CN110711923A - 基于预制件的电弧增材混合制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复杂金属结构件制造领域，涉及基于预制件的电弧增材混合制造方法。本发明中利用传统锻造技术提前制造预制件，并结合电弧增材和数控铣削的手段进行混合制造，提高了复杂零件加工的可能性以及加工效率，基于零件结构分解并与预制件数据库进行对比，可以将复杂零件分解为预制件模块和增材模块，其中预制件模块就调取相应的预制件进行加工得到，而增材模块则由电弧增材与数控铣削结合得到，不仅利用了增材制造的优点，而且还没有废弃掉传统的锻造与铣削加工，兼顾了生产质量、效率、成本和时间的需求，拓宽了增材制造技术的应用范围。

Description

基于预制件的电弧增材混合制造方法
技术领域
本发明属于复杂金属结构件制造领域，涉及基于预制件的电弧增材混合制造方法。
背景技术
随着社会的发展，许多行业因其发展要求对其零部件提出了新的要求，例如航天领域对于飞行器具有低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展。其中飞机发动机涡轮盘，过去盘和叶片是分别制造，然后装配集成，制造难度相对较低，而现在新型发动机都已经改为整体涡轮盘，由整体锻件一次装夹在5轴加工中心，整体加工出来。因此随着这些零部件的发展，传统加工技术渐渐难以满足，增材制造(AM)技术由此提出，其基于离散-堆积原理，采用材料逐层累加的方法制造实体零件。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节，增材产品集数字化设计、分析、制造一体化，可直接制造复杂构件，能够显著缩短研发周期和降低研发成本。其中又以电弧增材制造技术(WAAM)最具低成本和高沉积速率的优点，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制。
单一的电弧增材制造技术可加工复杂零件但成形精度和加工效率低，难以满足零件的精度要求和时间成本，而减材制造可以保证加工精度，传统的锻造技术可以提前制造简单预制件以减小增材简单结构时的时间，因此需要将不同的制造方法进行整合形成混合制造，使其进行优势互补。基于预制件的电弧增材混合制造技术将传统锻造、增材制造与减材制造有机结合，可显著提高零件的可加工性，减少增材制造时间以及铣削过程刀具/工具磨损，对提高加工复杂表面的完整性和效率以及降低粗糙度起到积极作用，为产品设计师开辟了新思路，从而大大促进高端产品的创新。在高速发展的时代对于产品的创新、企业的转型具有十分重要的作用和意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于预制件的电弧增材混合制造方法，结合预制件数据库、电弧增材技术和数控铣削技术，通过对零件几何特征识别分析确定预制件模块和增减材模块，利用机械手抓取预制件连接库中的预制件并在其基础上采用电弧增材与数控加工混合的一体化加工实现复杂结构的制造，使得传统工艺难以加工的复杂结构的制造得以实现。
本发明的技术方案如下：
基于预制件的电弧增材混合制造方法，步骤如下：
第一步，基于锻造技术得到简单几何结构的预制件，形成预制件连接库，并配以机械手进行抓取与放置，同时生成相应的预制件模型数据库；
所述的简单几何结构预制件指由直线、圆弧构造的立方块、球体等；
第二步，通过对零件三维模型的特征识别，并与预制件模型数据库进行对比，将零件三维模型分解为预制件模块和增材模块，其中预制件模块可细分为预制件模块A、预制件模块B…，同理，增材模块也可细分为增材模块A、增材模块B…；
第三步，针对分解得到的各模块，根据零件结构的构成，以生产成本、生产效率为约束条件进行工艺规划，对各模块加工优先级进行排序；
本发明中，每件预制件在预制件连接库中拥有编号，同时在模型数据库中拥有同样的对应编号；
第四步，针对预制件模块，从预制件模型数据库中选取最接近预制件模块的预制件模型，将其编号反馈给预制件连接库进行调取，控制机械手对其进行抓取，并放置在工作台的工装夹具处；
第五步，借助CAM辅助制造仿真软件进行铣削路径规划，利用数控铣削单元将预制件加工成零件预制件模块的形状；
第六步，借助离线编程仿真软件对需要进行增材的增材模块进行分层和路径规划，生成其离线程序反馈给机械手电弧增材单元，在第五步得到的预制件基础上进行电弧增材处理；
本发明中，当第二步中，只能分解出多个预制件模块时，各预制件模块通过焊接的方法进行连接。
本发明中，机械手电弧增材单元使用TIG电弧增材技术，增材过程中引入氩气惰性气体进行保护。
第七步，通过传感器对整体零件成形情况进行检测反馈，利用数控铣削进行精加工控制其形状尺寸的精度。
本发明中，预制件模型的选取需要考虑到后续通过增材制造产生的变形，需要足够的铣削加工余量。
本发明中，提前对数控铣削单元和增材单元进行坐标系标定，确保其工件坐标系统一。
本发明中，因为电弧增材制造的精度不高，因此需要考虑后续铣削的加工余量，保证有足够多的加工余量。
本发明的有益效果：
本发明中利用传统锻造技术提前制造预制件，并结合电弧增材和数控铣削的手段进行混合制造，提高了复杂零件加工的可能性以及加工效率，基于零件结构分解并与预制件数据库进行对比，可以将复杂零件分解为预制件模块和增材模块，其中预制件模块就调取相应的预制件进行加工得到，而增材模块则由电弧增材与数控铣削结合得到，不仅利用了增材制造的优点，而且还没有废弃掉传统的锻造与铣削加工，兼顾了生产质量、效率、成本和时间的需求，拓宽了增材制造技术的应用范围。
附图说明
图1为预制件连接库。
图2为电弧增材混合制造单元。
图中：1立体仓库；2输送平台；3机械手；4机械手电弧增材单元；5数控铣削单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
步骤1：利用三维分析软件对零件三维结构特征进行识别和分析，分析过程中对比预制件模型数据库，将零件分解为预制件模块与增材模块，其中对于需要多件预制件的复杂结构，预制件模块又可以细分为模块A、模块B等，每一模块都对应了一个预制件模型；
步骤2：基于零件分解的模块，以生产效率、生产成本等作为约束条件制定每个模块的工艺分配并整合整个零件的工艺顺序；
步骤3：制定好工艺规划后，依据工艺顺序，依次给出指令，其中预制件的模型编号会反馈给预制件连接库，增材模块和需要进行铣削的模型会反馈给相应的仿真软件进行路径规划和代码生成；
步骤4：如图1所示，预制件连接库为立体仓库1，拥有一定数量的置物区，每个置物区底部是可以滑动移出的，在置物柜前装有输送平台2通过滑动导轨实现上下左右的移动。当连接库收到预制件编号信息时，输送平台移动到该编号的柜前取走预制件并移动到固定位置，在该位置机械手3的开关会因输送平台的到位被触动，使得机械手进行抓取动作，然后将预制件放置到机床工作台工装夹具处；
步骤5：当选好预制件模型后，预制件模型和零件分解得到的预制件模块模型被导入CAM仿真软件中，制定相应的铣削刀具轨迹并生成数控代码，控制数控铣削单元5进行铣削操作；
步骤6：当零件模型分解了多个预制件时，依据步骤2制定的工艺规划，后续的预制件会通过焊接的方式连接在之前的预制件上；
步骤7：零件分解得到的复杂增材模块模型将被导入离线编程仿真软件中进行分层与增材轨迹规划并生成机器人离线代码，用于操作机械手电弧增材单元4进行堆焊；
步骤8：堆焊完成后，利用传感器进行整体结构扫描，将扫描结果通过与三维模型进行对比，反馈需要进行精加工的加工余量，制定刀具轨迹生成代码进行数控精铣。

Claims (5)

1.基于预制件的电弧增材混合制造方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，基于锻造技术得到几何结构的预制件，形成预制件连接库，并配以机械手进行抓取与放置，同时生成相应的预制件模型数据库；
所述的几何结构预制件指由直线、圆弧构造的立方块和球体；
第二步，通过对零件三维模型的特征识别，并与预制件模型数据库进行对比，将零件三维模型分解为预制件模块和增材模块；
第三步，针对分解得到的各模块，每件预制件在预制件连接库中拥有编号，同时在模型数据库中拥有同样的对应编号；
第四步，针对预制件模块，从预制件模型数据库中选取最接近预制件模块的预制件模型，将其编号反馈给预制件连接库进行调取，控制机械手对其进行抓取，并放置在工作台的工装夹具处；
第五步，借助CAM辅助制造仿真软件进行铣削路径规划，利用数控铣削单元将预制件加工成零件预制件模块的形状；
第六步，借助离线编程仿真软件对需要进行增材的增材模块进行分层和路径规划，生成其离线程序反馈给机械手电弧增材单元，在第五步得到的预制件基础上进行电弧增材处理；
第七步，通过传感器对整体零件成形情况进行检测反馈，利用数控铣削进行精加工。
2.如权利要求1所述的基于预制件的电弧增材混合制造方法，其特征在于，第二步中，当只能分解出多个预制件模块时，各预制件模块通过焊接的方法进行连接。
3.如权利要求1或2所述的基于预制件的电弧增材混合制造方法，其特征在于，第六步中，机械手电弧增材单元使用TIG电弧增材技术，增材过程中引入氩气惰性气体进行保护。
4.如权利要求1或2所述的基于预制件的电弧增材混合制造方法，其特征在于，第一步中，提前对数控铣削单元和机械手电弧增材单元进行坐标系标定，确保坐标系统一。
5.如权利要求3所述的基于预制件的电弧增材混合制造方法，其特征在于，第一步中，提前对数控铣削单元和机械手电弧增材单元进行坐标系标定，确保坐标系统一。
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