CN111215843A - 一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法及装置。本发明涉及3D打印技术领域。提出了一种结构精巧、加工效率高且加工效果好，能够对电弧增材制造成形件进行细化晶粒、提高致密度、减少内部缺陷，从而最终提高力学性能的电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法及装置。本发明的技术方案为：按以下步骤进行制造；1）、初始化；2）、电弧送丝增材；3）、碾压加工；3.1）、斜辊强剪变形；3.2）、初步压平；3.3）、完全压平；4）、冷却；5）、废边切除；完毕。能够对电弧送丝增材制造成形件进行细化晶粒、提高致密度、减少内部缺陷，从而最终提高零件的力学性能。

Description

一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法及装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是针对电弧增材制造成形件的晶粒细化、提高致密度、减少内部缺陷而提出的改进。

背景技术

目前，航空、航天、船舶等制造尖端领域正向着装备大型化、整体化的方向发展，其关键零部件的尺寸日益增大、结构日益复杂、性能要求日益提高。采用铸造、锻造以及机加工等传统制造技术生产大型、整体、高性能合金构件，不仅需要重型铸造、锻造和机加工装备及大型模具，技术难度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高。

然而，增材制造通过逐层堆积实现无模成形，大幅度缩短生产周期、提高材料利用率、降低制造成本，在高端装备的研制中拥有巨大的市场价值和应用前景。具体来说：

丝材电弧增材制造是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，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。

丝材电弧增材制造是一个反复加热的过程，热积累问题显著，同时快速凝固形成粗大晶粒。组织性能特点明显，存在明显方向性，同时具有气孔、微观偏析等问题。因此，需要在增材制造的过程中增加辅助成形，或进行热处理，以得到组织性能均匀良好的整体构件。

对此，现有技术中提出了多种技术方案，具有代表性的如下所述：

公开号为CN107584118A的中国发明专利中记载了一种增材制造用锻压热处理一体化装置，该装置采用加热元件对待锻打区进行加热，并使用测温元件对加热区域温度实时监测，当待锻打区温度达到预定锻打温度，控制单元会对锻打装置发出锻打信号，锻压元件开始进行锻打。该装置能够提高增材制造金属材料的致密度，消除内部应力，减少缺陷，控制和改善内部晶粒结构，从而提高材料的力学性能。然而，该专利对温度控制要求较高，加热温度不均会造成锻打表面锻打后平整度下降。且这种装置多用于成形件的锻打，与增材制造设备的同步性差，无法实现对材料的层层锻打。

公开号为CN109605039A的中国发明专利中记载了一种电弧增材与电辅助热轧成形复合制造方法和装置，该装置通过直流脉冲电源对基板及沉积层进行加热，加热到预定温度后，温度传感器发出信号，采用轧辊对沉积层表面进行热轧成形。该装置通过电、热、力多场耦合作用细化沉积层晶粒，改善组织，消减电弧增材制造缺陷，降低沉积层残余应力，提升材料综合力学性能。但是该专利只考虑到材料轧辊温度，并未考虑轧辊后对材料进行冷却。实际上电弧增材后沉积层温度很高，再对基板进行加热不仅可能导致材料成形精度差，还会造成热堆叠区晶粒粗大，且专利中采用的是直筒轧辊，热轧区变形量不足。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种结构精巧、加工效率高且加工效果好，能够对电弧增材制造成形件进行细化晶粒、提高致密度、减少内部缺陷，从而最终提高力学性能的电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法及装置。

本发明的技术方案为：按以下步骤进行制造；

1）、初始化：完成热碾压制造装置与机械臂一的安装、焊枪与机械臂二的安装，并通过三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构对斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮三者所处的位置以及角度进行调节；此后，可将所使用的设备全部打开，将轨迹程序导入到机械臂一、机械臂二的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

2）、电弧送丝增材：通过机械臂二驱使焊枪按照零件分层设计轨迹进行移动并打印；

3）、碾压加工：通过机械臂二使得热碾压制造装置在焊枪前进方向的后侧按照相同的轨迹进行移动；

3.1）、斜辊强剪变形：使得斜辊强剪轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压刚打印完毕的焊道，从而通过剪切凸环增加焊道的塑性变形量，将焊道的截面加工成驼峰状；

3.2）、初步压平：使得异形碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压截面呈驼峰状的焊道，从而将对焊道的顶面进行初步压平，并在其中通过分隔凸环避免焊道中间部分堆叠；

3.3）、完全压平：使得直筒碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压初步压平后的焊道，从而将焊道的顶面进行完全压平，使得焊道高度达到指定数值；

4）、冷却：通过冷却轮对其下方接触的焊道进行冷却，以确保材料性能；

5）、废边切除：待机械臂一、机械臂二按轨迹程序运行过所有路径后，将零件每一层中加工的第一个焊道进行切除；完毕。

所述热碾压制造装置连接在机械臂一的下方，焊枪连接在机械臂二的下方，所述机械臂一连接在机械臂二前进方向的后侧；所述热碾压制造装置包括固定座、斜辊强剪轮、异形碾压轮和直筒碾压轮，所述固定座包括固定框、三根横梁、三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构和三个支架；

所述固定框固定连接在机械臂一的下方，三根所述横梁相互平行、且横梁两端固定连接在固定框中，所述支架包括滑动部、旋转部和铰接部，三个所述滑动部的顶端分别套接三个所述横梁、且在三个直线驱动机构的作用下沿横梁做直线往复运动，所述旋转部的顶端与滑动部的底端可旋转的相连接、且三个旋转部分别在三个旋转驱动机构的作用下做旋转运动，所述铰接部固定连接在旋转的底端，所述斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮分别铰接在三个铰接部的底端；

所述斜辊强剪轮处于焊枪的一侧、且其轴心与水平面呈2-5°夹角，所述斜辊强剪轮的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸环，所述斜辊强剪轮的外壁的中部设有垂直于其轴向设置的剪切凸环；

所述异形碾压轮处于斜辊强剪轮远离焊枪的一侧、且其轴心水平设置，所述异形碾压轮的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸翼，所述异形碾压轮的外壁的中部设有与剪切凸环行进轨迹相同的分隔凸环；

所述直筒碾压轮处于异形碾压轮远离焊枪的一侧、且其轴心水平设置，所述直筒碾压轮呈圆柱状。

所述斜辊强剪轮两侧的限位凸环分别为限位凸环一和限位凸环二，所述限位凸环一和限位凸环二的外壁均呈锥面状、且限位凸环一的最大外径小于限位凸环二的最大外径，使得所述限位凸环一的底缘和限位凸环二的底缘均平行于水平面设置、且限位凸环一的底缘高于限位凸环二的底缘。

所述异形碾压轮两侧的限位凸翼分别为限位凸翼一和限位凸翼二，所述限位凸翼一的外径小于限位凸翼二的外径，使得所述限位凸翼一的底缘和限位凸翼二的底缘之间具有高度差。

所述热碾压制造装置还包括冷却轮，所述冷却轮通过连杆铰接在机械臂一的下方、且处于固定座远离焊枪的一侧，所述冷却轮呈中空状、且冷却轮中循环通入冷却液。

所述直线驱动机构为电动推杆、气动推杆或液压推杆。

所述旋转驱动机构为伺服电机或步进电机。

本发明的有益效果是，相比于采用平辊热碾压，采用斜辊强剪碾压组合轮对电弧送丝增材制造的材料进行热碾压处理，可以将电弧送丝增材沉积材料的塑性变形量提高至0.5以上，从而压实沉积材料，减少电弧送丝增材制造构件中的气孔缺陷；同时，可显著增加沉积材料的位错密度，为材料的再结晶提供驱动力，最终实现细化晶粒，提高材料的力学性能的目的。

本发明在组合轮碾压后，增加了冷却轮，以实现对焊道材料的快速冷却处理，有效抑制了长期高温导致的晶粒粗化的问题以及温度不均匀导致的组织性能不均匀的问题，并能有效防止增材制造过程中，因热积累和残余应力而导致的零件尺寸畸变的问题。

针对可热处理强化铝合金，本发明还可以实现增材制造-轧制变形-固溶时效一体化制造技术，达到形性协调控制的目的。

从整体上来说，本发明将轧制工艺与增材制造过程相结合，能够对电弧送丝增材制造成形件进行细化晶粒、提高致密度、减少内部缺陷，从而最终提高零件的力学性能。

附图说明

图1是本案的实施方式示意图，

图2是本案中热碾压制造装置的结构示意图，

图3是图2是右视图，

图4是图3的立体图；

图5是加工完毕的零件示意图，

图6是图5的右视图，

图7是图5的俯视图，

图8是加工过程中零件的示意图；

图9是斜辊强剪变形的加工状态示意图，

图10是斜辊强剪变形加工后的状态示意图，

图11是初步压平的加工状态示意图，

图12是初步压平加工后的状态示意图，

图13是完全压平的加工状态示意图，

图14是完全压平加工后的状态示意图；

图15是冷却轮的结构示意图，

图16是冷却轮的内部结构示意图；

图中1是机械臂一，2是热碾压制造装置，21是固定座，211是固定框，212是横梁，213是滑动部，214是旋转部，215是铰接部；

22是斜辊强剪轮，220是剪切凸环，221是限位凸环一，222是限位凸环二，23是异形碾压轮，230是分隔凸环，231是限位凸翼一，232是限位凸翼二，24是直筒碾压轮，4是冷却轮；

5是机械臂二，6是焊枪，7是零件。

具体实施方式

本发明如图1-16所示，按以下步骤进行制造；

1）、初始化：完成热碾压制造装置与机械臂一的安装、焊枪与机械臂二的安装，并通过三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构对斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮三者所处的位置以及角度进行调节；此后，可将所使用的设备全部打开，将轨迹程序导入到机械臂一、机械臂二的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

2）、电弧送丝增材：通过机械臂二驱使焊枪按照零件分层设计轨迹进行移动并打印；

3）、碾压加工：通过机械臂二使得热碾压制造装置在焊枪前进方向的后侧按照相同的轨迹进行移动；

3.1）、斜辊强剪变形：使得斜辊强剪轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压刚打印完毕的焊道，从而通过剪切凸环增加焊道的塑性变形量，将焊道的截面加工成驼峰状；

3.2）、初步压平：使得异形碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压截面呈驼峰状的焊道，从而将对焊道的顶面进行初步压平，并在其中通过分隔凸环避免焊道中间部分堆叠；

3.3）、完全压平：使得直筒碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压初步压平后的焊道，从而将焊道的顶面进行完全压平，使得焊道高度达到指定数值；

4）、冷却：通过冷却轮对其下方接触的焊道进行冷却，以确保材料性能；

5）、废边切除：待机械臂一、机械臂二按轨迹程序运行过所有路径后，将零件7每一层中加工的第一个焊道进行切除；完毕。

所述热碾压制造装置2连接在机械臂一1的下方，焊枪6连接在机械臂二5的下方，所述机械臂一1连接在机械臂二5前进方向的后侧；所述热碾压制造装置2包括固定座21、斜辊强剪轮22、异形碾压轮23和直筒碾压轮24，所述固定座包括固定框211、三根横梁212、三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构和三个支架；

所述固定框211固定连接在机械臂一1的下方，三根所述横梁212相互平行、且横梁212两端固定连接在固定框211中，所述支架包括滑动部213、旋转部214和铰接部215，三个所述滑动部213的顶端分别套接三个所述横梁212、且在三个直线驱动机构的作用下沿横梁212做直线往复运动，所述旋转部214的顶端与滑动部213的底端可旋转的相连接、且三个旋转部分别在三个旋转驱动机构的作用下做旋转运动，所述铰接部215固定连接在旋转部214的底端，所述斜辊强剪轮22、异形碾压轮23、直筒碾压轮24分别铰接在三个铰接部215的底端；这样，在针对环形焊道或是直线焊道进行碾压加工时，可通过三个直线驱动机构和三个旋转驱动机构对斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮三者所处的位置以及角度进行调节，使得本案具有更好的实用性以及更为广泛的适用范围；

所述斜辊强剪轮22处于焊枪6的一侧、且其轴心与水平面呈2-5°夹角，所述斜辊强剪轮22的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸环，所述斜辊强剪轮22的外壁的中部设有垂直于其轴向设置的剪切凸环220；这样，如图9-10所示，可通过剪切凸环将刚打印的焊道的顶面的中部压出一个沟槽，使得焊道的截面形状呈驼峰状；在此过程中通过前剪切凸环对焊道施加一个剪切力、且同时不干扰其他沉积区，把焊道分成左右两部分，增加碾压区的塑性变形量，使得焊道的塑性变形程度加大，焊道在流变应力作用下易发生动态再结晶，从而显著提高了力学性能；

所述异形碾压轮23处于斜辊强剪轮22远离焊枪6的一侧、且其轴心水平设置，所述异形碾压轮23的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸翼，所述异形碾压轮23的外壁的中部设有与剪切凸环220行进轨迹相同的分隔凸环230；这样，如图11-12所示，通过斜辊强剪轮使焊道经过塑性变形后，若直接碾压焊道容易在焊道中间出现层叠区，因此，通过分隔凸环的设计，可在对焊道进行初步压平的同时，有效避免焊道的中间部分堆叠形成空穴，防止出现焊道重叠的现象；

所述直筒碾压轮24处于异形碾压轮23远离焊枪6的一侧、且其轴心水平设置，所述直筒碾压轮呈圆柱状。这样，如图13-14所示，使得初步压平后顶部平整的焊道经过圆柱状的直筒碾压轮进行平碾，使得焊道整体趋于平整、且最终高度保持为一固定值。

所述斜辊强剪轮22两侧的限位凸环分别为限位凸环一221和限位凸环二222，所述限位凸环一221和限位凸环二222的外壁均呈锥面状、且限位凸环一221的最大外径小于限位凸环二222的最大外径，使得所述限位凸环一221的底缘和限位凸环二222的底缘均平行于水平面设置、且限位凸环一221的底缘高于限位凸环二222的底缘（该高度差等于单个碾压完毕的焊道的高度）。

所述异形碾压轮23两侧的限位凸翼分别为限位凸翼一231和限位凸翼二232，所述限位凸翼一231的外径小于限位凸翼二232的外径，使得所述限位凸翼一231的底缘和限位凸翼二232的底缘之间具有高度差（该高度差等于单个碾压完毕的焊道的高度）。

需要特殊说明的是，由于限位凸环、限位凸翼的设计，将使得同一平面上首次碾压的焊道将出现结构变形，待全部碾压加工完毕后，可作为废边予以切除；后续自第二次碾压加工的焊道起，限位凸环一的底缘、限位凸翼一的底缘将贴合于前一个焊道的顶面上，而限位凸环二的底缘、限位凸翼二的底缘则将贴合于该平面上，从而有效避免材料流出焊道之外。

所述热碾压制造装置还包括冷却轮4，所述冷却轮4通过连杆铰接在机械臂一的下方、且处于固定座远离焊枪的一侧，所述冷却轮呈中空状、且冷却轮中循环通入冷却液。实际使用时，可在冷却轮的两端设置管状轴头，使冷却通过轴头与连杆铰接，并将两轴头均与冷却水箱连接，使得冷却液自其中一个轴头进入，完成换热后自另一个轴头流出，从而对碾压后的焊道温度进行冷却以确保材料性能。

所述直线驱动机构为电动推杆、气动推杆或液压推杆。实际使用时，可将直线驱动机构的两端分别连接固定座的内壁以及滑动部的外壁，从而实现对滑动部的直线驱动。

所述旋转驱动机构为伺服电机或步进电机。实际使用时，可将旋转驱动装置固定连接在滑动部的底端，并将旋转驱动装置的输出轴与旋转部的顶端固定相连，从而使得旋转部的顶端与滑动部的底端通过旋转驱动机构可旋转的相连接，最终实现对旋转部的旋转驱动。

Claims (7)

1.一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造方法，其特征在于，按以下步骤进行制造；

1）、初始化：完成热碾压制造装置与机械臂一的安装、焊枪与机械臂二的安装，并通过三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构对斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮三者所处的位置以及角度进行调节；此后，可将所使用的设备全部打开，将轨迹程序导入到机械臂一、机械臂二的控制器中，并完成调试，准备进行焊接；

2）、电弧送丝增材：通过机械臂二驱使焊枪按照零件分层设计轨迹进行移动并打印；

3）、碾压加工：通过机械臂二使得热碾压制造装置在焊枪前进方向的后侧按照相同的轨迹进行移动；

3.1）、斜辊强剪变形：使得斜辊强剪轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压刚打印完毕的焊道，从而通过剪切凸环增加焊道的塑性变形量，将焊道的截面加工成驼峰状；

3.2）、初步压平：使得异形碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压截面呈驼峰状的焊道，从而将对焊道的顶面进行初步压平，并在其中通过分隔凸环避免焊道中间部分堆叠；

3.3）、完全压平：使得直筒碾压轮在自由旋转状态下，边旋转边碾压初步压平后的焊道，从而将焊道的顶面进行完全压平，使得焊道高度达到指定数值；

4）、冷却：通过冷却轮对其下方接触的焊道进行冷却，以确保材料性能；

5）、废边切除：待机械臂一、机械臂二按轨迹程序运行过所有路径后，将零件每一层中加工的第一个焊道进行切除；完毕。

2.一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，所述热碾压制造装置连接在机械臂一的下方，焊枪连接在机械臂二的下方，所述机械臂一连接在机械臂二前进方向的后侧；其特征在于，所述热碾压制造装置包括固定座、斜辊强剪轮、异形碾压轮和直筒碾压轮，所述固定座包括固定框、三根横梁、三个直线驱动机构、三个旋转驱动机构和三个支架；

所述固定框固定连接在机械臂一的下方，三根所述横梁相互平行、且横梁两端固定连接在固定框中，所述支架包括滑动部、旋转部和铰接部，三个所述滑动部的顶端分别套接三个所述横梁、且在三个直线驱动机构的作用下沿横梁做直线往复运动，所述旋转部的顶端与滑动部的底端可旋转的相连接、且三个旋转部分别在三个旋转驱动机构的作用下做旋转运动，所述铰接部固定连接在旋转的底端，所述斜辊强剪轮、异形碾压轮、直筒碾压轮分别铰接在三个铰接部的底端；

所述斜辊强剪轮处于焊枪的一侧、且其轴心与水平面呈2-5°夹角，所述斜辊强剪轮的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸环，所述斜辊强剪轮的外壁的中部设有垂直于其轴向设置的剪切凸环；

所述异形碾压轮处于斜辊强剪轮远离焊枪的一侧、且其轴心水平设置，所述异形碾压轮的外壁的两侧设有一对垂直于其轴向设置限位凸翼，所述异形碾压轮的外壁的中部设有与剪切凸环行进轨迹相同的分隔凸环；

所述直筒碾压轮处于异形碾压轮远离焊枪的一侧、且其轴心水平设置，所述直筒碾压轮呈圆柱状。

3.根据权利要求2所述的一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，其特征在于，所述斜辊强剪轮两侧的限位凸环分别为限位凸环一和限位凸环二，所述限位凸环一和限位凸环二的外壁均呈锥面状、且限位凸环一的最大外径小于限位凸环二的最大外径，使得所述限位凸环一的底缘和限位凸环二的底缘均平行于水平面设置、且限位凸环一的底缘高于限位凸环二的底缘。

4.根据权利要求2所述的一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，其特征在于，所述异形碾压轮两侧的限位凸翼分别为限位凸翼一和限位凸翼二，所述限位凸翼一的外径小于限位凸翼二的外径，使得所述限位凸翼一的底缘和限位凸翼二的底缘之间具有高度差。

5.根据权利要求2所述的一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，其特征在于，所述热碾压制造装置还包括冷却轮，所述冷却轮通过连杆铰接在机械臂一的下方、且处于固定座远离焊枪的一侧，所述冷却轮呈中空状、且冷却轮中循环通入冷却液。

6.根据权利要求2所述的一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，其特征在于，所述直线驱动机构为电动推杆、气动推杆或液压推杆。

7.根据权利要求2所述的一种电弧送丝增材斜辊组合轮热碾压制造装置，其特征在于，所述旋转驱动机构为伺服电机或步进电机。

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