CN109454230B - 一种压力容器半球增材制造路径规划方法 - Google Patents

一种压力容器半球增材制造路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压力容器半球增材制造路径规划方法，该方法包括两种方案，一种是采用固定热源的方式，仅通过两轴变位机实现沉积路径。半球球心与变位机翻转轴中心重合，每沉积一层，变位机翻转相同角度后，变位机旋转轴旋转，实现逐层熔化沉积，成形出半球。另一种是采用可移动热源的方式，需机器人或其他执行机构夹持等离子弧、电子束等热源，执行机构与两轴变位机协同运动，每沉积一层，变位机翻转相同角度，执行机构带动热源跟随已沉积半球移动一段距离，变位机旋转轴旋转，实现逐层熔化沉积，成形出半球。本发明能够直接快速成形出复杂形状的压力容器半球，成形效率高、成本低。

Description

一种压力容器半球增材制造路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种压力容器半球增材制造路径规划方法，属于增材制造技术领域，主要用于航天钛合金气瓶、储罐的快速研制。
背景技术
以运载火箭超临界氦储罐为代表的一类压力容器半球，尺寸大，直径达1米以上，壁厚不均匀，力学性能要求高，传统的旋压、超塑成形难度大，对设备要求高，材料去除量大，导致加工成本高，成形周期长。采用增材制造方法，不需要模具，可直接快速成形出复杂形状的半球，成形效率高、成本低。但是如何规划增材制造路径精确成形压力容器半球是技术难点，目前还没有公开报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种压力容器半球增材制造路径规划方法，能够直接快速成形出复杂形状的压力容器半球，成形效率高、成本低。
本发明的技术解决方案是：
一种压力容器半球增材制造路径规划方法，包括如下步骤：
步骤S1：选取钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，则沉积位置距旋转平台距离R2＝R1-R，R为要成形的半球半径；
步骤S2：根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0；
步骤S3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度θn；
步骤S4：计算要成形的半球每层的沉积半径Rn；
步骤S5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度W；
步骤S6：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
所述步骤S2中，利用如下公式计算变位机翻转轴初始角度θ0：
θ0＝180*R0/(3.14*R)
R0为钛合金棒的半径。
所述步骤S3中，设定要成形的半球每层沉积高度为h，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0。
所述步骤S4中，第n层沉积半径Rn＝RSinθn。
所述步骤S5中，设沉积线速度恒定为V mm/s，则沉积至第n层后，旋转角速度W＝360*V/(2*3.14*Rn)，单位为度/秒。
一种压力容器半球增材制造路径规划方法，包括如下步骤：
步骤Y1：选取钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，沉积位置距旋转平台距离R2；
步骤Y2：根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0，
θ0＝180*R0/(3.14*R)
R0为钛合金棒的半径，R为要成形的半球半径；
步骤Y3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度θn；
步骤Y4：计算要成形的半球每层的半径Rn；
步骤Y5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度W；
步骤Y6：每沉积完一层，执行机构夹持热源移动，计算热源移动距离。
步骤Y7：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度、热源移动距离，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
所述步骤Y3中，设定要成形的半球每层沉积高度为h，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0。
所述步骤Y4中，第n层的沉积半径Rn＝RSinθn，R为要成形的半球半径。
所述步骤Y5中，设沉积线速度恒定为V mm/s，沉积至第n层后，旋转角速度W＝360*V/(2*3.14*Rn)，单位为度/秒。
所述步骤Y6中，第n层沉积完后，水平方向热源移动距离dx＝(cosθn-1-cosθn)*(R1+R2+R)，高度方向热源移动距离dz＝(sinθn-sinθn-1)*(R1+R2+R)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出了一种固定热源方式的压力容器半球的增材制造路径规划方法，通过精确控制每层沉积高度与沉积位置，实现了半径小于旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离的半球形容器的增材制造快速成形，降低了半球形容器的成形难度和制造成本。适用于半径较小的半球形容器的增材制造快速成形。
2、本发明提出了一种移动热源方式的压力容器半球的增材制造路径规划方法，通过精确控制每层沉积高度、沉积位置以及热源的移动距离，实现了任意半球形容器的增材制造快速成形，降低了半球形容器的成形难度和制造成本。适用于任意半径，尤其适用于半径较大的半球形容器的增材制造快速成形。
附图说明
图1为本发明固定热源方式示意图；
图2为本发明可移动热源方式示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提出一种针对于熔丝增材制造技术的路径规划方法，解决大尺寸半球形压力容器构件的制造难题，提高增材制造成形质量和生产效率。
熔丝增材制造技术采用电弧或电子束作为热源将金属丝材熔化，逐层沉积出全致密、高性能的大型金属构件。对于半球形容器，每层截面形状不一致，倾斜角度逐渐变化，其沉积路径需要多轴执行机构协调运动。
本发明提出了以下两种方案：
方案一：采用固定热源的方式，仅通过两轴变位机实现沉积路径。半球球心与变位机翻转轴中心重合，每沉积一层，变位机翻转相同角度后，变位机旋转轴旋转，实现丝材的逐层熔化沉积，成形出半球。
方案二：采用可移动热源的方式，需机器人或其他执行机构夹持等离子弧、电子束等热源，执行机构与两轴变位机协同运动，每沉积一层，变位机翻转相同角度，执行机构带动热源跟随已沉积半球移动一段距离，变位机旋转轴旋转，实现丝材的逐层熔化沉积，成形出半球。
1、采用固定热源的方式，具体步骤如下：
步骤S1：选取半径为R0的钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，则沉积位置距旋转平台距离R2＝R1-R，R为要成形的半球半径。
如选取长度为150mm、半径为R0的钛合金棒作为成形用的基棒，R0一般为25mm以上。
步骤S2：计算变位机翻转轴初始角度。
根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0＝180*R0/(3.14*R)。
步骤S3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度。
设定要成形的半球每层沉积高度为h，h一般为0.5～3mm，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0；
步骤S4：计算要成形的半球每层的沉积半径。
沉积至第n层后，沉积半径Rn＝RSinθn。
步骤S5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度。
沉积线速度恒定为V mm/s，沉积至第n层后，旋转角速度为W＝360*V/(2*3.14*Rn)度/秒。
步骤S6：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
图1为固定热源方式的示意图。
采用可移动热源方式，具体步骤如下：
步骤Y1：选取半径为R0的钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，沉积位置距旋转平台距离R2，R为要成形的半球半径。
如选取长度为150mm、半径为R0的钛合金棒作为成形用的基棒，R0一般为25mm以上。
步骤Y2：计算变位机翻转轴初始角度。
根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0＝180*R0/(3.14*R)。
步骤Y3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度。
设定要成形的半球每层沉积高度为h，h一般为0.5～3mm，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0；
步骤Y4：计算要成形的半球每层的半径。
第n层的沉积半径Rn＝RSinθn。
步骤Y5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度。
沉积线速度恒定为V mm/s，沉积至第n层后，旋转角速度为W＝360*V/(2*3.14*Rn)度/秒。
步骤Y6：每沉积完一层，执行机构夹持热源移动，计算热源移动距离。
第n层沉积完后，水平方向移动距离dx＝(cosθn-1-cosθn)*(R1+R2+R)，高度方向移动距离dz＝(sinθn-sinθn-1)*(R1+R2+R)。
步骤Y7：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度、热源移动距离，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
图2为可移动热源方式的示意图。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：选取钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，则沉积位置距旋转平台距离R2＝R1-R，R为要成形的半球半径；
步骤S2：根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0；
利用如下公式计算变位机翻转轴初始角度θ0：
θ0＝180*R0/(3.14*R)
R0为钛合金棒的半径；
步骤S3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度θn；
步骤S4：计算要成形的半球每层的沉积半径Rn；
步骤S5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度W；
步骤S6：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
2.根据权利要求1所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤S3中，设定要成形的半球每层沉积高度为h，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0。
3.根据权利要求1所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤S4中，第n层沉积半径Rn＝RSinθn。
4.根据权利要求1所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤S5中，设沉积线速度恒定为V mm/s，则沉积至第n层后，旋转角速度W＝360*V/(2*3.14*Rn)，单位为度/秒。
5.一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤Y1：选取钛合金棒作为成形用的基棒，设置旋转平台上表面距变位机翻转轴中心距离R1，沉积位置距旋转平台距离R2；
步骤Y2：根据要成形的半球半径及基棒半径计算变位机翻转轴初始角度θ0，θ0＝180*R0/(3.14*R)
R0为钛合金棒的半径，R为要成形的半球半径；
步骤Y3：计算要成形的半球每层的变位机翻转轴倾转角度θn；
步骤Y4：计算要成形的半球每层的半径Rn；
步骤Y5：计算要成形的半球每层的变位机旋转轴旋转角速度W；
步骤Y6：每沉积完一层，执行机构夹持热源移动，计算热源移动距离；
第n层沉积完后，水平方向热源移动距离dx＝(cosθn-1-cosθn)*(R1+R2+R)，高度方向热源移动距离dz＝(sinθn-sinθn-1)*(R1+R2+R)；
步骤Y7：按上述每层的变位机翻转轴倾转角度、旋转轴旋转角速度、热源移动距离，从第一层开始逐层沉积，直到θn＝90°，完成半球成形。
6.根据权利要求5所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤Y3中，设定要成形的半球每层沉积高度为h，每堆一层变位机翻转轴倾转角度增加dθ度，dθ＝180*h/(3.14*R)，第n层后，变位机翻转轴倾转角度θn＝n*dθ+θ0。
7.根据权利要求5所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤Y4中，第n层的沉积半径Rn＝RSinθn，R为要成形的半球半径。
8.根据权利要求5所述的一种压力容器半球增材制造路径规划方法，其特征在于：所述步骤Y5中，设沉积线速度恒定为V mm/s，沉积至第n层后，旋转角速度W＝360*V/(2*3.14*Rn)，单位为度/秒。
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