CN110000381B - 一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧増材制造领域，并公开了一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法。该方法包括：(a)将推进器模型分为三个部分，分别对该三个部分进行切片分层和每个切片层填充轨迹的规划，转子和定子切片的方向沿所在芯轴的外法向，每个切片层在芯轴上形成一个切片轮廓，在切片轮廓中规划填充轨迹，以此获得每个切片层的填充轨迹；(b)成型芯轴；(c)成型转子和定子。在对切片层逐层加工的工程中，利用红外热像缺陷检测和线激光形貌检测对切片层进行实时检测由此实现増材和减材复合一体化的制造。通过本发明，避免零件打印完后检测出废品造成的不可逆转损失，减少能源与原材料的消耗，缩短了制造工期。

Description

一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法

技术领域

本发明属于电弧増材制造领域，更具体地，涉及一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法。

背景技术

泵喷推进器作为一种新型的推进器形式，与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比，可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声，提高潜艇的低噪声航速，但是其型面与结构复杂、材料硬度高、加工难度大，若采用传统制造方法，机械加工去除量达70％以上，能源与原材料消耗极高，制作周期长。

增材制造热源类型，可分为激光，电子束，等离子弧和自由弧等。电弧自由增量成形与大功率激光和电子束自由增量成形技术相比，弧柱直径大，成型效率高，冶金过程充分，易得到致密组织，设备运行和维护成本低。但成型表面零件精度不够，表面光洁度不高，需要减材制造工艺二次加工。

现有的增材制造多自由度打印设备，多依赖于2D平面内填充策略。工件装夹复杂，需多次装夹，不能满足叶轮，叶片，螺旋桨，发电机转子等复杂曲面的加工，基于锥面打印易于流淌。潜艇泵喷推进器是一个加工方法特殊、技术要求较高的产品，若用传统制造方法，机械加工去除量达70％以上，能源与原材料消耗极高，制造周期长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，根据潜艇泵喷推进器的结构设计推进器模型，并将其分为多个部分分开制造，尤其是对于转子和定子部分，是建立基于横截面逐渐变化的芯轴上，通过采用沿芯轴方向对转子和定子进行切片，然后在形成的切片层轮廓中进行填充轨迹的规划，以此实现对转子和定子的打印，此外，在打印过程中实时通过红外热像缺陷检测和线激光形貌检测进行实时检测，保证打印质量，该方法成形质量高，加工时间短，加工方法简单，为实际的潜艇泵喷推进器的制造提供指导作用。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待成形的推进器模型分为圆台状的导管、芯轴和设置在该芯轴上的转子和定子三个部分，分别对该三个部分的三维模型分别进行切片分层和规划每个切片层中的填充轨迹，对于所述转子和定子，切片分层的方向均沿其所在芯轴的外法向方向，按照该外法向方向分层后形成多个切片层，每个切片层在所述芯轴上形成一个切片轮廓，在切片轮廓中规划填充轨迹，以此获得每个切片层的填充轨迹；

(b)按照上述的切片分层和填充轨迹采用电弧増材制造加工成型所述芯轴，将成型后的芯轴沿固定在支撑底座上，并使其具有绕其中心轴线方向旋转的自由度；

(c)分别按照所述转子和定子的划分的切片层和填充轨迹，在所述芯轴上逐层填充的方式进行电弧増材制造，以此获得所述转子和定子，在填充过程中，通过旋转所述芯轴以改变所述芯轴和焊枪之间的相对位置，以此加工同一切片层中转子或定子不同的叶片。

进一步优选地，在步骤(b)和(c)中，在对所述芯轴、转子或定子按照切片层逐层加工的工程中，利用红外热像缺陷检测和线激光形貌检测对切片层进行实时检测，其中，所述红外热像缺陷检测用于检测每层切片层的缺陷，对于检测到的缺陷，一方面采用减材铣削进行后处理，另一方面根据所述缺陷实时调整所述电弧増材制造的参数，所述线激光形貌检测用于将已打印预设层数的切片层形貌与三维模型进行比较，当形貌误差大于预设阈值时，采用减材铣削进行后处理使其在所述预设阈值范围内，由此实现増材和减材复合一体化的制造。

进一步优选地，所述红外热像缺陷检测优选用于检测切片层的表面裂纹、气孔和流淌。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述推进器模型中，所述芯轴顶端设置有半球状的芯轴半球、该芯轴的上半部分呈圆柱状，下半部分呈圆锥状，该芯轴的上半部分和下半部分上分别设置有定子，两个定子之间设置有所述转子，该转子设置子所述芯轴的上半部分上，所述转子和定子均包括多个叶片，所述圆台状导管套装在所述转子和定子外。

进一步优选地，在步骤(a)中，在规划所述圆台状导管的每个切片层中的填充轨迹时，当打印方向为从底面半径大的一端到半径小的一端时，焊接过程的填充轨迹采用以所述导管的内表面为基准逐层向外偏移的方式对切片层进行填充；当打印方向为从底面半径小的一端到半径大的一端时，焊接过程中的填充轨迹采用以所述导管的外表面为基准逐层向内偏移的方式对切片层进行填充。

进一步优选地，在步骤(a)中，在规划所述圆台状导管的每个切片层中的填充轨迹时，优选根据该导管的壁厚、焊道的宽度和搭接率计算相邻焊道之间的距离，以保证最内侧焊道和最外侧焊道的外侧分别落在所述导管的内外壁上，以此保证所述导管的壁厚，避免焊道溢出。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述圆台状导管采用自适应平面分层，所述芯轴采取平面分层，所述定子和转子采用曲面等距分层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明依据电弧自由增量成形特点和潜艇泵喷推进器的变壁厚特征、曲面特征、悬臂特征、工艺需求，在增材制造与铣削加工复合双头机床上采用多种轨迹规划方式；制定合理打印工艺方案，保证工件表面良好形貌与基于曲面的电弧熔池稳定性；设计合理工装方案，实现推进器模型的打印。

1、本发明根据推进器的复杂结构、曲面特征、工艺需求，规划打印轨迹，实现复杂形状的推进器模型低能耗、低污染、短流程制造，其中，通过红外热像缺陷检测系统、线激光形貌检测系统和多传感融合控制系统保证高端零件增减材复合制件的性能质量稳定性；

2、本发明对推进器模型不同结构采取不同轨迹规划策略：对其变径向尺寸、变壁厚的圆台状导管采用自适应平面分层轨迹规划，对其芯轴采取平面分层轨迹规划，对其定子和转子采用曲面等距分层方法，使得推进器模型各个部分成形精度高，能实现一体化成形，且制造全程不需要二次工装，提高生产效率；

3、本发明提供的方法综合了增材成形与铣削减材技术的优点，形成复合自由生长成形模式，对推进器不同特征的结构采用不同的轨迹规划策略，开发在线缺陷检测系统、形貌检测系统、多传感器融合控制系统，最终实现高性能零件的形状尺寸与组织性能的创成即创形创质并行的数字化增减材复合一体化制造工艺。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的推进器模型的圆台状导管结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的推进器模型的转子、定子、芯轴结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的推进器模型的工装方案示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的芯轴平面切片层图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的转子基于柱面的分层轨迹规划；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的转子基于锥面的分层轨迹规划。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

A-芯轴半球体，B-定子，C-芯轴柱体，D-转子，E-定子，F-芯轴锥体，G-环状导管，H-支柱，I-加强筋，J-螺栓孔，K-基板

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，根据其复杂结构、曲面特征、工艺需求，规划多种打印轨迹，利用五轴联动实现复杂形状推进器模型的低能耗、低污染、短流程制造，通过在线无损检测、线激光形貌检测保证高端零件电弧增减材复合制件的性能质量稳定性，整体流程如图1所示。

潜艇泵喷推进器是由如图2、图3所示的圆台状导管、定子和转子构成的组合式推进装置，圆台状导管径向尺寸、壁厚变化较大，芯轴外表面为柱面或锥面回转面，定子为一组与水流成一定角度的固定叶片，使转子水流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速；本发明中的推进器是上述潜艇泵喷推进器的缩小模型，不同之处在于，转子是设置在芯轴上与芯轴为一体，不能旋转。

本发明中的增材制造与铣削复合包括以下三种复合方式：(1)在电弧增材制造圆台状导管过程中，每一层或每几层焊接结束，通过绕导管中心轴旋转变位器进行平面铣削加工，使得焊道表面形貌平整，保证后续电弧增材制造焊枪移动过程中焊枪端部与工件表面距离始终在电弧焊接工艺要求范围内；(2)在工件坐标系OXYZ中，使芯轴中心线与坐标系Z轴重合且过坐标原点O，变位器若为三轴变位器，则使其三轴(A轴、B轴和C轴)分别与坐标系X轴、Y轴和Z轴重合，使其Z轴过坐标原点O，变位器若为双轴(A轴或B轴，C轴)变位器，则使其A轴(B轴)和C轴分别与坐标系X轴(Y轴)和Z轴重合，使其Z轴过坐标原点O，那么在电弧增材制造转子与定子过程中，每一层或每几层焊接结束，将工件绕变位器A轴或B轴旋转工件，使得在绕变位器C轴旋转工件过程中，芯轴的中心线沿水平方向放置，然后通过绕变位器C轴旋转变位器进行柱面或锥面铣削加工，使得焊道表面形貌平整，保证后续电弧增材制造焊枪移动过程中焊枪端部与工件表面距离始终在电弧焊接工艺要求范围内；(3)在电弧增材制造泵喷推进器结束后，对圆台状导管内外表面进行铣削精加工，通过五轴联动对定子、转子、芯轴进行铣削精加工。

本发明中采用多种轨迹规划，包括平面轨迹规划、柱面轨迹规划、锥面轨迹规划等，具体为：(1)对于圆台状导管，当打印方向为从底面半径大的一端到半径小的一端时，焊接过程的填充轨迹采用以导管的内表面为基准逐层向外偏移的方式，当打印方向为从底面半径小的一端到半径大的一端时，焊接过程中的填充轨迹采用以导管的外表面为基准逐层向内偏移的方式进行填充轨迹规划；此外，对于圆台状导管需根据该导管的壁厚、焊道的宽度和搭接率计算相邻焊道之间的距离，以保证最内侧焊道和最外侧焊道的外侧分别落在导管的内外壁上，以此保证导管的壁厚，避免焊道溢出；(2)对于定子和转子，切片分层的方向均沿其所在芯轴的外法向方向，按照该外法向方向分层后形成多个切片层，每个切片层在芯轴上形成一个切片轮廓，在切片轮廓中规划填充轨迹，以此获得每个切片层的填充轨迹，由于定子分布在芯轴的上下两个部分，即圆柱和圆锥部分均有，因此，对定子的填充轨迹的规划同时涉及在圆柱轨迹规划和圆锥轨迹规划，转子设置在圆柱部分即为圆柱轨迹规划，填充轨迹的规划与芯轴的截面形状有关。

分层方式包括平面、柱面、锥面等距分层方法。具体为：(1)圆台状导管采用自适应平面分层，对其芯轴采取平面分层轨迹规划，对其定子和转子采用曲面等距分层方法，即对于转子和定子沿芯轴的外法向方向等距偏移，与转子和定子的三维模型相交，以此实现分层。

在打印过程中，(1)对于圆台状导管的变径向尺寸的特征，若在电弧增材制造过程中从大底面向小底面加工，则内轮廓的焊接采用较中间区域低的焊接速度焊接；反之，外轮廓的焊接采用较中间区域低的焊接速度焊接；(2)对于圆台状导管的变壁厚的特征，根据计算搭接率，合理加快或减慢焊接速度，使得焊道搭接平整且无未熔合等焊接缺陷；(3)对于转子和定子，通过旋转芯轴改变焊枪和待焊接区域的相对位置，也就是说，在同一切片层中，焊枪是依次焊接不同的叶片，完成一个叶片的焊接后，旋转芯轴，然后焊接下一个叶片，保证每片结构的最高处基本处于一个平面上；采用顺序焊接，即焊完一片某一层后再焊其相邻结构；严格控制层间温度，防止流淌。

本发明利用检测系统获得的质量缺陷信息以及形貌缺陷信息，对存在缺陷的当前层表面进行减材铣削，根据分层轨迹，针对特定型号数控机床或机器人生成该数控系统可执行的、特定格式的数控代码，也可使用自定义格式的增材制造数控代码，对当前层表面形貌生成铣削数控代码，对当前层表面进行减材铣削。具体地，利用红外热像采集焊接过程红外温度场，通过对温度场的分析，对表面裂纹、气孔、流淌等缺陷进行检测，输出缺陷大小、数量、位置信息；在每n层焊接结束后，绕工件中心轴旋转工件，利用线激光检测设备获得当前层平面或曲面形貌，然后比对三维模型当前层形貌，得到形貌缺陷信息。

下面将具体结合实施例进一步说明本发明。

本实施例为潜艇泵喷推进器模型，缩小为原尺寸的1/10，芯轴底部直径为240mm、锥体高度为235mm、柱体高度为130mm、顶部半球体直径为100mm，定子数量为8*2，转子数量为6，具体步骤如下：

选择不锈钢316L不锈钢焊丝为电弧增材制造用焊丝，焊丝直径为1.2mm。

步骤1，根据泵喷推进器模型的复杂结构，合理选择打印顺序。

将泵喷推进器模型结构分解为由芯轴(芯轴分为A芯轴半球体、C芯轴柱体、F芯轴锥体，H支柱、)、G圆台状导管、B定子、和D转子、E定子构成的组合式推进装置，利用I加强筋进行固定。通过电弧增减材复合制造打印芯轴，再在芯轴锥面打印D转子，芯轴柱面打印B定子，芯轴锥面打印E定子，最后打印G圆台状导管进行组装。

步骤2，将芯轴连接在五轴联动工装台上，如图4所示，由于芯轴重量大，需要工装牢固，故采用沿圆周均匀分布16处螺栓连接形式；由于铣削震颤，底部刚度要大，故采用沿圆周均匀加四块肋板加固形式；由于测量误差容易在五轴联动旋转变换时放大，故要求芯轴中心与转台中心距离在1mm内。

步骤3，根据芯轴模型结构特点，进行如图5所示的切片分层，生成增材制造与铣削加工复合双头机床运动控制数据。

切片分层方法通过自主研发软件实现，根据实际焊接高度，本实例芯轴F锥体部分，每层厚度3mm，分层79层，芯轴C柱体部分每层厚度3mm，分层60层；采用基于平面的轮廓等距偏移的填充算法。根据工艺实验确定焊道宽度为10mm，搭接率为0.5，根据上述参数，采用电弧増材制造成型芯轴；芯轴A半球部分调用复合双头机床铣削机构，在芯轴C柱体顶端进行铣削加工完成。最后，调用复合双头机床铣削机构，对芯轴进行铣削精准加工。确保芯轴表面的平整度和光滑度。

步骤4，根据转子模型结构特点，进行如图6、图7所示基于柱面和锥面的切片分层，生成增材制造与铣削加工复合双头机床运动控制数据。

定子B部分根据实际焊接高度，选择每层厚度3mm，分层45层。

转子D部分根据实际焊接高度，选择如图7所示切片方法，每层厚度3mm，分层48层。

定子E部分根据实际焊接高度，选择每层厚度3mm，分层42层。

定子B采用基于柱面的轮廓等距偏移的填充算法；转子D采用基于锥面的轮廓等距偏移的填充算法；定子E采用基于锥面的轮廓等距偏移的填充算法，通过投影方程与逆向投影方程实现轮廓在锥面和平面之间的映射，通过Voronoi Diagram算法实现锥面轮廓的填充轨迹。

因为转子，定子排列紧密，后期铣刀不方便进行加工，所以根据转子，定子打印情况，每打印3层后，调用复合双头机床铣削机构，对转子，定子进行铣削精准加工，确保表面平整度和光滑度。以此类推，完成转子，定子每三层电弧增材制造与铣削加工，最后完成转子和定子的整体打印。

步骤5，对圆台状导管增材制造与铣削加工复合加工。

圆台状导管部分根据实际焊接高度选择每层厚度3mm，分层137层。

对于圆台状导管，采用基于平面的轮廓等距偏移的填充算法。根据工艺实验确定焊道宽度为10mm，搭接率为0.5。圆台状导管外轮廓打印，采用基于法向量的六轴联动，将法向量向轮廓外侧偏转一定角度，解决了易于流淌的问题；基于五轴联动速度优化，通过理论计算得到每一点的速度，解决了速度不均匀，焊到形貌差，焊宽变化明显的问题；

在整个打印过程中，实施在线无损检测，在熔积成形过程中对焊接工艺参数、焊道表面形貌、制件的冶金质量和残余应力进行在线实时无损检测。在增材成形过程中表面和近表面的裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷，利用红外热像对缺陷的大小、位置、性质和数量等信息进行判定并利用铣削机构进行处理。

多传感器融合控制系统，包括对焊接电流、焊接电压、焊接速度和层间温度等参数的设定，根据在线缺陷检测的结果实时调整参数，增材制造工艺参数见表1，

表1推进器模型在电弧増材制造中的工艺参数

本实施例区别与传统减材制造的方法，采用了增材成形与铣削减材技术相结合的制件方法，对泵喷推进器不同特征组件采用基于五轴联动的不同轨迹规划方式和等距分层方法，实现了各组件和锥面上转子的逐层3D打印，得到泵喷推进器打印件；通过锥面轨迹规划和合理工艺方案设计，完成了基于锥面的转子打印；通过在线无损检测保证高端零件电弧增减材复合制件的性能质量稳定性。本方法相比较于传统的减材制造方法，大大减少了机械加工去除量，减少了能源与原材料的消耗，缩短了制造工期。

本发明提供的方法面对的加工对象包括但不限于推进器类工件，包括圆台状导管、芯轴、定子、转子，导管径向尺寸、壁厚差异较大；芯轴表面为柱面或锥面回转面；定子，转子数量多、型面与结构复杂。本发明的増材制造方式包括但不限于利用电弧作为热源来对金属丝进行熔融烧结。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将待成形的推进器模型分为三个部分，分别为圆台状的导管，芯轴，以及设置在该芯轴上的转子和定子，分别对该三个部分进行切片分层和每个切片层中填充轨迹的规划，对于所述转子和定子，切片分层的方向均沿其所在芯轴的外法向方向，按照该外法向方向分层后形成多个切片层，每个切片层在所述芯轴上形成一个切片轮廓，在切片轮廓中规划填充轨迹，以此获得每个切片层的填充轨迹；

(b)按照上述的切片分层和填充轨迹采用电弧増材制造加工成型所述芯轴，将成型后的芯轴沿固定在支撑底座上，并使其具有绕其中心轴线方向旋转的自由度；

(c)分别按照所述转子和定子的划分的切片层和填充轨迹，在所述芯轴上逐层填充的方式进行电弧増材制造，以此获得所述转子和定子，在填充过程中，通过旋转所述芯轴以改变所述芯轴和焊枪之间的相对位置，以此加工同一切片层中转子或定子不同的叶片；

在步骤(b)和(c)中，在对所述芯轴、转子或定子按照切片层逐层加工的工程中，利用红外热像缺陷检测和线激光形貌检测对切片层进行实时检测，其中，所述红外热像缺陷检测用于检测每层切片层的缺陷，对于检测到的缺陷，一方面采用减材铣削进行后处理，另一方面根据所述缺陷实时调整所述电弧増材制造的参数，所述线激光形貌检测用于将已打印预设层数的切片层形貌与三维模型进行比较，当形貌误差大于预设阈值时，采用减材铣削进行后处理使其在所述预设阈值范围内，由此实现増材和减材复合一体化的制造。

2.如权利要求1所述的一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，所述红外热像缺陷检测用于检测切片层的表面裂纹、气孔和流淌。

3.如权利要求1所述的一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述推进器模型中，所述芯轴顶端设置有半球状的芯轴半球，该芯轴的上半部分呈圆柱状，下半部分呈圆锥状，该芯轴的上半部分和下半部分上分别设置有定子，两个定子之间设置有所述转子，该转子设置在所述芯轴的上半部分上，所述转子和定子均包括多个叶片，所述圆台状导管套装在所述转子和定子外。

4.如权利要求1所述的一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，在步骤(a)中，在规划所述圆台状导管的每个切片层中的填充轨迹时，当打印方向为从底面半径大的一端到半径小的一端时，焊接过程的填充轨迹采用以所述导管的内表面为基准逐层向外偏移的方式对切片层进行填充；当打印方向为从底面半径小的一端到半径大的一端时，焊接过程中的填充轨迹采用以所述导管的外表面为基准逐层向内偏移的方式对切片层进行填充。

5.如权利要求1所述的一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，在步骤(a)中，在规划所述圆台状导管的每个切片层中的填充轨迹时，根据该导管的壁厚、焊道的宽度和搭接率计算相邻焊道之间的距离，以保证最内侧焊道和最外侧焊道的外侧分别落在所述导管的内外壁上，以此保证所述导管的壁厚，避免焊道溢出。

6.如权利要求1所述的一种推进器模型的电弧增减材复合一体化制造方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述圆台状导管采用自适应平面分层，所述芯轴采取平面分层，所述定子和转子采用曲面等距分层。

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