CN111906431A - 一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法 - Google Patents

一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法,集成可伸缩轧辊和搅拌摩擦加工装置,工作时由轧辊夹持被加工增材部件,使搅拌针在一定转速下对增材制造部件顶层进行搅拌加工。本发明在使用搅拌摩擦加工工艺解决增材制造部件中的缺陷、细化增材部件组织内部晶粒尺寸,具有结构简单,工艺可控,对被加工部件可起到消除缺陷、优化组织的效果,适用于铝、钛、镁合金的增等材一体加工中。

Description

一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法
技术领域
本发明属于属于机械加工技术领域,尤其涉及一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法。
背景技术
搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)技术是在搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding,FSW)技术的基础上发展而来的一种用于改善材料微观组织的新型固相加工技术。搅拌摩擦加工的基本原理与搅拌摩擦焊十分相似,将由搅拌针和轴肩组成的旋转的搅拌工具压入待加工材料中,以一定的行走速度沿设定好的加工路径移动,以覆盖需要加工的区域。在搅拌摩擦加工过程中,旋转的搅拌工具中的轴肩和搅拌针分别主要引起摩擦产热和塑性变形,使加工区域内的材料发生强烈的塑性形变和动态再结晶,从而产生细小且等轴的重结晶颗粒,获得更加匀质化、致密化的微观组织。FSP目前已经在材料力学性能优化、超塑性成型研究、表面复合材料制备及超细晶材料制备等方面展开了应用并取得良好效果。
该技术优势主要有:(1)加工后的材料变形小,残余应力低。FSP技术是一种固相加工技术,热输入较低,能量利用率更高,加工区域内的温度始终保持在母材基体的熔化温度以下,因此加工后材料的变形较小,残余应力较低;(2)消除材料微观组织中的结构缺陷及成分偏析,细化晶粒,获得均匀致密的微观组织。FSP引起的强烈的塑性变形可以消除材料内的孔隙,并且打碎材料中较大的第二相颗粒,使其重新均匀分布在基体中,同时在热-力的共同作用下加工区域内发生动态再结晶产生细小的等轴晶颗粒,晶粒尺寸明显降低,这些现象在多道FSP时尤为明显;(3)改善材料的力学性能。经过FSP的材料的力学性能,尤其是延伸性及疲劳寿命均获得显著提高;(4)加工方式灵活,不会改变材料尺寸。FSP可以通过改变加工工具的长度来调节加工区域的深度,可以通过优化加工工具设计、调节加工参数及添加主动加热/冷却来控制加工区域内的微观组织结构和力学性能,且几乎不会改变被加工材料的尺寸;(5)绿色环保。FSP的热输入来自摩擦产热和塑性变形,在加工过程中不会产生有害的气体、辐射和噪音。
电弧增材制造有着熔敷效率高等优点,在制造业领域有着良好的前景。然而电弧增材制造部件也存在着一些缺陷,如裂纹、气孔和晶粒粗大等问题。因此基于搅拌摩擦加工材料优化方式被引入到增等材一体加工中。
发明内容
本发明的目的是为了解决电弧增材制造中部件所产生的裂纹、气孔和层间熔合不良等缺陷,同时针对钛合金等材料在增材制造过程中形成的较大晶粒,提供一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法,可以起到细化晶粒的作用。
为了实现上述目的,
一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备包括:搅拌装置、跟踪装置、夹持装置、电弧增材制造焊枪。搅拌装置和夹持装置协同工作完成对部件的搅拌摩擦加工工作。电主轴两侧安装有RV减速器,使电主轴外部连接在机器人第六轴末端,叉形支架套在电主轴固定环外侧,使整个夹持装置与搅拌装置保持固定。跟踪装置被伺服电机驱动经传动齿轮控制旋转角度,压力检测装置和压力环配合检测搅拌摩擦加工的实时压力,工作时搅拌针插入增材制造部件进行搅拌摩擦加工。轧辊架安装叉形支架底部两侧,压力仓对轧辊轴承提供向中心的压力,使其对被加工部件始终处于压紧固定状态。轧辊轴承套在轧辊轴上,两侧被定位轴套所固定。工作时,加工增材部件被双侧轧辊轴承夹紧,轧辊随着机器人运动而转动,对被加工增材部件进行搅拌摩擦加工。
本发明还提供一种基于智能搅拌的增等材融合制造的方法,其主要实施步骤是:
步骤一:通过增材制造分层切面软件设定好焊接机器人的轨迹路径,搅拌摩擦加工机器人的加工轨迹由跟踪装置反馈给控制器进行规划控制,使搅拌摩擦加工装置尾随焊接机器人增材制造形成的焊缝。
步骤二;根据所加工部件的材料及层厚设定搅拌摩擦加工的参数:
增材制造被加工部件材料为铝合金时:主轴转速400-2000r/min,前进速度50-500mm/min,搅拌针倾角0-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为镁合金时:主轴转速1200-1500r/min,前进速度50-100 mm/min,搅拌针倾角2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为钛合金时:主轴转速200-300r/min,前进速度20-60mm/min,搅拌针倾角1.5-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
步骤三:完成一层增材及搅拌摩擦加工后,从下一层起点重复相同的操作,搅拌摩擦加工的参数应与增材制造部件特征相匹配。
本发明具有以下优点:
一、所述设备及方法结构简单、安装方便且成本较低,通过机器人协作,可以完成薄壁型增材制造部件的一体化智能搅拌的增等材融合制造。以达到消除缺陷和细化晶粒等作用,初步解决了增材制造部件使用性能较差的问题。
二、本发明区别于台式搅拌摩擦焊设备,将夹紧部件集成在一套加工装置中,以轧辊的形式完成对被加工部件的紧密固定,比传统搅拌摩擦加工方法更灵活、简便。
三、本发明提出一种轧辊限制多自由度的搅拌摩擦加工方式,搅拌针对材料顶层中心区域加工可起到消除缺陷和细化晶粒等作用,轧辊夹紧增材部件可提升材料的致密度,通过形变强化提升材料性能。
由于此种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法效果明显,加工效率高、成本低和集成化程度高,同时工艺参数广泛、适应能力强,因此可以应用到多种材料的搅拌摩擦加工中,如铝合金、镁合金和钛合金等。
附图说明
图1为一种基于智能搅拌的增等材融合制造方法的工作原理图;
图2为智能搅拌的增等材融合制造装置结构示意图;
图3a为搅拌摩擦加工装置的主视图;
图3b为搅拌摩擦加工装置的左视图;
图3c为搅拌摩擦加工装置的局部剖面图;
图4为搅拌摩擦加工装置的结构装配图。
具体实施方式
如图1至4所示,本发明提供一种基于智能搅拌的增等材融合制设备包括:搅拌装置 1、跟踪装置2、夹持装置3、电弧增材制造焊枪4、被加工部件5。搅拌装置1和夹持装置3协同工作完成对部件的搅拌摩擦加工工作。电主轴1-1两侧安装有RV减速器,使电主轴外部连接在机器人第六轴末端,叉形支架3-1套在电主轴固定环1-2外侧,使整个夹持装置3与搅拌装置1保持固定。跟踪装置2被伺服电机驱动经传动齿轮1-3控制旋转角度,压力检测装置1-4和压力环1-5配合检测搅拌摩擦加工的实时压力,工作时搅拌针 1-6插入增材制造部件进行搅拌摩擦加工。轧辊架3-5安装叉形支架3-1底部两侧,压力仓3-6对轧辊轴承3-2提供向中心的压力,使其对被加工部件5始终处于压紧固定状态。轧辊轴承3-2套在轧辊轴3-3上,两侧被定位轴套3-4所固定。工作时,加工增材部件5 被双侧轧辊轴承3-2夹紧,轧辊随着机器人运动而转动,对被加工增材部件进行搅拌摩擦加工。
作为优选,轧辊轴承3-2等夹紧装置的夹紧力由3-6压力仓提供,压力来源根据被加工材料的加工条件可选用弹簧、液压和气压装置。
作为优选,轧辊轴承3-2双侧为圆柱面,宽度为8mm,可夹紧2-3个沉积层,以防止搅拌摩擦加工过程中材料的过度变形。
作为优选,搅拌针1-6转速由搅拌摩擦加工电主轴1-1控制,搅拌针前进速度、下压深度和搅拌针倾角均由机器人控制。
本发明还提供一种基于智能搅拌的增等材融合制造的方法,其主要实施步骤是:
步骤一:通过增材制造分层切面软件设定好焊接机器人的轨迹路径,搅拌摩擦加工机器人的加工轨迹由跟踪装置反馈给控制器进行规划控制,使搅拌摩擦加工装置尾随焊接机器人增材制造形成的焊缝。
步骤二;根据所加工部件的材料及层厚设定搅拌摩擦加工的参数:
增材制造被加工部件材料为铝合金时:主轴转速400-2000r/min,前进速度50-500mm/min,搅拌针倾角0-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为镁合金时:主轴转速1200-1500r/min,前进速度50-100 mm/min,搅拌针倾角2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为钛合金时:主轴转速200-300r/min,前进速度20-60mm/min,搅拌针倾角1.5-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
步骤三:完成一层增材及搅拌摩擦加工后,从下一层起点重复相同的操作,搅拌摩擦加工的参数应与增材制造部件特征相匹配。
所述基于智能搅拌的增等材融合制造方法,由多机器人协同工作,一台焊接机器人完成电弧增材部件的制造过程,另一台安装有搅拌摩擦加工装置的机器人对已完成的增材部件进行加工强化。
焊接机器人自动分层切片目标增材部件并进行路径规划,搅拌摩擦加工机器人通过路径检测装置识别并反馈数据给机器人控制器,使搅拌摩擦加工路径严格按照焊缝轨迹中心工作。
焊接机器人完成增材制造部件在进行每一层焊缝后,搅拌摩擦加工机器人紧随焊缝进行加工,其中时间间隔不超过30秒,即在部件冷却前进行搅拌摩擦加工处理。
实施例:
本实施案例使用设备包括:一台装有MIG焊枪的六自由度焊接机器人、一台将第六轴末端改造为此搅拌摩擦加工装置的六自由度机器人、一台MIG焊接电源及稳定的送丝装置。实例中增材制造部件的材料选用ER5356铝合金。
具体实施方式一:将增材制造部件基板固定于工作台上,使用机器人示教器设定增材制造的焊枪轨迹和搅拌摩擦加工装置的轨迹。
具体实施方式二:根据铝合金ER5356材料特性,选择焊接电源参数特性:交流100A,送丝速度1.75m/min,行进速度250mm/min。此参数下增材制造部件单壁墙厚度约为8mm,层高约2.5mm。
具体实施方式三:根据实施方式二所述增材制造单壁墙厚度及层高参数,设定搅拌摩擦加工机器人的各项参数:搅拌主轴转速1000r/min,前进速度250mm/min,下压深度3.0mm,搅拌针倾角2.5°
具体实施方式四:根据实施方式一所述方法,增材制造每层沉积后,应尽快完成搅拌摩擦加工,一般两者间隔不超过30秒。
具体实施方式五:每一个沉积层完成之后,焊接机器人移动焊枪至一侧等候搅拌摩擦加工完成后再进行下一层制造与加工。
具体实施方式六:根据具体实施方式五所述过程,一个沉积层完成加工之后,实验人员需检查被加工部件表面是否存在毛刺飞边等加工缺陷。依次完成增材部件的每一层的沉积与搅拌摩擦加工。

Claims (5)

1.一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备,其特征在于,包括:搅拌装置、跟踪装置、夹持装置、电弧增材制造焊枪。搅拌装置和夹持装置协同工作完成对部件的搅拌摩擦加工工作;电主轴两侧安装有RV减速器,使电主轴外部连接在机器人第六轴末端,叉形支架套在电主轴固定环外侧,使整个夹持装置与搅拌装置保持固定。跟踪装置被伺服电机驱动经传动齿轮控制旋转角度,压力检测装置和压力环配合检测搅拌摩擦加工的实时压力,工作时搅拌针插入增材制造部件进行搅拌摩擦加工;轧辊架安装叉形支架底部两侧,压力仓对轧辊轴承提供向中心的压力,使其对被加工部件始终处于压紧固定状态;轧辊轴承套在轧辊轴上,两侧被定位轴套所固定;工作时,加工增材部件被双侧轧辊轴承夹紧,轧辊随着机器人运动而转动,对被加工增材部件进行搅拌摩擦加工。
2.如权利要求1所述的基于智能搅拌的增等材融合制造设备,其特征在于,轧辊轴承双侧为圆柱面,宽度为8mm,可夹紧2-3个沉积层,以防止搅拌摩擦加工过程中材料的过度变形。
3.如权利要求1所述的基于智能搅拌的增等材融合制造设备,其特征在于,,搅拌针转速由搅拌摩擦加工电主轴控制,搅拌针前进速度、下压深度和搅拌针倾角均由机器人控制。
4.一种基于智能搅拌的增等材融合制造的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:通过增材制造分层切面软件设定好焊接机器人的轨迹路径,搅拌摩擦加工机器人的加工轨迹由跟踪装置反馈给控制器进行规划控制,使搅拌摩擦加工装置尾随焊接机器人增材制造形成的焊缝。
步骤二;根据所加工部件的材料及层厚设定搅拌摩擦加工的参数:
增材制造被加工部件材料为铝合金时:主轴转速400-2000r/min,前进速度50-500mm/min,搅拌针倾角0-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为镁合金时:主轴转速1200-1500r/min,前进速度50-100mm/min,搅拌针倾角2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
增材制造被加工部件材料为钛合金时:主轴转速200-300r/min,前进速度20-60mm/min,搅拌针倾角1.5-2.5°,下压量等于增材部件每一层的厚度;
步骤三:完成一层增材及搅拌摩擦加工后,从下一层起点重复相同的操作,搅拌摩擦加工的参数应与增材制造部件特征相匹配。
5.如权利要求1所述的基于智能搅拌的增等材融合制造的方法,其特征在于,由多机器人协同工作,一台焊接机器人完成电弧增材部件的制造过程,另一台安装有搅拌摩擦加工装置的机器人对已完成的增材部件进行加工强化;焊接机器人自动分层切片目标增材部件并进行路径规划,搅拌摩擦加工机器人通过路径检测装置识别并反馈数据给机器人控制器,使搅拌摩擦加工路径严格按照焊缝轨迹中心工作;焊接机器人完成增材制造部件在进行每一层焊缝后,搅拌摩擦加工机器人紧随焊缝进行加工,其中时间间隔不超过30秒,即在部件冷却前进行搅拌摩擦加工处理。
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