CN109590743A - 一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法：将零件模型分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造装备系统；自下而上增材成形10mm后，为旋转工作电极提供电解液；使工作电极距工件表面5mm，打开电源系统，进行起始点电解加工；工作电极按照设定的工艺参数以距路径外轮廓线5mm的逐点位置为运动轨迹，进行连续展成电解加工；复合制造装备系统检测工作电极与工件间电流，并与设定电流值对比，作为逐点连续电解加工的运动信号；复合制造装备系统按照分层切片的层高，与增材同向增加电解加工工作电极高度；第二Z轴增加量与第一Z轴增加量相等，该增减材复合制造过程完成。方便用于实现复杂零部件增材制造及在线精密减材加工。

Description

一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法
技术领域
本发明涉及一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，属于高性能金属材料增减材复合制造领域。
背景技术
面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展。电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝金属构成，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，钛合金成形速率可达4kg/h，故在成本、效率、成形件尺寸上具有其他增材制造方法不可比拟的优势，是大型化、整体化零件近净成形最具潜力的数字化制造技术。
电弧增材成形过程热输入远大于激光、电子束增材制造，逐点控制的熔池尺寸较大，连续往复三维成形过程中，热源作用具有时序特征，三维空间非均匀加热过程使得成形件自首至尾、自下而上各区域温度梯度较大，相应地熔池尺寸截面特征尺寸变化显著，成形时一般设置层间停留时间，等待基体降温至特定层间温度后再继续成形，但该方法不利于发挥电弧增材高效成形的优势，严重限制了电弧增材成形效率的发挥。
此外，即使采用层间控温策略获得一致性较高的成形件表面形貌，但电弧增材熔池尺寸较大，成形件表面周期性起伏形貌明显，表面粗糙度较差，需经机械加工才能满足最终使用要求。而面向个性化、复杂化需求的增材制造技术本质上是为了解决复杂结构加工成形刀具可达性问题，
但增材制造的零部件表面质量较差，一般需要进行后续机加工才能满足使用要求，而近净成形复杂部件无法像传统加工技术那样对坯体原材料进行多工序精密机械加工，熔池逐点凝固成形的复杂零部件受形状、尺寸限制一般难以进行后续精密机械加工，因此进行在线减材精密加工成为电弧增材制造复杂零部件满足最终服役要求的必要工序。但传统铣削、磨削精加工需对加工对象施加力的作用，复杂的结构如镂空、悬臂等为传统机械加工带来挑战，在线集成一种柔性低载荷或无载荷的减材加工方法，成为增材制造复杂精密结构的必然趋势。此外，电弧增材成形过程往往造成较大的热应力，加之大型结构尺寸特征更加重了热源作用的空间非均匀性，传统的热输入控制、随焊碾压等残余应力控制方法效果甚微，维持成形件温度场均匀性，保持熔池局域温度场的一致性，协调应力应变且获得一致性的凝固形貌成为电弧增材成形大尺寸构件难点问题。
而电弧增材成形是快热急冷的无模约束熔池自由熔积成形过程，成形表面质量较差，且形貌一致性较低，成形件一般需要二次机械加工，且复杂成形件受到空间、尺寸限制难以进行机械加工的问题。为此，需要电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，方便用于实现复杂零部件增材制造及在线精密减材加工。
本发明的技术方案在于：一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，包括以下步骤：
（1）将零件模型分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造装备系统，焊枪置于成形起点位置处，起弧后焊枪按照设定的工艺参数以路径中心线为运动轨迹，进行连续电弧增材制造；
（2）复合制造装备系统自下而上增材成形10mm后，打开电解液过滤泵、高压泵开关为旋转工作电极提供电解液；
（3）使工作电极距工件表面5mm，打开电源系统，进行起始点电解加工，待达到加工余量设计值后，记录下电源系统的电流值，并作为后续电解加工的目标值；
（4）提取零件模型分层切片后的规划路径外轮廓线，工作电极按照设定的工艺参数以距路径外轮廓线5mm的逐点位置为运动轨迹，进行连续展成电解加工；
（5）电解加工连续运动过程中，电源系统中设定的电流值为运动启停的信号值，复合制造装备系统检测工作电极与工件间电流，并与设定电流值对比，作为逐点连续电解加工的运动信号；
（6）每层电解加工完成后，复合制造装备系统按照分层切片的层高，与增材同向增加电解加工工作电极高度；
（7）直至复合制造装备系统中用于电解加工的第二Z轴增加量与用于增材制造的第一Z轴增加量相等，该增减材复合制造过程完成。
进一步地，所述复合制造装备系统包括机架，所述机架上设置有可沿X轴、Y轴方向移动并用于安装工件的工作台，机架上位于工作台的上侧设置有可沿X轴方向移动并可升降的第一Z轴，所述第一Z轴的下端设置有焊枪，所述机架上位于工作台的一侧设置有可升降调节的第二Z轴，所述第二Z轴的上端设置有悬臂状的旋转空心阴极，所述旋转空心阴极的端部沿周向间隔布设有喷射孔，所述机架上设置有阳极与工作台相连接且阴极与第二Z轴相连接的电源系统，机架上还设置有电解液供液回收系统。
进一步地，所述机架上设置有可沿Y轴纵向移动的第一座板，所述第一座板上设置有可沿X轴横向移动的第二座板，所述第二座板上设置有用于安装工作台的绝缘板。
进一步地，所述电解液供液回收系统包括电解液贮存箱，所述电解液贮存箱内设置过滤泵，所述过滤泵经高压泵连接有给水管，所述给水管与旋转空心阴极相连接，所述第一座板上设置有电解液回流槽，所述电解液回流槽上设置有排水口，所述排水口上连接有通入电解液贮存箱的排水管。
进一步地，所述工作台的上侧设置有两侧部分别经支撑柱与第一座板的两侧部向连接的顶板，所述顶板与第一座板之间覆盖有玻璃布。
进一步地，所述工作台与第一座板之间包裹有油布。
进一步地，所述喷射孔的直径为1mm，所述工作电极为旋转空心阴极。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：电弧增材成形与展成电解加工的复合制造技术因采用与自下而上增材过程同向的自下而上电解加工方法，解决了传统机械加工过程与增材过程的干涉问题，同时电解腐蚀加工过程无力的相互作用，有效减小薄壁结构加工过程的受载变形，极大地保留增材的形位精度。同时连续的电解液喷射具有局域冷却作用，可有效避免粗大凝固织构的产生，并为后续增材成形热过程建立一致的成形热环境，从而保持成形形貌一致性，显著改善了增材成形质量。数控展成电解加工采用旋转的具有内喷功能的空心阴极作为工具，可在不对工件施加载荷的条件下，利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理去除金属材料加工各种高硬度、高强度的金属材料复杂型面，加工中阴极工具无损耗、无宏观切削力，是一种高效、高表面质量的工艺方法。电弧增材制造与数控展成电解加工复合，可有效解决传统机械减材加工增材制造复杂结构难以受力的问题，阴极工具采用侧面平行进给的方式可避免传统机加工的刀具干涉问题，同时连续喷出的电解液冲刷腐蚀工件表面，可有效降温进行高效温控。此，采用数控电解加工与电弧增材复合，不仅可以解决复杂镂空、悬臂构件的加工受载问题，还可以利用电解液的连续冲刷进行精准控温，保持温度场均匀性、一致性，解决宏观应力及凝固形貌一致性问题。
附图说明
图1为本发明的复合制造系统的结构示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1
一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，包括以下步骤：
（1）将零件模型分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造装备系统，焊枪置于成形起点位置处，起弧后焊枪按照设定的工艺参数以路径中心线为运动轨迹，进行连续电弧增材制造；
（2）复合制造装备系统自下而上增材成形10mm后，打开电解液过滤泵、高压泵开关为旋转工作电极提供电解液；
（3）使工作电极距工件表面5mm，打开电源系统，进行起始点电解加工，待达到加工余量设计值后，记录下电源系统的电流值，并作为后续电解加工的目标值（该电流值实际上表征了电极距加工后工件表面的距离）；
（4）提取零件模型分层切片后的规划路径外轮廓线，工作电极按照设定的工艺参数以距路径外轮廓线5mm的逐点位置为运动轨迹，进行连续展成电解加工；
（5）电解加工连续运动过程中，电源系统中设定的电流值为运动启停的信号值，复合制造装备系统检测工作电极与工件间电流，并与设定电流值对比，作为逐点连续电解加工的运动信号；
（6）每层电解加工完成后，复合制造装备系统按照分层切片的层高，与增材同向增加电解加工工作电极高度；
（7）直至复合制造装备系统中用于电解加工的第二Z轴增加量与用于增材制造的第一Z轴增加量相等，该增减材复合制造过程完成。
本实施例中，所述复合制造装备系统包括机架10，所述机架上设置有可沿X轴、Y轴方向移动并用于安装工件1的工作台11，机架上位于工作台的上侧设置有可沿X轴方向移动并可升降的第一Z轴20，所述第一Z轴的下端设置有焊枪21，所述机架上位于工作台的一侧设置有可升降调节的第二Z轴12，所述第二Z轴的上端设置有悬臂状的旋转空心阴极（工作电极）30，所述旋转空心阴极的端部沿周向间隔布设有喷射孔31，所述喷射孔的直径为1mm，用以向工件表面喷射电解液，进行电解腐蚀加工。所述机架上设置有阳极41与工作台相连接且阴极42与第二Z轴相连接的电源系统40，电源系统可接入220V电源，可输出交/直流，具有恒流、恒压模式。机架上还设置有电解液供液回收系统，以便用于用以向工件表面喷射电解液，进行电解腐蚀加工，并对电解液进行回收。
本实施例中，在制造前，首先将焊枪安置于第一Z轴上，搭建单一电弧增材基本硬件系统。
本实施例中，所述机架上设置有可沿Y轴纵向移动的第一座板13，所述第一座板上设置有可沿X轴横向移动的第二座板14，所述第二座板上设置有用于安装工作台的绝缘板15，防止接入电流对工作台及机床运动机构的腐蚀。
本实施例中，所述电解液供液回收系统包括电解液贮存箱51，所述电解液贮存箱内设置过滤泵52，所述过滤泵经高压泵53连接有给水管54，所述给水管与旋转空心阴极相连接，所述第一座板上设置有电解液回流槽，所述电解液回流槽上设置有排水口55，所述排水口上连接有通入电解液贮存箱的排水管56，以便喷射出的电解液可经排水口回流至电解液贮存箱。回收的电解液在贮存箱内沉降后经过滤泵、高压泵再次输入工作电极，可重复利用。
本实施例中，所述工作台的上侧设置有两侧部分别经支撑柱16与第一座板的两侧部向连接的顶板17，所述第一Z轴竖向穿入顶板。所述顶板与第一座板之间覆盖有玻璃布18，防止喷射电解液的飞溅及对周围机构的腐蚀。
本实施例中，所述工作台与第一座板之间设置有用于包裹有各种机构的油布19，减少电解液冲刷对机床及工作台的腐蚀。
该制造方法利用旋转的具有内喷功能的空心阴极工具从侧面平行进给，按照增材的规划路径向待加工表面喷射电解液，工件作为阳极被电解液冲刷腐蚀达到去材加工的目的。该过程电解液可对被加工区域快速降温，为后续增材成形建立一致的成形温度场，获得相同的熔池熔凝条件，避免宏观温度梯度产生的热应力，综合利用电解液腐蚀加工和冷却降温的双重作用，在精密减材加工过程实现精确控温，保证熔凝形貌一致性并获得高质量成形表面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于增材成形与展成电解加工的复合制造方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将零件模型分层切片后进行路径规划，路径执行文件同时传输至复合制造装备系统，焊枪置于成形起点位置处，起弧后焊枪按照设定的工艺参数以路径中心线为运动轨迹，进行连续电弧增材制造；
（2）复合制造装备系统自下而上增材成形10mm后，打开电解液过滤泵、高压泵开关为旋转工作电极提供电解液；
（3）使工作电极距工件表面5mm，打开电源系统，进行起始点电解加工，待达到加工余量设计值后，记录下电源系统的电流值，并作为后续电解加工的目标值；
（4）提取零件模型分层切片后的规划路径外轮廓线，工作电极按照设定的工艺参数以距路径外轮廓线5mm的逐点位置为运动轨迹，进行连续展成电解加工；
（5）电解加工连续运动过程中，电源系统中设定的电流值为运动启停的信号值，复合制造装备系统检测工作电极与工件间电流，并与设定电流值对比，作为逐点连续电解加工的运动信号；
（6）每层电解加工完成后，复合制造装备系统按照分层切片的层高，与增材同向增加电解加工工作电极高度；
（7）直至复合制造装备系统中用于电解加工的第二Z轴增加量与用于增材制造的第一Z轴增加量相等，该增减材复合制造过程完成。
2.根据权利要求1所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述复合制造装备系统包括机架，所述机架上设置有可沿X轴、Y轴方向移动并用于安装工件的工作台，机架上位于工作台的上侧设置有可沿X轴方向移动并可升降的第一Z轴，所述第一Z轴的下端设置有焊枪，所述机架上位于工作台的一侧设置有可升降调节的第二Z轴，所述第二Z轴的上端设置有悬臂状的旋转空心阴极，所述旋转空心阴极的端部沿周向间隔布设有喷射孔，所述机架上设置有阳极与工作台相连接且阴极与第二Z轴相连接的电源系统，机架上还设置有电解液供液回收系统。
3.根据权利要求2所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述机架上设置有可沿Y轴纵向移动的第一座板，所述第一座板上设置有可沿X轴横向移动的第二座板，所述第二座板上设置有用于安装工作台的绝缘板。
4.根据权利要求3所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述电解液供液回收系统包括电解液贮存箱，所述电解液贮存箱内设置过滤泵，所述过滤泵经高压泵连接有给水管，所述给水管与旋转空心阴极相连接，所述第一座板上设置有电解液回流槽，所述电解液回流槽上设置有排水口，所述排水口上连接有通入电解液贮存箱的排水管。
5.根据权利要求3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述工作台的上侧设置有两侧部分别经支撑柱与第一座板的两侧部向连接的顶板，所述顶板与第一座板之间覆盖有玻璃布。
6.根据权利要求3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述工作台与第一座板之间包裹有油布。
7.根据权利要求2、3或4所述的一种电弧增材成形与展成电解加工的复合制造方法，其特征在于，所述喷射孔的直径为1mm，所述工作电极为旋转空心阴极。
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