系统、控制系统和焊机主机；机器人对称分布在工作平台两侧且每个机器人单独固定在工字钢桁架上；焊枪和送丝系统分别固定在机器人轴上，其中送丝系统能够为单丝或多丝送进；焊接主机电连接焊枪，控制金属熔丝增材过程中电压、电流和送丝速度；控制系统电连接机器人、焊接主机、数控铣削系统和送丝系统；控制系统控制机器人、焊接主机、数控铣削系统和送丝系统的开关及过程控制。本发明保证了大型结构件快速熔融沉积优点的同时，实现了细小结构可增材制造、成型件尺寸精度可控、表面光洁度高的要求。

Description

一种金属结构件熔丝增材装置及其熔丝制造工艺

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及熔丝增材装置及工艺，尤其是一种金属结构件熔丝增材装置及其熔丝制造工艺。

背景技术

增材制造技术又名3D打印或者快速成型。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料或者熔丝，通过逐层堆叠累积的方式来构造三维实体的技术。目前常用的增材制造方法有：激光粉床熔融、电子束粉床熔融、激光同轴送粉、电弧熔丝成型技术等。

激光粉床熔融、电子束粉床熔融由于受成型腔尺寸限制、粉末高昂成本等因素的影响，仅用于精细结构件的加工制造领域。而激光同轴送粉、电弧熔丝成型技术采用激光或电弧为热源，以金属丝材为原材料，热源熔融金属丝材持续形成熔池，熔池凝固形成沉积面，如此反复最终通过逐层熔融凝固，完成三维实体过程。这种制造工艺具有原材料成本较粉末低廉、开放式的加工环境以及快速的沉积效率，更适合大型结构件的加工制造。

这种成型方式可能存在精细结构制造精度不足、零件表面光洁度不足、尺寸存在误差等弊端，难以制造出精度较高的零件，仅能用于毛坯的制造。

鉴于上述指出的金属熔丝增材制造技术难以制造出精度较高的零件。现有技术解决方案如下：

采用金属熔丝增材制造技术制备出毛坯件，后将毛坯件再放入机床进行二次加工以达到要求精度。

但这种常规工艺存在的弊端表现在：

一方面，零件参考点由于坐标变化无法精确定位、完全成型后部分面无法加工以及薄壁结构件加工时无支撑面造成变形等缺点，且存在局部细小结构二次加工困难或难以加工的问题。

另一方面，熔丝增材制造技术中，沉积宽度由熔池尺寸确定，熔池尺寸越大，其凝固后形成的沉积宽度一般也越大。而熔池尺寸大小直接由丝材直径确定，通常，丝材直径越大，形成的熔池尺寸也越大。对于大型复杂结构件而言，通常为不同厚度单壁结构组成。常规的熔丝增材技术采用单一规格直径丝材送进方式，沉积成型的单壁结构厚度相同。虽然在二次机械加工过程可去除多余尺寸厚度，但这样势必会增加铣削量，另外部分细小结构可能无法实现铣削加工。因此需要克服常规技术制造大型复杂金属结构的技术短板。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种金属结构件熔丝增材装置及其熔丝制造工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种金属结构件熔丝增材装置，包括送丝系统、多个机器人、工作平台、焊枪、成型件、数控铣削系统、控制系统和焊机主机；所述工作平台用于承载成型件，以加工平台平面为水平面，能够沿水平方向旋转及沿竖直方向翻转；所述机器人对称分布在工作平台两侧且每个机器人单独固定在工字钢桁架上；所述焊枪和送丝系统分别固定在机器人轴上，其中送丝系统能够为单丝或多丝送进；所述焊接主机电连接焊枪，控制金属熔丝增材过程中电压、电流和送丝速度；所述控制系统电连接机器人、焊接主机、数控铣削系统和送丝系统；所述控制系统控制机器人、焊接主机、数控铣削系统和送丝系统的开关及过程控制；所述工作平台上承载有成型件；所述数控铣削系统置于成型件的正上方。

进一步，上述机器人为六轴机器人，其中机器人的六个自由轴包括沿X轴方向直线轴以及其他五个关节轴。

进一步，上述送丝系统送出的金属丝材与热源能够同轴送进或非同轴送进。

本发明还提出一种上述金属结构件熔丝增材装置的熔丝制造工艺，包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统中；

步骤2：通过控制系统在工作平台表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点；

步骤3：焊接主机中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；

步骤4：控制系统中设置不同规格粗细金属丝材的送丝速度、作为粗细丝的运动载体的机器人运动速度、数控铣削系统的铣削速度；

步骤5：

薄壁精细结构件增材制造时，控制系统开启细丝送丝系统，细丝焊接主机，承载细丝焊枪和送丝系统的机器人；按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造；

厚壁结构件增材制造时，控制系统开启粗丝送丝系统，粗丝焊接主机，承载粗丝焊枪和送丝系统的机器人；按照规划路径对厚壁结构件增材制造；

步骤6：数控铣削系统按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求；

步骤7：重复步骤5-6直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，金属熔丝增材制造、铣削加工过程结束。

进一步，在以上步骤3中焊机主机中设置的电流、电压参数根据材料类型、丝材规格和零件尺寸要求修改。

进一步，上述步骤4中的金属丝材为粗细丝、粗丝或细丝，能够根据零件加工要求自由组合。

进一步，上述步骤5中薄壁精细结构和厚壁结构按顺序分步熔丝增材。

进一步，上述步骤5和步骤6中薄壁精细结构和厚壁结构为两台或多台机器人同步进行制造。

本发明具有以下有益效果：

本发明的金属结构件熔丝增材装置可实现增减材在一体机上一次性完成；并且两台或多台机器人可配置单一规格或多种规格金属丝材，实现了大型金属结构件精细化部位可成型，减少了不必要的切削量，同时两台或多台机器人可同时工作，提高工作效率。

本发明的熔丝制造工艺在实现金属结构大尺寸形貌可制备的同时，可实现精细结构制备；并且本发明兼顾了表面质量和沉积效率，能够实现细小结构可增材制造、成型件尺寸精度可控、表面光洁度高的要求。其满足了大型结构件中不同壁厚的一体化加工。

综上所述，本发明保证了大型结构件快速熔融沉积优点的同时，实现了细小结构可增材制造、成型件尺寸精度可控、表面光洁度高的要求。本发明将增材制造技术与减材制造结合，在一个加工平台上完成从零件打印成型到后续机械加工的整个过程，简化了工艺过程解决了传统技术上的难点。

附图说明

图1为本发明金属结构件熔丝增材装置示意图；

图2为本发明所用六轴机器人示意图；

图3为本发明的加工的一种大型复杂金属结构件示意图；

图4为大型复杂金属结构件熔丝增材制造方法流程图。

其中：1为送丝系统；2为机器人；3为工作平台；4为焊枪；5为成型件；6为数控铣削系统；7为控制系统；8为焊机主机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1：本发明的金属结构件熔丝增材装置包括送丝系统1、多个机器人2、工作平台3、焊枪4、成型件5、数控铣削系统6、控制系统7和焊机主机8。

本发明的工作平台3用于承载成型件，以工作平台3平面为水平面，可沿水平方向旋转及沿竖直方向翻转。

机器人2对称分布在工作平台3两侧且每个机器人2单独固定在工字钢桁架上。在本发明的最佳实施例中，机器人2是六轴机器人，机器人2对称分布在工作平台3两侧且每个机器人2单独固定在工字钢桁架上，其中机器人2的六个自由轴包括沿X轴方向直线轴以及其他五个关节轴。

焊枪4、送丝系统1固定在机器人2轴上。其中送丝系统1可为单丝或多丝送进，为生产梯度材料/多组分材料提供可能。

送丝系统1送出的金属丝材与热源可以同轴送进或非同轴送进。

焊接主机8电连接焊枪4，控制金属熔丝增材过程中电压、电流、送丝速度。

控制系统7电连接机器人2、焊机主机8、数控铣削系统6、送丝系统1由其控制机器人2、焊机主机8、数控铣削系统6、送丝系统1的开关及过程控制。

工作平台3用于承载成型件5。数控铣削系统6置于成型件5的正上方。

参见图1-4，基于以上金属结构件熔丝增材装置，本发明的熔丝制造工艺包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统7中。

步骤2：通过设备控制系统7在零件承载的工作平台3表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点。

步骤3：焊机主机8中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；

步骤4：控制系统7中设置不同规格粗细丝送丝速度、作为粗细丝运动载体的机器人2运动速度、数控铣削系统6的铣削速度。

步骤5：

在薄壁精细结构件增材制造时，控制系统7开启细丝送丝系统，细丝焊机主机8，承载细丝焊枪4、送丝系统1的机器人2。按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造。

在厚壁结构件增材制造时，控制系统7开启粗丝送丝系统1，粗丝焊机主机8，承载粗丝焊枪4、送丝系统1的机器人2。按照规划路径对厚壁结构件增材制造。

步骤6：数控铣削系统6按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求。

步骤7：重复步骤5-6直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，金属熔丝增材制造、铣削加工过程结束。

在本发明熔丝制造工艺的最佳实施例中：步骤3中焊机主机8中设置的电流、电压参数根据材料类型、丝材规格、零件尺寸要求修改。步骤4中提及的金属丝材可以为粗细丝或粗丝或细丝，根据零件加工要求可自由组合。步骤5中薄壁精细结构和厚壁结构可以按顺序分步熔丝增材，也可以为两台或多台机器人同步进行。其中所述细丝目的在于得到沉积宽度较窄的薄壁精细结构件，所述粗丝目的在于对于细节要求不高的区域实现高的沉积效率。

Claims (8)

1.一种金属结构件熔丝增材装置，其特征在于，包括送丝系统(1)、多个机器人(2)、工作平台(3)、焊枪(4)、成型件(5)、数控铣削系统(6)、控制系统(7)和焊机主机(8)；

所述工作平台(3)用于承载成型件，以加工平台(3)平面为水平面，能够沿水平方向旋转及沿竖直方向翻转；

所述机器人(2)对称分布在工作平台(3)两侧且每个机器人(2)单独固定在工字钢桁架上；

所述焊枪(4)和送丝系统(1)分别固定在机器人(2)轴上，其中送丝系统(1)能够为单丝或多丝送进；

所述焊接主机(8)电连接焊枪(4)，控制金属熔丝增材过程中电压、电流和送丝速度；

所述控制系统(9)电连接机器人(2)、焊接主机(8)、数控铣削系统(6)和送丝系统(1)；所述控制系统(9)控制机器人(2)、焊接主机(8)、数控铣削系统(6)和送丝系统(1)的开关及过程控制；所述工作平台(3)上承载有成型件(5)；所述数控铣削系统(6)置于成型件(5)的正上方。

2.根据权利要求1所述的金属结构件熔丝增材装置，其特征在于，所述机器人(2)为六轴机器人，其中机器人(2)的六个自由轴包括沿X轴方向直线轴以及其他五个关节轴。

3.根据权利要求1所述的金属结构件熔丝增材装置，其特征在于，所述送丝系统(1)送出的金属丝材与热源能够同轴送进或非同轴送进。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述金属结构件熔丝增材装置的熔丝制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将三维实体零件模型图经分层切片处理后的数据导入控制系统(7)中；

步骤2：通过控制系统(7)在工作平台(3)表面建立直角坐标系，确定坐标轴X、Y和坐标原点；

步骤3：焊接主机(8)中分别设置所对应熔丝增材所需电压、电流参数；

步骤4：控制系统(7)中设置不同规格粗细金属丝材的送丝速度、作为粗细丝的运动载体的机器人(2)运动速度、数控铣削系统(6)的铣削速度；

步骤5：

薄壁精细结构件增材制造时，控制系统(7)开启细丝送丝系统(1)，细丝焊接主机(8)，承载细丝焊枪(4)和送丝系统(1)的机器人(2)；按照规划路径对薄壁精细结构件增材制造；

厚壁结构件增材制造时，控制系统(7)开启粗丝送丝系统(1)，粗丝焊接主机(8)，承载粗丝焊枪(4)和送丝系统(1)的机器人(2)；按照规划路径对厚壁结构件增材制造；

步骤6：数控铣削系统(6)按照三维模型尺寸对单层或多层沉积件进行铣削加工，达到精确的尺寸要求；

步骤7：重复步骤5-6直至零件精度尺寸达到规定尺寸要求，金属熔丝增材制造、铣削加工过程结束。

5.根据权利要求4所述的熔丝制造工艺，其特征在于，在步骤3中焊机主机(8)中设置的电流、电压参数根据材料类型、丝材规格和零件尺寸要求修改。

6.根据权利要求4所述的熔丝制造工艺，其特征在于，所述步骤4中的金属丝材为粗细丝、粗丝或细丝，能够根据零件加工要求自由组合。

7.根据权利要求4所述的熔丝制造工艺，其特征在于，所述步骤5和步骤6中薄壁精细结构和厚壁结构按顺序分步熔丝增材。

8.根据权利要求4所述的熔丝制造工艺，其特征在于，所述步骤5中薄壁精细结构和厚壁结构为两台或多台机器人(2)同步进行制造。