CN111545752B - 大型金属合金薄壁件的3d粗成型方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法及系统，所述方法和系统在坯料边缘通过闪光焊块按着程序堆积快速形成边缘轮廓层，通过自耗电极熔炼形成的熔体在坯料上的堆积，同时通过若干个可变换形状的电磁约束器，实现熔体的约束，防止在闪光焊块间熔体流出，进而实现局部形状的粗成型，通过设定的工艺路线，随着边缘闪光焊块按着程序形成及电磁约束器的位置变换，实现特定形状坯料的成型，然后通过精密加工的方式去除表面形状不规则部分，实现大型复杂零件的成型，所述方法和系统具有打印效率高，成本低等优点。

Description

大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法及系统

技术领域

本发明涉及3D打印装置技术领域，尤其涉及一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法及系统。

背景技术

金属材料的3D打印成型或者增材制造技术，是快速原型制造技术的一种，是20世纪新兴制造技术，是工业制造4.0的最具潜力的技术。其通过三维建模软件对所要制造的零件进行建模，再通过软件采用切片的方式形成程序，最后通过计算机控制3D打印设备实现零件的逐层成型。3D打印具有可制备任意复杂零件、生产周期短、材料利用率高等优点、目前在工业领域获得广泛应用。常用的金属材料的3D打印成型或者增材制造方式有金属激光烧结成型、金属激光熔覆成型、金属电子束熔化成型、金属微束等离子弧熔覆成型、金属粘结剂喷射成型等，这些方法通常经过金属粉末或者细金属丝的熔化来逐层打印金属零件，其中以激光熔化类型的3D成型应用最为广泛，同时对金属粉末的粒径及球形度要求高，并主要适用于小型零件。对于尺寸巨大的金属复杂构件由于打印设备及打印效率和成本的限制，仍然以传统的铸造技术为主。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种打印效率高，成本低的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是： 一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于包括如下步骤：

首先进行整个工序前测定自耗等离子发生器的电流及电压值与送丝速度参数，获得自耗金属丝熔化后形成的堆积峰及熔池半径R设计高度的参数值；测定电磁约束器可以实现电磁约束的电流、电压及距成型坯料外围的距离，测定闪光焊机械手使得闪光焊块连接面牢固连接的电流及电压值，并将上述数据输入主控制系统，通过对待加工大型金属合金薄壁件的三维造型，设定焊块轮廓线轨迹程序及自耗金属丝轨迹线，在主控制系统中设定运行程序；

然后将水平基台水平放置至主升降旋转柱上，将初始打印体固定在水平基台上，然后通过主控制系统控制自耗等离子发生器至初始打印体上方的初始位置，然后通过主控制系统控制闪光焊机械手夹持闪光焊块送至初始位置；

对内、外侧的电磁约束器中充入循环用冷却水，并在闪光焊机械手的外侧初始位置控制闪光焊机械手夹持闪光焊块沿着程序设定的外侧焊块轮廓线进行外侧闪光焊块连接，当外侧闪光焊块封闭后，控制闪光焊机械手运动到内侧初始位置，开始控制闪光焊机械手夹持闪光焊块沿着程序设定的内侧焊块轮廓线进行内侧闪光焊块连接，直到内侧闪光焊块封闭；

启动内侧和外侧的电磁约束器于闪光焊块围成的连接轮廓线的内侧初始位置及外侧初始位置处，并通过主控制系统启动自耗等离子发生器形成等离子电弧，调整等离子电弧的位置，使得自耗等离子发生器位于合适的高度，然后根据主控制系统内设置的自耗金属丝轨迹线进行等离子熔炼，自耗金属丝熔化为液滴并滴入初始打印体上，完成一条轨迹线后自耗等离子发生器回到轨迹线节点位置，通过直线运动进入下一个轨迹线节点，然后再次根据主控制系统内设置的自耗金属丝轨迹线进行熔炼，通过电磁约束器施加电磁约束力，保证闪光焊块间的缝隙中的金属不流出；

该过程直至每层中最内侧的自耗金属丝轨迹线完成，此时第一层合金材料堆积完成，停止自耗等离子发生器的送丝功能，停止自耗金属丝的送丝，按着轨迹线节点移动至上端面的中心，以免等离子电弧高温损坏闪光焊机械手，然后将自耗等离子发生器提升一个堆积峰的高度，然后主控制系统控制闪光焊机械手夹持闪光焊块再次按着主控制系统内待加工的大型金属合金薄壁件的内侧和外侧的轮廓线轨迹连接，然后使得自耗等离子发生器按着轨迹线节点移动至待加工的大型金属合金件的设计形状的边缘处，启动自耗等离子发生器的送丝功能，同时使其按着主控制系统内设置的自耗金属丝轨迹线运动，自耗金属丝熔化为液滴并滴入成型坯料上，同时使得各个电磁约束器围绕闪光焊块包围形成的轮廓不断的运动并变换各个电磁约束器的分布形状，该过程直至最后的自耗金属丝轨迹线完成，该层堆积完成，随着自耗等离子发生器不断的将熔滴滴入和闪光焊块的不断粘结，成型坯料的形状及尺寸不断逐层接近待加工大型金属合金薄壁件的设计形状，最终形成完整的成型坯料。

本发明还公开了一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，其特征在于：包括主动力系统，所述主动力系统的动力输出端设置有主升降旋转柱，所述主升降柱上设置有水平基台，所述水平基台用于放置初始打印体；所述水平基台的一侧设置有外侧电磁约束器系统，所述外侧电磁约束器系统包括第一机械运动装置，所述第一机械运动装置上设置有第一机械升降柱，所述第一机械升降柱上设置有第一机械控制装置，所述第一机械控制装置的动力输出端设置有第一机械臂，所述第一机械臂的上端设置有第一机械手，所述第一机械手上设置有第一电磁约束器组件；所述水平基台的上方设置有结构与所述外侧电磁约束器系统结构相同的内侧电磁约束器系统；

所述水平基台的上方设置有自耗等离子发生器，所述自耗等离子发生器内设置有自耗金属丝，等离子发生器电源用于为所述等离子发生器提供工作电源，所述水平基台的一侧还设置有闪光焊机械手和闪光焊机械手驱动装置，所述主动力系统、机械运动装置、等离子发生器电源以及闪光焊机械手驱动装置受控于所述主控制系统，用于在主控制系统的控制下进行动作。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法和系统在坯料边缘通过闪光焊块按着程序堆积快速形成边缘轮廓层，通过自耗电极熔炼形成的熔体在坯料上的堆积，同时通过若干个可变换形状的电磁约束器，实现熔体的约束，防止在闪光焊块间熔体流出，进而实现局部形状的粗成型，通过设定的工艺路线，随着边缘闪光焊块按着程序形成及电磁约束器的位置变换，实现特定形状坯料的成型，然后通过精密加工的方式去除表面形状不规则部分，实现大型复杂零件的成型，所述方法和系统具有打印效率高，成本低等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述成型系统（大型金属合金件）的结构示意图；

图2是本发明实施例所述成型系统中电磁约束器组件的结构示意图；

图3是本发明实施例所述成型系统（大型金属合金薄壁件）的部分结构示意图；

图4是本发明实施例所述成型系统（大型金属合金件）中自耗等离子发生器的运动轨迹示意图；

图5是本发明实施例所述成型系统中自耗等离子电极运动轨迹及闪光焊块连接堆积示意图；

其中：1：第一机械控制装置；2：第一机械升降柱；3：第一机械运动装置；4：第一第一机械臂；5：第一机械手；7：电磁约束器；7-1：电磁感应线圈；7-2：支撑棒；7-3：隔热层；7-4：第一探测器；8：第二探测器；9：自耗等离子发生器；10：自耗金属丝；11：成型坯料；12：熔池；13：上端面；14：水平基台；15：主升降旋转柱；16：主动力系统；17：电磁约束器水冷管道；18：电磁约束器电源线；19：主控制系统；20：旋转驱动装置；20-1：控制器水冷管道；20-2：旋转驱动装置控制线；20-3：旋转接头；21：伸缩杆；22：闪光焊机械手；23：第二机械臂；24：第二机械手；25：等离子发生器电源；26：初始打印体；27：闪光焊块；28：焊块轮廓线；29：设计形状；30：自耗金属丝轨迹线；31：变换轨迹线；32：轨迹线节点；33：堆积峰；34：堆积谷。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1所示，本发明实施例公开了一种大型金属合金件的3D粗成型系统，包括主动力系统16，所述主动力系统16的动力输出端设置有主升降旋转柱15，所述主升降柱15上设置有水平基台14，所述水平基台14用于放置初始打印体26；所述水平基台14的一侧设置有外侧电磁约束器系统，所述外侧电磁约束器系统包括第一机械运动装置3，所述第一机械运动装置3上设置有第一机械升降柱2，所述第一机械升降柱2上设置有第一机械控制装置3，所述第一机械控制装置3的动力输出端设置有第一机械臂4，所述第一机械臂4的上端设置有第一机械手5，所述第一机械手5上设置有第一电磁约束器组件；

所述水平基台14的上方设置有自耗等离子发生器9，所述自耗等离子发生器9内设置有自耗金属丝10，等离子发生器电源25用于为所述等离子发生器提供工作电源，所述水平基台14的一侧还设置有闪光焊机械手22和闪光焊机械手驱动装置，所述主动力系统16、机械运动装置3、等离子发生器电源25以及闪光焊机械手驱动装置受控于所述主控制系统19，用于在主控制系统19的控制下进行动作。

进一步的，如图1和图2所示，所述电磁约束器组件包括若干根一端与所述第一机械手5连接的伸缩杆21，每根所述伸缩杆21的自由端设置有一个旋转驱动装置20，所述旋转驱动装置20的动力输出端通过旋转接头20-3与电磁约束器7连接，所述电磁约束器用于对熔化后的自耗金属丝10进行约束，所述伸缩杆21以及所述旋转驱动装置20在所述机械控制系统的控制下进行运动，所述机械控制系统根据所述主控制系统19的命令控制所述伸缩杆21以及所述旋转驱动装置20动作。

进一步的，如图2所示，所述电磁约束器7包括约束器外壳，所述外壳内设置有电磁感应线圈7-1，所述电磁感应线圈7-1缠绕到支撑棒7-2上；所述电磁感应线圈7-1的外侧设置有保温层7-3，且所述保温层7-3内设置有水冷通道，电磁约束器水冷管道17用于为所述水冷通道提供冷却用水，电磁约束器电源线18用于为所述线圈提供电源；所述约束器外壳的两端分别设置有一个第一位置探测器7-4，所述第一位置探测器7-4与所述机械控制系统的信号输入端连接，用于防止电磁约束器7与成型坯料11边缘接触，且所述电磁约束器水冷管道17上设置有电磁阀，用于控制所述水冷管道是否接通冷却水；所述电磁阀以及电磁约束器电源受控于所述机械控制系统，用于在所述机械控制系统的控制下进行工作，所述电磁感应线圈7-1得电后能够产生磁场，对熔化后的自耗金属丝10进行约束。

进一步的，如图1所示，所述自耗等离子发生器9上设置有第二位置探测器8，第二位置探测器8用于反馈等离子发生器9与成型坯料11顶端的距离，并将采集的信息传送给主控制系统19，主控制系统19根据第二位置探测器8采集的信息调整自耗等离子发生器9的送丝速度。

实施例二

相应的，本发明实施例还公开了一种大型金属合金件的3D粗成型方法，所述方法使用上述大型金属合金件的3D粗成型系统，包括如下步骤：

首先进行整个工序前测定自耗等离子发生器9的电流及电压值与送丝速度参数，获得自耗金属丝10熔化后形成的堆积峰33及熔池半径R设计高度的参数值；测定电磁约束器7可以实现磁约束的电流、电压及距成型坯料11外围的距离，测定闪光焊机械手22连接设定闪光焊块27连接面牢固连接的电流及电压值，并将上述数据输入主控制系统19，通过对待加工大型金属合金薄壁件的三维造型，设定焊块轮廓线28轨迹程序及自耗金属丝轨迹线30，在主控制系统19中设定运行程序；

然后将水平基台14水平放置至主升降旋转柱15上，将初始打印体26固定在水平基台14上，然后通过主控制系统19控制自耗等离子发生器9至初始打印体26上方的初始位置，然后通过主控制系统19控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27送至初始位置；

对电磁约束器7中充入循环用冷却水，并在初始位置开始控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27沿着程序设定的焊块轮廓线28进行闪光焊块27连接，当闪光焊块27封闭后，启动电磁约束器7于闪光焊块27围成的轮廓线外侧的初始位置处，并通过主控制系统19启动自耗等离子发生器9形成等离子电弧，调整等离子电弧的位置，使得自耗等离子发生器9位于合适的高度，然后根据主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30进行等离子熔炼，如图3所示，自耗金属丝10熔化为液滴并滴入初始打印体26上，完成一条轨迹线后自耗等离子发生器9回到轨迹线节点32位置，通过直线运动进入下一个轨迹线节点32，然后再次根据主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30进行熔炼，通过电磁约束器7施加电磁约束力，保证闪光焊块27间的缝隙中的金属不流出；

该过程直至每层中最内侧的自耗金属丝轨迹线30完成，此时第一层合金材料堆积完成，停止自耗等离子发生器9的送丝功能，停止自耗金属丝10的送丝，按着轨迹线节点32移动至上端面13的中心，以免等离子电弧高温损坏闪光焊机械手22，然后将自耗等离子发生器9提升一个堆积峰33的高度，然后主控制系统19控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27再次按着主控制系统19内待加工的大型金属合金件的轮廓线轨迹连接，然后使得自耗等离子发生器9按着轨迹线节点32移动至待加工的大型金属合金件的设计形状29的边缘处，启动自耗等离子发生器9的送丝功能，同时使其按着主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30运动，自耗金属丝10熔化为液滴并滴入成型坯料11上，同时使得各个电磁约束器7围绕闪光焊块27包围形成的轮廓不断的运动并变换各个电磁约束器7的分布形状，该过程直至最后的自耗金属丝轨迹线30完成，该层堆积完成，随着自耗等离子发生器9不断的将熔滴滴入和闪光焊块27的不断粘结，成型坯料11的形状及尺寸不断逐层接近待加工大型金属合金件的设计形状，最终形成完整的成型坯料11；

当形成完整的成型坯料11后通过精密加工的方式去除成型坯料11表面形状不规则部分，实现大型金属合金件的成型。

进一步的，所述初始打印体26、闪光焊块27以及自耗金属丝10与待打印的大型金属合金件的成分相同，使得形成的成型坯料11与待打印的大型金属合金件的材料相同。每层中所述闪光焊块27的高度高于同层的堆积峰33的高度，保证熔化后的液滴不会在闪光焊块27顶部溢出，粘连电磁约束器7，同时保证了闪光焊块27上表面的平整，方便上一层闪光焊块27的连接。

进一步的，如图3所示，定义自耗金属丝10的熔池半径为R，待加工的大型金属合金件的设计形状29与闪光焊块27内侧的距离为d，为加工余量，且满足-R<d<R，每层的堆积层自耗金属丝轨迹线30与上一层的堆积层自耗金属丝轨迹线30为交替关系，即该层的该位置为堆积峰33，则下一层的该位置为堆积谷34，因此，在使用所述自耗等离子发生器9进行自耗金属丝10的堆积的过程中，上层堆积的熔化后的自耗金属丝10将下层的堆积谷34填满并形成堆积峰33，如图5所示。

此外，需要说明的是，所述闪光焊机械手22受主控制系统19的控制具有移动功能，同时具备将闪光焊块27通过闪光焊的方式排列到成型坯料11边缘的功能。

实施例三

本发明实施例公开了一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统（其系统结构图大部分与图1结构一致，不同之处在于本申请多了一个内侧电磁约束器系统，在图1中未显示），包括主动力系统16，所述主动力系统16的动力输出端设置有主升降旋转柱15，所述主升降柱15上设置有水平基台14，所述水平基台14用于放置初始打印体26；所述水平基台14的一侧设置有外侧电磁约束器系统，所述外侧电磁约束器系统包括第一机械运动装置3，所述第一机械运动装置3上设置有第一机械升降柱2，所述第一机械升降柱2上设置有第一机械控制装置3，所述第一机械控制装置3的动力输出端设置有第一机械臂4，所述第一机械臂4的上端设置有第一机械手5，所述第一机械手5上设置有第一电磁约束器组件；所述水平基台14的上方设置有结构与所述外侧电磁约束器系统结构相同的内侧电磁约束器系统（部分结构如图3所示）；

所述水平基台14的上方设置有自耗等离子发生器9，所述自耗等离子发生器9内设置有自耗金属丝10，等离子发生器电源25用于为所述等离子发生器提供工作电源，所述水平基台14的一侧还设置有闪光焊机械手22和闪光焊机械手驱动装置，所述主动力系统16、机械运动装置3、等离子发生器电源25以及闪光焊机械手驱动装置受控于所述主控制系统19，用于在主控制系统19的控制下进行动作。

进一步的，如图1-图3所示，所述电磁约束器组件包括若干根一端与所述第一机械手5连接的伸缩杆21，每根所述伸缩杆21的自由端设置有一个旋转驱动装置20，所述旋转驱动装置20的动力输出端通过旋转接头20-3与电磁约束器7连接，所述电磁约束器用于对熔化后的自耗金属丝10进行约束，所述伸缩杆21以及所述旋转驱动装置20在所述机械控制系统的控制下进行运动。此外，所述旋转驱动装置20上海设置有控制器水冷管道20-1以及旋转驱动装置控制线20-2，用于分别为其提供冷却水以及控制电源。

进一步的，如图2所示，所述电磁约束器7包括约束器外壳，所述外壳内设置有电磁感应线圈7-1，所述电磁感应线圈7-1缠绕到支撑棒7-2上，所述电磁感应线圈7-1的外侧设置有保温层7-3，且所述保温层7-3内设置有水冷通道，电磁约束器水冷管道17用于为所述水冷通道提供冷却用水，电磁约束器电源线18用于为所述线圈提供电源，所述约束器外壳的两端分别设置有一个第一位置探测器7-4，所述第一位置探测器7-4与所述机械控制系统的信号输入端连接，用于防止电磁约束器7与成型坯料11边缘接触，且所述电磁约束器水冷管道17上设置有电磁阀，用于控制所述水冷管道是否接通冷却水，所述电磁阀以及电磁约束器电源受控于所述机械控制系统，用于在所述机械控制系统的控制下进行工作。

如图1所示，所述自耗等离子发生器9上设置有第二位置探测器8，第二位置探测器8用于反馈等离子发生器9与成型坯料11顶端的距离，并将采集的信息传送给主控制系统19，主控制系统19根据第二位置探测器8采集的信息调整自耗等离子发生器9的送丝速度。

实施例四

本发明实施例公开了一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，所述方法使用大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，包括如下步骤：

首先进行整个工序前测定自耗等离子发生器9的电流及电压值与送丝速度参数，获得自耗金属丝熔化后形成的堆积峰33及熔池半径R设计高度的参数值；测定电磁约束器7可以实现电磁约束的电流、电压及距成型坯料11外围的距离，测定闪光焊机械手22连接设定闪光焊块27连接面牢固连接的电流及电压值，并将上述数据输入主控制系统19，通过对待加工大型金属合金薄壁件的三维造型，设定焊块轮廓线28轨迹程序及自耗金属丝轨迹线30，在主控制系统19中设定运行程序；

然后将水平基台14水平放置至主升降旋转柱15上，将初始打印体26固定在水平基台14上，然后通过主控制系统19控制自耗等离子发生器9至初始打印体26上方的初始位置，然后通过主控制系统19控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27送至初始位置；

对内、外侧的电磁约束器7中充入循环用冷却水，并在闪光焊机械手22的外侧初始位置控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27沿着程序设定的外侧焊块轮廓线28进行外侧闪光焊块27连接，当外侧闪光焊块27封闭后，控制闪光焊机械手22运动到内侧初始位置，开始控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27沿着程序设定的内侧焊块轮廓线28进行内侧闪光焊块27连接，直到内侧闪光焊块27封闭（部分结构如图3所示）；

启动内侧和外侧的电磁约束器7于闪光焊块27围成的连接轮廓线的内侧初始位置及外侧初始位置处，并通过主控制系统19启动自耗等离子发生器9形成等离子电弧，调整等离子电弧的位置，使得自耗等离子发生器9位于合适的高度，然后根据主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30进行等离子熔炼，自耗金属丝10熔化为液滴并滴入初始打印体26上，完成一条轨迹线后自耗等离子发生器9回到轨迹线节点32位置，通过直线运动进入下一个轨迹线节点32，然后再次根据主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30进行熔炼，通过电磁约束器7施加电磁约束力，保证闪光焊块27间的缝隙中的金属不流出；

该过程直至每层中最内侧的自耗金属丝轨迹线30完成，此时第一层合金材料堆积完成，停止自耗等离子发生器9的送丝功能，停止自耗金属丝10的送丝，按着轨迹线节点32移动至上端面13的中心，以免等离子电弧高温损坏闪光焊机械手22，然后将自耗等离子发生器9提升一个堆积峰的高度，然后主控制系统19控制闪光焊机械手22夹持闪光焊块27再次按着主控制系统19内待加工的大型金属合金薄壁件的内侧和外侧的轮廓线轨迹连接，然后使得自耗等离子发生器9按着轨迹线节点32移动至待加工的大型金属合金件的设计形状29的边缘处，启动自耗等离子发生器9的送丝功能，同时使其按着主控制系统19内设置的自耗金属丝轨迹线30运动，自耗金属丝10熔化为液滴并滴入成型坯料11上，同时使得各个电磁约束器7围绕闪光焊块27包围形成的轮廓不断的运动并变换各个电磁约束器7的分布形状，该过程直至最后的自耗金属丝轨迹线30完成，该层堆积完成，随着自耗等离子发生器9不断的将熔滴滴入和闪光焊块27的不断粘结，成型坯料11的形状及尺寸不断逐层接近待加工大型金属合金薄壁件的设计形状，最终形成完整的成型坯料11（部分工艺可参考图4）；

当形成完整的成型坯料11后通过精密加工的方式去除成型坯料11表面形状不规则部分，实现大型金属合金薄壁件的成型。

进一步的，所述初始打印体26、闪光焊块27以及自耗金属丝10与待打印的大型金属合金薄壁件的成分相同，使得形成的成型坯料11与待打印的大型金属合金薄壁件的材料相同。每层中所述闪光焊块27的高度高于同层的堆积峰33的高度，保证熔化后的液滴不会在闪光焊块27顶部溢出，粘连电磁约束器7，同时保证了闪光焊块27上表面的平整，方便上一层闪光焊块27的连接。

进一步的，如图4所示，定义自耗金属丝10的熔池半径为R，待加工的大型金属合金薄壁件的外侧设计形状29与闪光焊块27内侧的距离为d，为加工余量，且满足-R<d<R，每层的堆积层自耗金属丝轨迹线30与上一层的堆积层自耗金属丝轨迹线30为交替关系，即该层的该位置为堆积峰33，则下一层的该位置为堆积谷34，因此，在使用所述自耗等离子发生器9进行自耗金属丝10的堆积的过程中，上层堆积的熔化后的自耗金属丝10将下层的堆积谷34填满并形成堆积峰33，可参考图5。

进一步的，所述闪光焊机械手22受主控制系统19的控制具有移动功能，同时具备将闪光焊块27通过闪光焊的方式排列到成型坯料11边缘的功能。

综上，本申请在坯料边缘通过闪光焊块按着程序堆积快速形成边缘轮廓层，通过自耗电极熔炼形成的熔体在坯料上的堆积，同时通过若干个可变换形状的电磁约束器，实现熔体的约束，防止在闪光焊块间熔体流出，进而实现局部形状的粗成型，通过设定的工艺路线，随着边缘闪光焊块按着程序形成及电磁约束器的位置变换，实现特定形状坯料的成型，然后通过精密加工的方式去除表面形状不规则部分，实现大型复杂零件的成型，本申请具有打印效率高，成本低等优点。

Claims (10)

1.一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于包括如下步骤：

首先进行整个工序前测定自耗等离子发生器（9）的电流及电压值与送丝速度参数，获得自耗金属丝熔化后形成的堆积峰（33）及熔池半径R设计的参数值；测定电磁约束器（7）可以实现电磁约束的电流、电压及距成型坯料（11）外围的距离，测定闪光焊机械手（22）使得闪光焊块（27）连接面牢固连接的电流及电压值，并将上述数据输入主控制系统（19），通过对待加工大型金属合金薄壁件的三维造型，设定焊块轮廓线（28）轨迹程序及自耗金属丝轨迹线（30），在主控制系统（19）中设定运行程序；

然后将水平基台（14）水平放置至主升降旋转柱（15）上，将初始打印体（26）固定在水平基台（14）上，然后通过主控制系统（19）控制自耗等离子发生器（9）至初始打印体（26）上方的初始位置，然后通过主控制系统（19）控制闪光焊机械手（22）夹持闪光焊块（27）送至初始位置；

对内、外侧的电磁约束器（7）中充入循环用冷却水，并在闪光焊机械手（22）的外侧初始位置控制闪光焊机械手（22）夹持闪光焊块（27）沿着程序设定的外侧的焊块轮廓线（28）进行外侧闪光焊块（27）连接，当外侧闪光焊块（27）封闭后，控制闪光焊机械手（22）运动到内侧初始位置，开始控制闪光焊机械手（22）夹持闪光焊块（27）沿着程序设定的内侧的焊块轮廓线（28）进行内侧闪光焊块（27）连接，直到内侧闪光焊块（27）封闭；

启动内侧和外侧的电磁约束器（7）于闪光焊块（27）围成的连接轮廓线的内侧初始位置及外侧初始位置处，并通过主控制系统（19）启动自耗等离子发生器（9）形成等离子电弧，调整等离子电弧的位置，使得自耗等离子发生器（9）位于合适的高度，然后根据主控制系统（19）内设置的自耗金属丝轨迹线（30）进行等离子熔炼，自耗金属丝（10）熔化为液滴并滴入初始打印体（26）上，完成一条轨迹线后自耗等离子发生器（9）回到轨迹线节点（32）位置，通过直线运动进入下一个轨迹线节点（32），然后再次根据主控制系统（19）内设置的自耗金属丝轨迹线（30）进行熔炼，通过电磁约束器（7）施加电磁约束力，保证闪光焊块（27）间的缝隙中的金属不流出；

该过程直至每层中最内侧的自耗金属丝轨迹线（30）完成，此时第一层合金材料堆积完成，停止自耗等离子发生器（9）的送丝功能，停止自耗金属丝（10）的送丝，按着轨迹线节点（32）移动至上端面（13）的中心，以免等离子电弧高温损坏闪光焊机械手（22），然后将自耗等离子发生器（9）提升一个堆积峰的高度，然后主控制系统（19）控制闪光焊机械手（22）夹持闪光焊块（27）再次按着主控制系统（19）内待加工的大型金属合金薄壁件的内侧和外侧的轮廓线轨迹连接，然后使得自耗等离子发生器（9）按着轨迹线节点（32）移动至待加工的大型金属合金件的设计形状（29）的边缘处，启动自耗等离子发生器（9）的送丝功能，同时使其按着主控制系统（19）内设置的自耗金属丝轨迹线（30）运动，自耗金属丝（10）熔化为液滴并滴入成型坯料（11）上，同时使得各个电磁约束器（7）围绕闪光焊块（27）包围形成的轮廓不断的运动并变换各个电磁约束器（7）的分布形状，该过程直至最后的自耗金属丝轨迹线（30）完成，该层堆积完成，随着自耗等离子发生器（9）不断的将熔滴滴入和闪光焊块（27）的不断粘结，成型坯料（11）的形状及尺寸不断逐层接近待加工大型金属合金薄壁件的设计形状，最终形成完整的成型坯料（11）。

2.如权利要求1所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于：所述初始打印体（26）、闪光焊块（27）以及自耗金属丝（10）与待打印的大型金属合金薄壁件的成分相同。

3.如权利要求1所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于：每层中所述闪光焊块（27）的高度高于同层的堆积峰（33）的高度。

4.如权利要求1所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于：定义自耗金属丝（10）的熔池半径为R，待加工的大型金属合金薄壁件的外侧设计形状（29）与闪光焊块（27）内侧的距离为d，为加工余量，且满足-R<d<R，每层的堆积层自耗金属丝轨迹线（30）与上一层的堆积层自耗金属丝轨迹线（30）为交替关系，即该层的该位置为堆积峰（33），则下一层的该位置为堆积谷（34），因此，在使用所述自耗等离子发生器（9）进行自耗金属丝（10）的堆积的过程中，上层堆积的熔化后的自耗金属丝（10）将下层的堆积谷（34）填满并形成堆积峰（33）。

5.如权利要求1所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于：所述闪光焊机械手（22）受主控制系统（19）的控制具有移动功能，同时具备将闪光焊块（27）通过闪光焊的方式排列到成型坯料（11）边缘的功能。

6.如权利要求1所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型方法，其特征在于，所述方法还包括：当形成完整的成型坯料（11）后通过精密加工的方式去除成型坯料（11）表面形状不规则部分，实现大型金属合金薄壁件的成型。

7.一种大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，其特征在于：包括主动力系统（16），所述主动力系统（16）的动力输出端设置有主升降旋转柱（15），所述主升降旋转柱（15）上设置有水平基台（14），所述水平基台（14）用于放置初始打印体（26）；所述水平基台（14）的一侧设置有外侧电磁约束器系统，所述外侧电磁约束器系统包括第一机械运动装置（3），所述第一机械运动装置（3）上设置有第一机械升降柱（2），所述第一机械升降柱（2）上设置有第一机械控制装置（1），所述第一机械控制装置（1）的动力输出端设置有第一机械臂（4），所述第一机械臂（4）的上端设置有第一机械手（5），所述第一机械手（5）上设置有第一电磁约束器组件；所述水平基台（14）的上方设置有结构与所述外侧电磁约束器系统结构相同的内侧电磁约束器系统；

所述水平基台（14）的上方设置有自耗等离子发生器（9），所述自耗等离子发生器（9）内设置有自耗金属丝（10），等离子发生器电源（25）用于为所述等离子发生器提供工作电源，所述水平基台（14）的一侧还设置有闪光焊机械手（22）和闪光焊机械手驱动装置，所述主动力系统（16）、第一机械运动装置（3）、等离子发生器电源（25）以及闪光焊机械手驱动装置受控于主控制系统（19），用于在主控制系统（19）的控制下进行动作。

8.如权利要求7所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，其特征在于：所述第一电磁约束器组件包括若干根一端与所述第一机械手（5）连接的伸缩杆（21），每根所述伸缩杆（21）的自由端设置有一个旋转驱动装置（20），所述旋转驱动装置（20）的动力输出端通过旋转接头（20-3）与电磁约束器（7）连接，所述电磁约束器用于对熔化后的自耗金属丝（10）进行约束，所述伸缩杆（21）以及所述旋转驱动装置（20）在所述主控制系统的控制下进行运动。

9.如权利要求8所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，所述电磁约束器（7）包括约束器外壳，所述约束器外壳内设置有电磁感应线圈（7-1），所述电磁感应线圈（7-1）缠绕到支撑棒（7-2）上，所述电磁感应线圈（7-1）的外侧设置有保温层（7-3），且所述保温层（7-3）内设置有水冷通道，电磁约束器水冷管道（17）用于为所述水冷通道提供冷却用水，电磁约束器电源线（18）用于为所述电磁感应线圈提供电源，所述约束器外壳的两端分别设置有一个第一位置探测器（7-4），所述第一位置探测器（7-4）与所述主控制系统的信号输入端连接，用于防止电磁约束器（7）与成型坯料（11）边缘接触，且所述电磁约束器水冷管道（17）上设置有电磁阀，用于控制所述电磁约束器水冷管道是否接通冷却水，所述电磁阀以及电磁约束器电源受控于所述主控制系统，用于在所述主控制系统的控制下进行工作。

10.如权利要求9所述的大型金属合金薄壁件的3D粗成型系统，其特征在于：所述自耗等离子发生器（9）上设置有第二位置探测器（8），第二位置探测器（8）用于反馈等离子发生器（9）与成型坯料（11）顶端的距离，并将采集的信息传送给主控制系统（19），主控制系统（19）根据第二位置探测器（8）采集的信息调整自耗等离子发生器（9）的送丝速度。

Images