CN110722253A - 一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，步骤如下：对零件三维模型结构特征识别，用三维建模软件UG建立目标零件的CAD几何模型，并提取STL模型，对STL模型进行切片处理，对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值，给定步长，反求出曲线上的点，这些点即为焊枪触点；待全部层片堆叠完成，焊枪息弧，整个支撑件包裹其中，即得到成形的悬空结构。本发明能实现电弧增材制造支撑件的快速成形，为具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型提供支撑，大大提升了产品的成型质量。对实体模型的形状精度、尺寸精度、表面质量的提高及其后处理具有十分重要的作用。

Description

一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法。
背景技术
航空航天飞行器及武器装备的快速发展对高性能金属结构件提出了更高的要求，大型化、整体化、轻量化、复杂化的金属结构件得到广泛应用。针对该类金属结构件，传统的制造工艺为铸造-热成形-热处理-冷成形或机加工，其生产周期长，材料利用率低，传统制造模式难以满足型号研制和生产过程高效、低成本的制造需求。金属增材技术作为一种无模制造技术，可通过计算机建模实现复杂外形结构件的快速、高效、近净成形，该技术已成为复杂金属结构件极具潜力的制造技术。
目前，根据采用的热源不同，金属增材制造技术主要包括3类：激光增材、电子束增材和电弧增材；根据原料分类可分为铺粉(粉床)、吹粉(同轴、旁轴)和送丝三大类。电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)是一种利用逐层熔覆原理，以电弧为热源，通过焊丝的添加，在程序的控制下,根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。电弧增材制造系统平台硬件一般由机器人、变位机、焊机、送丝机等主要设备组成，通过通讯接口的连接实现机器人程序对各主要输入输出设备的控制。该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成本低，材料利用率高。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，成形速率可达每小时几公斤。引入数控铣克服其成形精度差的缺陷，再在增材成形过程集成锻打工艺进一步提高焊道材料的机械性能。从其技术构成和原理不难看出，电弧增材与铸锻铣一体化制造是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成最有发展前景的技术。
发明内容
本发明目的在于提供一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，实现电弧增材制造支撑件的快速成形，为具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型提供支撑，大大提升了产品的成型质量。这对于实体模型的形状精度、尺寸精度、表面质量的提高及其后处理具有十分重要的作用。
本发明的技术方案如下：
一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，步骤如下：
第一步，对零件三维模型结构特征识别，用三维建模软件UG建立目标零件的CAD几何模型，并提取STL模型。
第二步，对STL模型进行切片处理，在STL模型切片的基础上，对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值，给定步长λ，反求出曲线上的点，这些点即为焊枪触点，通过公式(1)计算出焊枪位点，实现数控加工路径的规划，生成增材所需的G代码文件A，并将代码发送至机器人；
式中：
Figure BDA0002246024800000022
—焊枪位点；
Figure BDA0002246024800000023
—焊枪触点；R—焊枪半径；
Figure BDA0002246024800000024
—焊枪触点的单位法向量。
第三步，将UG所建的目标零件几何模型导入CAM仿真软件中，进行路径规划，生成G代码文件B，并将G代码发送至数控折弯机；
第四步，启动数控折弯机，运行G代码文件B，将焊丝折成所需支撑件；
第五步，启动机器人，运行代G代码文件A，按照规划路径，机器人控制焊枪，开始在第三步得到的支撑件上堆叠，数控机床上焊丝在送丝机的驱动下由送丝嘴送入熔池中，按照规划路径逐层进行金属薄层堆叠；
步骤五中，钨针电极与基板之间持续产生电弧，在数控机床上成形丝材在送丝机的驱动下由送丝嘴送入电弧区间熔化，并堆积铺展在基板上，形成与扫描路径相同的金属薄层。
所述步骤五中，采用钨极氢弧焊作为热源，基板材质为不锈钢，成形丝材为与基板为材质相同的焊丝，焊丝直径为0.8mm,由送丝嘴送入电弧区间的送丝角度与水平面夹角为15°～25°或45°～135°；焊枪的钨针、焊丝和基板间的距离关系为：焊丝上表面与钨针的距离大千4mm，焊丝下表面与鸽针的距离小千5mm,焊丝下表面与埜板距离为0.3～0.4mm。
所述步骤五中，通过调节设备的电流来调整堆叠零件的壁厚，实现壁厚介千4mm～8mm的薄壁增材制造模型。
第六步，待全部层片堆叠完成，焊枪息弧，整个支撑件包裹其中，即得到成形的悬空结构。
所述步骤一中，三维模型特征识别，根据实际成形工艺对原始三维模型作数据分解处理，研究基于可制造设计理论(Design for Manufacturing,DFM)的增-等-减材复合成形技术下的结构特征识别和空间模型数据提取算法，针对复杂结构件的特征，根据特征区域分割算法，将特征存在的位置数据分解出来，形成特征拓扑子图，并利用神经网络算法对矢量化后的子图数据进行识别，进而得到工件空间可靠的点云数据，同时需兼顾各子特征结构的可制造性、成形高效性以及相邻子特征间的连续性和可缝合性，给后续的成形制造工艺合理规划提供理论数据支持。
本发明的有益效果：
本发明能实现电弧增材制造支撑件的快速成形，为具有大跨度结构、外伸结构等悬空特征的模型提供支撑，大大提升了产品的成型质量。对实体模型的形状精度、尺寸精度、表面质量的提高及其后处理具有十分重要的作用。
附图说明
图1是电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造装置。
图2是电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造工艺流程图。
图3是本发明实施例的成品示意图。
图中：1机器人；2焊枪；3数控机床；4数控折弯机，5送丝机。
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了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种电弧增材混合制造支撑件添加方法，具体流程见图2，包括以下步骤：
第一步，对零件三维模型结构特征识别，用三维建模软件UG建立目标零件的CAD几何模型，并提取STL模型。
第二步，对STL模型进行切片处理，在STL模型切片的基础上，对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值，给定步长λ，反求出曲线上的点，这些点即为焊枪触点，通过公式(1)计算出焊枪位点，实现数控加工路径的规划，生成增材所需的G代码文件A，并将代码发送至机器人1；
公式：
Figure BDA0002246024800000041
式中：
Figure BDA0002246024800000042
—焊枪位点；
Figure BDA0002246024800000043
—焊枪触点；R—焊枪半径；
Figure BDA0002246024800000044
—焊枪触点的单位法向量。
第三步，将UG所建的目标零件几何模型导入CAM仿真软件中，进行路径规划，生成G代码文件B，并将G代码发送至数控折弯机4；
第四步，启动数控折弯机4，运行G代码文件B，将焊丝折成所需支撑件；
第五步，启动机器人1，运行代G代码文件A，按照规划路径，机器人控制焊枪2，开始在第三步得到的支撑件上堆叠，数控机床3上焊丝在送丝机5的驱动下由送丝嘴送入熔池中，按照规划路径逐层进行金属薄层堆叠；
第六步，待全部层片堆叠完成，焊枪2息弧，整个支撑件包裹其中，即得到成形的悬空结构。
实施例：
以下结合图3，以具有复杂难成形结构的构件为例对本发明进行详细的说明。
制造图3所示不锈钢支架，不锈钢结构件高度为1500mm,宽50mm，倾角为60°。其采用本发明所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件制造方法，具体步骤如下：
(1)根据成形支架的形状及尺寸大小，利用UG建立金属倾斜架的CAD几何模型，提取STL模型，对STL模型进行切片处理，在STL切片的基础上，对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值，给定步长λ，反求出曲线上的点，这些点即为焊枪触点，通过如下公式计算出焊枪位点，实现数控加工路径的规划，生成增材所需的G代码文件。并将代码发送至机器人和数控折弯机。
公式：
式中：
Figure BDA0002246024800000052
—焊枪位点；
Figure BDA0002246024800000053
—焊枪触点；R—焊枪半径；
Figure BDA0002246024800000054
—焊枪触点的单位法向量。
(2)启动数控折弯机，运行G代码文件，按照规划路径，数控折弯机将焊丝折成图3形状。
(3)设置堆叠参数，增材制造电流为130A,送丝角度20°,第一层增材制造速度250mm/min,弧长5mm,送丝速度120cm/min；第二层增材制造速度为300mm/min,弧长由系统调整至34mm,送丝速度由系统控制，弧长与送丝速度均由系统控制维持至堆叠结束，第三层增材制造速度为350mm/min,第四层增材制造速度400mm/min,第五层增材制造速度5450mm/min,第六层及后续增材制造速度为500mm/min。制造过程不息弧，为连续制造。在制造过程中，可根据堆叠情况适当调整制造速度，调整范围400mm/min～650mm/min之间。运行代码文件按照规划路径，机器人控制焊枪，开始在支撑件上堆叠，三轴数控机床上焊丝在送丝机的驱动下由送丝嘴送入熔池中，按照规划路径逐层进行金属薄层堆叠。
(4)待全部层片堆叠完成，焊枪息弧，即得到图3所示支架。
经测量，上述实例所成形的不锈钢支架厚度最大误差值0.4mm,表面粗糙度可达到Ra 30um～Ra 40um。同时，此成形件最大熔敷效率为0.946kg/h,无裂纹产生，具有表面质量好等优点。

Claims (6)

1.一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，对零件三维模型结构特征识别，用三维建模软件UG建立目标零件的CAD几何模型，并提取STL模型；
第二步，对STL模型进行切片处理，在STL模型切片的基础上，对切片数据进行三次分段NURBS曲线插值，给定步长λ，反求出曲线上的点，这些点即为焊枪触点，通过公式(1)计算出焊枪位点，实现数控加工路径的规划，生成增材所需的G代码文件A，并将代码发送至机器人(1)；
Figure FDA0002246024790000011
式中：—焊枪位点；
Figure FDA0002246024790000013
—焊枪触点；R—焊枪半径；
Figure FDA0002246024790000014
—焊枪触点的单位法向量；
第三步，将UG所建的目标零件几何模型导入CAM仿真软件中，进行路径规划，生成G代码文件B，并将G代码发送至数控折弯机(4)；
第四步，启动数控折弯机(4)，运行G代码文件B，将焊丝折成所需支撑件；
第五步，启动机器人(1)，运行代G代码文件A，按照规划路径，机器人控制焊枪(2)，开始在第三步得到的支撑件上堆叠，数控机床(3)上焊丝在送丝机(5)的驱动下由送丝嘴送入熔池中，按照规划路径逐层进行金属薄层堆叠；
第六步，待全部层片堆叠完成，焊枪(2)息弧，整个支撑件包裹其中，即得到成形的悬空结构。
2.如权利要求1所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，所述步骤一中，三维模型特征识别，根据实际成形工艺对原始三维模型作数据分解处理，研究基于可制造设计理论的增-等-减材复合成形技术下的结构特征识别和空间模型数据提取算法，针对复杂结构件的特征，根据特征区域分割算法，将特征存在的位置数据分解出来，形成特征拓扑子图，并利用神经网络算法对矢量化后的子图数据进行识别。
3.如权利要求1或2所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，所述步骤五中，钨针电极与基板之间持续产生电弧，在数控机床(3)上成形丝材在送丝机的驱动下由送丝嘴送入电弧区间熔化，并堆积铺展在基板上，形成与扫描路径相同的金属薄层。
4.如权利要求3所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，所述步骤五中，采用钨极氢弧焊作为热源，基板材质为不锈钢，成形丝材为与基板为材质相同的焊丝，焊丝直径为0.8mm,由送丝嘴送入电弧区间的送丝角度与水平面夹角为15°～25°或45°～135°；焊枪(2)的钨针、焊丝和基板间的距离关系为：焊丝上表面与钨针的距离大千4mm，焊丝下表面与鸽针的距离小千5mm,焊丝下表面与埜板距离为0.3～0.4mm。
5.如权利要求3所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，所述步骤五中，通过调节电流来调整堆叠零件的壁厚，实现壁厚介千4mm～8mm的薄壁增材制造模型。
6.如权利要求4所述的一种电弧增材混合制造复杂悬空结构支撑件的制造方法，其特征在于，所述步骤五中，通过调节电流来调整堆叠零件的壁厚，实现壁厚介千4mm～8mm的薄壁增材制造模型。
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