CN112355435A - 一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法。具体包括以下步骤：利用solidworks软件进行模型建立，由计算机软件生成增材制造路径；固定和清理基板，打开增材制造机器人系统的开关；使用增材制造机器人系统在基板上进行增材制造，在工作台上添加侧面约束装置，使熔池在侧面约束装置的约束下成形；且每一层增材制造机器人增材完成后，由激光加工机器人进行重熔加工，提高增材制造表面精度。本发明采用增材制造机器人与激光加工机器人协同工作的增材制造方式，激光加工机器人重熔改善增材样件表面的搭接痕迹的方法，可以有效提高电弧增材表面的精度，提高增材制造效率。

Description

一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法。
背景技术
增材制造技术是根据CAD/CAM设计，采用逐层累积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，是一种材料累积的制造方法，金属材料的增材制造过程一般使用的热源有高能束流和电弧。
在电弧增材制造过程中，由于电弧熔池体积较大，加上电弧吹力、电源特性等多种因素的存在，使熔池成为一个不稳定的系统。会导致增材制造表面形状不均匀，增材焊缝道与道之间由于不能充分熔合，也会出现明显的搭接痕迹，致使增材样件的表面精度较差。且随着增材制造过程的进行，样件的高度不断增加，散热条件变差，熔池的流动性、铺展能力增强，更容易出现金属流淌现象。在此背景下，需要发明一种提高增材表面精度的方法，来保证增材制造样件表面的精度。
专利号为CN105312570A发明了一种用于零件和模具的增量制造方法，专利号为CN102896173A发明了一种用于增材制造的变胞成形装置，在熔化沉积成形的同时利用旋转压头对即将凝固区域的金属进行旋转压缩加工，以提高成形的精度，但是旋转压头需要采用加压机构，所需要的结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高电弧增材表面精度的增材系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高电弧增材表面精度的增材系统，包括增材制造机器人，激光加工机器人和控制系统；
所述增材制造机器人用于增材制造；
所述激光加工机器人包括扫描机构，通过扫描机构对某层增材表面三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到控制系统中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径，激光加工机器人根据生成的移的路径对增材过的焊缝进行重熔加工。
进一步的，所述扫描机构为CCD相机，所述CCD相机固定在激光加工机器人的手臂上。
进一步的，还包括侧面约束成形装置，增材制造过程中，侧面约束装置始终与增材制造熔池的侧面保持充分接触，使熔池在装置的约束下凝固成形。
进一步的，所述侧面约束成形装置包括夹具和成形模具，使用夹具将侧面约束成形模具固定在工作台上。
一种利用上述的系统进行增材的方法，增材制造机器人在完成一层增材制造成形后，扫描机构对增材过的一层焊缝的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到计算机中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径；激光加工机器人根据生成的移动路径对增材过的焊缝进行重熔加工；重复上述步骤，直至增材制造样件的完成。
所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：根据待增材样件的外观几何尺寸，使用SolidWorks软件进行三维模型的建立，导入到计算机软件中并生成增材制造路径；
步骤(2)：打开增材制造机器人系统设备的开关，打开激光加工机器人系统设备的开关，打开保护气，清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤(3)：使用夹具将侧面约束成形模具固定在工作台上，调整侧面约束成形装置的位置，侧面约束装置始终与增材制造熔池的侧面保持充分接触；根据需要增材成形样件的材料、形状尺寸选择合适的工艺参数；
步骤(4)：增材制造机器人在基板上完成一层增材制造成形后，将机器人手臂移动到安全点；
步骤(5)：将CCD相机固定在激光加工机器人手臂上；随着激光加工机器人手臂的移动，CCD相机对基板上增材过的一层焊缝的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到计算机中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径；
步骤(6)：激光加工机器人根据步骤(5)生成的移动路径对增材过的焊缝进行重熔加工，消除表面道与道之间的搭接痕迹或者其他原因造成的不平整，提高表面的精度，将激光加工机器人手臂移动到安全点位置；
步骤(7)：等待增材样件冷却到80-120℃，增材制造机器人根据增材路径进行下一层增材制造；
步骤(8)：重复步骤(4)至步骤(7)，直至增材制造样件的完成；
步骤(9)：关闭保护气以及增材制造系统和激光加工机器人系统，待基板完全冷却后，松开柔性固定装置，松开侧面约束成形装置，取下基板以及增材成型件。
进一步的，所述保护气为氩氧气：98.5％Ar+1.5％O2。
进一步的，所述焊丝为316L不锈钢焊丝，增材制造时送丝速度为6.5m/min、焊接速度为5mm/s、保护气体流量25L/min。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明采用增材制造机器人与激光加工机器人协同工作的增材制造方式，激光加工机器人重熔改善增材样件表面的搭接痕迹的方法，可以有效提高电弧增材表面的精度，提高增材制造效率。
(2)本发明采用侧面约束成形装置约束样件的侧面成形，进一步的提高增材制造的表面精度和效率。
附图说明
图1为本发明的增材系统整体示意图。
附图标记说明：
1-增材制造机器人，2-侧面约束成形装置，3-增材样件，4-基板，5-工作台，6-激光加工机器人。
具体实施方式
为了使本发明的为了使本发明的目的、方案及优点更加清晰明了，以下结合整体示意图以及具体实施方式，对本发明详细说明。下面讲述的具体实施方式仅仅用来解释本发明，本发明并不限定该一种应用途径。
如图1所示，一种提高电弧增材表面精度的方法，它是按照如下步骤进行的：
采用CMT增材制造系统，所用焊丝为316L不锈钢焊丝，其直径为1.0mm；基板为6mm厚的304不锈钢基板；保护气为氩氧气：98.5％Ar+1.5％O2；
步骤1：根据待增材样件的外观几何尺寸，使用SolidWorks软件进行三维模型的建立，导入到计算机软件中并生成增材制造路径；
步骤2：打开增材制造机器人系统设备的开关，打开激光加工机器人系统设备的开关，打开保护气。清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤3：使用夹具将侧面约束成形模具固定在工作台上，设置CMT增材制造参数，送丝速度为6.5m/min、焊接速度为5mm/s、保护气体流量25L/min；
步骤4：增材制造机器人在基板上完成一层增材制造成形后，将机器人手臂移动到安全点；
步骤5：将CCD相机固定在激光加工机器人手臂上。随着激光加工机器人手臂的移动，CCD相机对基板上增材过的一层焊缝的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到计算机中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径；
步骤6：激光加工机器人根据步骤5生成的移动的路径对增材过的焊缝进行重熔加工，消除表面道与道之间的搭接痕迹或者其他原因造成的不平整，提高表面的精度，将激光加工机器人手臂移动到安全点位置；
步骤7：等待增材样件冷却到100℃，则增材制造机器人根据增材路径进行下一层增材制造。
步骤8：重复步骤4至步骤7，直至增材制造样件的完成。
步骤9：关闭保护气以及增材制造系统和激光加工机器人系统，待基板完全冷却后，松开柔性固定装置，松开侧面约束成形装置，取下基板以及增材成型件。
本发明解决了金属电弧增材制造成形件表面精度不高，增材焊缝道与道之间有搭接痕迹，需要经过铣、削等多道加工工序，导致材料利用率低的技术问题，同时由于省去了加工时间，也间接提高了增材制造的效率。

Claims (8)

1.一种提高电弧增材表面精度的增材系统，其特征在于，包括增材制造机器人(1)，激光加工机器人(6)和控制系统；
所述增材制造机器人(1)用于增材制造；
所述激光加工机器人(6)包括扫描机构，通过扫描机构对某层增材表面三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到控制系统中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径，激光加工机器人(6)根据生成的移动路径对增材过的焊缝进行重熔加工。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描机构为CCD相机，所述CCD相机固定在激光加工机器人(6)的手臂上。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括侧面约束成形装置，增材制造过程中，侧面约束装置始终与增材制造熔池的侧面保持充分接触，使熔池在装置的约束下凝固成形。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述侧面约束成形装置包括夹具和成形模具，使用夹具将侧面约束成形模具固定在工作台上。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的系统进行增材的方法，其特征在于，增材制造机器人(1)在完成一层增材制造成形后，扫描机构对增材过的一层焊缝的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到计算机中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径；激光加工机器人(6)根据生成的移动路径对增材过的焊缝进行重熔加工；重复上述步骤，直至增材制造样件的完成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：根据待增材样件的外观几何尺寸，使用SolidWorks软件进行三维模型的建立，导入到计算机软件中并生成增材制造路径；
步骤(2)：打开增材制造机器人系统设备的开关，打开激光加工机器人系统设备的开关，打开保护气，清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤(3)：使用夹具将侧面约束成形模具固定在工作台上，调整侧面约束成形装置的位置，侧面约束装置始终与增材制造熔池的侧面保持充分接触；根据需要增材成形样件的材料、形状尺寸选择合适的工艺参数；
步骤(4)：增材制造机器人在基板上完成一层增材制造成形后，将机器人手臂移动到安全点；
步骤(5)：将CCD相机固定在激光加工机器人手臂上；随着激光加工机器人手臂的移动，CCD相机对基板上增材过的一层焊缝的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入到计算机中，分析该层的表面精度，生成对应的激光加工机器人的移动路径；
步骤(6)：激光加工机器人根据步骤(5)生成的移动路径对增材过的焊缝进行重熔加工，消除表面道与道之间的搭接痕迹或者其他原因造成的不平整，提高表面的精度，将激光加工机器人手臂移动到安全点位置；
步骤(7)：等待增材样件冷却到80-120℃，增材制造机器人根据增材路径进行下一层增材制造；
步骤(8)：重复步骤(4)至步骤(7)，直至增材制造样件的完成；
步骤(9)：关闭保护气以及增材制造系统和激光加工机器人系统，待基板完全冷却后，松开柔性固定装置，松开侧面约束成形装置，取下基板以及增材成型件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述保护气为氩氧气：98.5％Ar+1.5％O2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述焊丝为316L不锈钢焊丝，增材制造时送丝速度为6.5m/min、焊接速度为5mm/s、保护气体流量25L/min。
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