CN108817671A - 丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增减材制造方法的技术领域，更具体地，涉及一种丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法及装置，将电弧熔积技术、激光冲击锻打技术、机械铣削技术耦合在一起，先采用电弧熔积的方式形成熔覆层，当温度传感器监测到熔覆层区域的温度至设定的激光锻打温度时，激光锻打和电弧熔积同时进行，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低丝材堆积过程中制造误差与零件锻打表面粗糙度造成的误差，提高零件整体精度；在电弧熔积与激光冲击锻打完成后，零件转入铣削工位对零件表面机械铣削加工，提高表面精度，降低丝材堆积过程中制造误差与零件锻打表面粗糙度造成的误差，提高零件整体精度，克服丝材电弧熔积增材制造成型精度差的缺点。

Description

丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及增减材制造方法的技术领域，更具体地，涉及一种丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法及装置。

背景技术

增材制造技术可以直接用3D-CAD模型来制作出复杂的模型，其不仅可以制作原型件，还可以生产零件和模具。金属增材制造工艺一般分为俩种：粉末床熔合与直接能量沉积，前者通过逐层烧结、熔化金属粉末来得到预定零件，由于其较慢的成型速率及较小的成型仓容积，不适用于大型构件的制造；后者通过激光、电子束或电弧放电来熔化粉末或金属丝材，形成焊道熔积，堆积出三维形状，适用于大型构件的制造。

与激光金属粉末熔积技术相比，丝材电弧熔积技术有其独特的优势，例如有更快的成型速度，成型速度大约为激光金属粉末熔积成型速率的7倍；其材料利用率也接近于100%；电弧熔积的能量效率也大于激光熔积的能量效率，电弧熔积的能量利用率大致在90%,而激光熔积能量利用率只有30-50%；此外，丝材电弧熔积的成本也低于激光金属粉末熔积成型。然而，丝材电弧熔积技术也有一些明显不足之处，例如增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量差，零件尺寸的精度也比较差，熔积过程中残余应力也得不到很好的控制，这些都在一定程度上制约的丝材电弧熔积技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法及装置，适用于大尺寸零件的加工，具有较快的成型速度、较高的材料利用率以及较低的加工成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，包括以下步骤：

S1. 通过计算机对三维零件模型进行切片分层处理，生成加工路径，所述加工路径包括电弧熔积路径、激光冲击锻打路径以及铣削路径；根据所述加工路径设定加工参数，所述加工参数包括焊机参数、激光束参数以及铣削参数，根据所述加工参数生成数控加工的代码，并提取加工路径输入至控制器中；

S2. 控制器指令电弧熔积系统开始送丝，再根据步骤S1中所述的电弧熔积路径熔化焊丝，形成熔覆层；

S3. 在形成步骤S2所述的熔覆层时，采用温度传感器对熔覆层区域温度实时监控并将监测的温度实时反馈给计算机；当监测的温度达到设定的激光锻打温度时，控制器控制激光冲击锻打系统按照步骤S1所述的激光冲击锻打路径对零件进行激光冲击锻打加工；

S4. 在丝材电弧熔积与激光冲击锻打加工完成零件的一层结构时，图像传感器把已形成的零件表面形貌数据传输到计算机分析，调整铣削系统的高度，铣削系统根据步骤S1所述的铣削路径对零件表面机械铣削加工；

S5. 当步骤S4中的铣削加工完成后，图像传感器再次测量零件表面形貌数据并上传至计算机分析，重新设定零件下一层结构的加工参数；

S6. 重复步骤S2、S3、S4，直至完成零件最后一层结构的熔积，控制器控制机械铣削系统对零件表面进行精加工处理得到预定零件。

本发明的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，在丝材电弧熔积的同时，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低熔积区域的残余应力；机械铣削系统根据图像传感器的反馈对激光冲击锻打区域进行铣削，提高表面精度，从而降低丝材堆积过程中制造误差与零件锻打表面粗糙度造成的误差，提高零件整体精度，克服丝材电弧熔积增材制造成型精度差的缺点。

优选地，步骤S1中所述三维零件模型及三维零件模型的切片分层处理是在CAD/CAM软件中生成和进行，所述CAD/CAM软件装载于所述计算机上。采用通用的CAD/CAM软件生成零件模型，并对三维零件模型进行切片处理，并可在CAM模块中生成加工代码，加工代码包括铣削加工代码、激光冲击锻打加工代码以及电弧熔积加工代码。

优选地，步骤S3中，所述激光锻打温度设定为800℃~1000℃。在合适的激光锻打温度时，在丝材电弧熔积的同时，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低熔积区域的残余应力。

优选地，步骤S3中，控制器控制激光冲击锻打系统运动至激光冲击锻打路径的起始点时，激光冲击锻打系统启动激光器对零件进行激光冲击锻打。运动至起始点后启动激光锻打，消除丝材熔积过程中产生的内应力，细化晶粒组织，改善零件内部质量和力学性能。

优选地，步骤S4中，铣削系统距离零件表面的高度为0.5m~1.65m。控制铣削系统到合适的高度，便于等待零件由熔积锻打工位移转到铣削工位，在铣削工位，铣削系统根据设定的参数与路径对零件表面进行切削效率更高的粗加工。

优选地，电弧熔积加工与激光冲击锻打加工在熔积锻打工位进行，铣削加工在铣削工位进行。熔积锻打工位和铣削工位独立，互不影响，保证工件表面的加工质量。

本发明还提供了一种丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，包括控制器以及与控制器连接的电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统以及计算机，所述电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统外罩设有外壳；所述外壳内设有工作台，工件设置于工作台上。

本发明的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统相互影响，在电弧熔积加工的同时，激光会对成型区域进行激光冲击锻打，降低熔积区域的残余应力；电弧熔积和激光冲击锻打完成后，机械铣削系统对锻打截面进行铣削，保证平面精度，稳定零件尺寸，相互配合以解决丝材电弧容积容易出现残余应力难以控制、零件尺寸成型精度差的问题，实现优化制造的目。

进一步地，所述电弧熔积系统包括焊机、与焊机连接的储气罐、与控制器连接的第一六轴机械臂以及与焊机连接的焊枪，所述焊枪连接于第一六轴机械臂的自由端，所述焊枪位于工件的上方。电弧熔化焊丝，形成熔覆层。

进一步地，所述激光冲击锻打系统包括顺次连接的激光器、激光头行走机构以及激光头，所述激光器、激光头行走机构均与控制器连接，所述激光头行走机构与壳体滑动连接，所述激光头一侧、工件上方设有用于监测熔覆层区域温度的温度传感器。

进一步地，所述机械铣削系统包括铣削装置以及与控制器连接的第二六轴机械臂，所述铣削装置连接于第二六轴机械臂的输出端；所述铣削装置一侧、工件上方设有用于监测零件表面形貌数据的图像传感器。由于铣削加工在无润滑、热状态下进行，导致刀具、工件和切屑之间的摩擦家居，铣削热急剧增加；同时由于焊接成型层各部分微观组织分布不均匀，导致刀具的加工环境异常恶劣；因此本发明铣削装置所选取的刀具应具有高硬度、红热硬性、耐磨性和强韧性并能承受一定冲击，根据焊接成形层的材料选用硬质合金或复合涂层硬质合金刀具。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明在丝材电弧熔积的同时，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低熔积区域的残余应力；机械铣削系统根据图像传感器的反馈对激光冲击锻打区域进行铣削，提高表面精度，从而降低丝材堆积过程中制造误差与零件锻打表面粗糙度造成的误差，提高零件整体精度，克服丝材电弧熔积增材制造成型精度差的缺点。

（2）本发明采用丝材电弧熔积的方式，可成型零件尺寸更大，成型速度快，材料利用率更高，加工成本低；丝材电弧熔积与激光冲击锻打结合的加工方式，

能够得到更加精准的零件尺寸，弥补了现有丝材电弧熔积技术制造精度差、表面质量低等缺点，提高了加工效率。

附图说明

图1为丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法的流程示意图。

图2为丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置的结构示意图。

附图中：1-计算机；2-焊枪；3-第一六轴机械臂；4-第二六轴机械臂；5-铣削装置；6-激光器；7-激光头；8-控制器；9-焊机；10-激光头行走机构；11-温度传感器；12-图像传感器；13-导轨；14-储气罐。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

如图1所示为本发明的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法的流程图，包括以下步骤：

S1. 通过计算机1对三维零件模型进行切片分层处理，生成加工路径，加工路径包括电弧熔积路径、激光冲击锻打路径以及铣削路径；根据加工路径设定加工参数，加工参数包括焊机9参数、激光束参数以及铣削参数，根据加工参数生成数控加工的代码，并提取加工路径输入至控制器8中；

S2. 控制器8指令电弧熔积系统开始送丝，再根据步骤S1中的电弧熔积路径熔化焊丝，形成熔覆层；

S3. 在形成步骤S2的熔覆层时，采用温度传感器11对熔覆层区域温度实时监控并将监测的温度实时反馈给计算机1；当监测的温度达到设定的激光锻打温度时，控制器8控制激光冲击锻打系统按照步骤S1的激光冲击锻打路径对零件进行激光冲击锻打加工；

S4. 在丝材电弧熔积与激光冲击锻打加工完成零件的一层结构时，图像传感器12把已形成的零件表面形貌数据传输到计算机1分析，调整铣削系统的高度，铣削系统根据步骤S1的铣削路径对零件表面机械铣削加工；

S5. 当步骤S4中的铣削加工完成后，图像传感器12再次测量零件表面形貌数据并上传至计算机1分析，重新设定零件下一层结构的加工参数；

S6. 重复步骤S2、S3、S4，直至完成零件最后一层结构的熔积，控制器8控制机械铣削系统对零件表面进行精加工处理得到预定零件。

本实施例在实施时，在丝材电弧熔积的同时，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低熔积区域的残余应力；机械铣削系统根据图像传感器12的反馈对激光冲击锻打区域进行铣削，提高表面精度，从而降低丝材堆积过程中制造误差与零件锻打表面粗糙度造成的误差，提高零件整体精度，克服丝材电弧熔积增材制造成型精度差的缺点。

步骤S1中三维零件模型及三维零件模型的切片分层处理是在CAD/CAM软件中生成和进行，CAD/CAM软件装载于计算机1上，可在CAM模块中生成加工代码，加工代码包括铣削加工代码、激光冲击锻打加工代码以及电弧熔积加工代码。步骤S3中，激光锻打温度设定为800℃~1000℃，在合适的激光锻打温度范围内，在丝材电弧熔积的同时，对成型区域进行激光冲击锻打，能够降低熔积区域的残余应力。步骤S3中，控制器8控制激光冲击锻打系统运动至激光冲击锻打路径的起始点时，激光冲击锻打系统启动激光器6对零件进行激光冲击锻打。步骤S4中，铣削系统距离零件表面的高度为0.5m~1.65m，便于等待零件由熔积锻打工位移转到铣削工位。本实施例的电弧熔积加工与激光冲击锻打加工在熔积锻打工位进行，铣削加工在铣削工位进行，熔积锻打工位和铣削工位独立，互不影响，保证工件表面的加工质量。

实施例二

如图2所示为本发明的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置的实施例，包括控制器8以及与控制器8连接的电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统以及计算机1，电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统外罩设有外壳；外壳内设有工作台，工件活动设置于工作台上；工件可在熔积锻打工位和铣削工位之间变换。

如图1所示，电弧熔积系统包括焊机9、与焊机9连接的储气罐14、与控制器8连接的第一六轴机械臂3以及与焊机9连接的焊枪2，焊枪2连接于第一六轴机械臂3的自由端，焊枪2位于工件的上方。控制器8先控制电弧熔积系统送丝，电弧熔化焊丝并形成熔覆层。

激光冲击锻打系统包括顺次连接的激光器6、激光头7行走机构10以及激光头7，激光器6、激光头7行走机构10均与控制器8连接，壳体内侧顶部设置有导轨13，激光头7行走机构10与导轨13滑动连接，激光头7一侧、工件上方设有用于监测熔覆层区域温度的温度传感器11。温度传感器11实时监测熔覆层区域的温度，在达到设定的激光锻打温度时，激光头7发出的激光束对零件进行激光冲击锻打，电弧熔积与冲击锻打同时进行，能够提高加工效率。

机械铣削系统包括铣削装置5以及与控制器8连接的第二六轴机械臂4，铣削装置5连接于第二六轴机械臂4的输出端；铣削装置5一侧、工件上方设有用于监测零件表面形貌数据的图像传感器12。在电弧熔积与激光冲击锻打同时完成后，图像传感器12把数据传给计算机1进行图形处理，按照设定的路径和加工参数对零件表面进行粗加工，提高铣削速率，铣削完毕后重新回到熔积锻打工位。

在零件回到熔积锻打工位时，图像传感器12会再次测量零件尺寸，再根据零件铣削后的实际尺寸重新设定电弧熔积系统、激光锻打系统、机械铣削系统的加工参数，并重复上述步骤。在零件的熔积完成后，零件转入铣削工位进行精加工，铣削完毕后得到预定成型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 通过计算机对三维零件模型进行切片分层处理，生成加工路径，所述加工路径包括电弧熔积路径、激光冲击锻打路径以及铣削路径；根据所述加工路径设定加工参数，所述加工参数包括焊机参数、激光束参数以及铣削参数，根据所述加工参数生成数控加工的代码，并提取加工路径输入至控制器中；

S2. 控制器指令电弧熔积系统开始送丝，再根据步骤S1中所述的电弧熔积路径熔化焊丝，形成熔覆层；

S3. 在形成步骤S2所述的熔覆层时，采用温度传感器对熔覆层区域温度实时监控并将监测的温度实时反馈给计算机；当监测的温度达到设定的激光锻打温度时，控制器控制激光冲击锻打系统按照步骤S1所述的激光冲击锻打路径对零件进行激光冲击锻打加工；

S4. 在丝材电弧熔积与激光冲击锻打加工完成零件的一层结构时，图像传感器把已形成的零件表面形貌数据传输到计算机分析，调整铣削系统的高度，铣削系统根据步骤S1所述的铣削路径对零件表面机械铣削加工；

S5. 当步骤S4中的铣削加工完成后，图像传感器再次测量零件表面形貌数据并上传至计算机分析，重新设定零件下一层结构的加工参数；

S6. 重复步骤S2、S3、S4，直至完成零件最后一层结构的熔积，控制器控制机械铣削系统对零件表面进行精加工处理得到预定零件。

2.根据权利要求1所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，步骤S1中所述三维零件模型及三维零件模型的切片分层处理是在CAD/CAM软件中生成和进行，所述CAD/CAM软件装载于所述计算机上。

3.根据权利要求1所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，步骤S3中，所述激光锻打温度设定为800℃~1000℃。

4.根据权利要求1所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，步骤S3中，控制器控制激光冲击锻打系统运动至激光冲击锻打路径的起始点时，激光冲击锻打系统启动激光器对零件进行激光冲击锻打。

5.根据权利要求1所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，步骤S4中，铣削系统距离零件表面的高度为0.5m~1.65m。

6.根据权利要求1至5任一项所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造方法，其特征在于，电弧熔积加工与激光冲击锻打加工在熔积锻打工位进行，铣削加工在铣削工位进行。

7.丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，其特征在于，包括控制器以及与控制器连接的电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统以及计算机，所述电弧熔积系统、激光冲击锻打系统、机械铣削系统外罩设有外壳；所述外壳内设有工作台，工件活动设置于工作台上。

8.根据权利要求7所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，其特征在于，所述电弧熔积系统包括焊机、与焊机连接的储气罐、与控制器连接的第一六轴机械臂以及与焊机连接的焊枪，所述焊枪连接于第一六轴机械臂的自由端，所述焊枪位于工件的上方。

9.根据权利要求7所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，其特征在于，所述激光冲击锻打系统包括顺次连接的激光器、激光头行走机构以及激光头，所述激光器、激光头行走机构均与控制器连接，所述激光头行走机构与壳体滑动连接，所述激光头一侧、工件上方设有用于监测熔覆层区域温度的温度传感器。

10.根据权利要求7所述的丝材电弧熔积与激光冲击锻打复合增减材制造装置，其特征在于，所述机械铣削系统包括铣削装置以及与控制器连接的第二六轴机械臂，所述铣削装置连接于第二六轴机械臂的输出端；所述铣削装置一侧、工件上方设有用于监测零件表面形貌数据的图像传感器。