CN113477944A - 用于增材产品的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于增材产品的表面处理方法，属于表面处理技术领域。该方法将增材过程与重熔抛光相结合，在增材加工的过程中进行重熔抛光，并通过划分表面粗糙度区域，在不同的区域采用不同的加工电流。本发明通过在增材加工的过程中进行重熔抛光降低了后续增材零件表面铣削加工量，并且可以在一些复杂零件的内表面，拐点处以及凹槽处等一些后加工难以接触到的部位刚增材加工生成，还未构建后续的产品结构，在复杂部位被隐藏前即可进行重熔抛光，还能够使得不同区域的表面粗糙度情况与等离子重熔电流相匹配，有效改善了在增材件表面低粗糙度区域采用大电流会产生熔坑，以及在高粗糙度区域电流较小抛光不充分的问题。
Description
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，具体是用于增材产品的表面处理方法。
背景技术
由于在电弧增材过程中热累积严重，熔池难以凝固，熔滴飞溅大，使得成型表面质量较差，造成增材件的表面粗糙度较大。零件的表面粗糙度与其使用寿命及性能密切相关，零件表面粗糙度大会使其耐腐蚀性，耐磨性以及疲劳强度变差，所以对于电弧增材件需要进行表面加工以减小其表面粗糙度。
目前，减小电弧增材件表面粗糙度通常采用后处理抛光方法，常见的方法有手工抛光，喷砂、磨削抛光，电化学抛光，激光抛光和磨粒流抛光等。
增材制造金属零件目前仍大量采用手工抛光，人工机械抛光具有成本低的优点，但是其抛光质量十分依赖操作者的技术水平，一致性较差，而且抛光过程中产生的粉尘会严重危害操作者的健康。喷砂、磨削抛光对于复杂件内曲面难以抛光，一般只能用于表面的抛光处理。电化学抛光通过电化学反应实现抛光，具有很好的加工可达性，并且因其没有机械力作用，十分适合抛光弱刚性材料，但是电化学抛光溶液通常采用酸性溶液，其环保排放问题难以解决。激光抛光是利用激光加热使零件熔化产生熔池，熔池的表面张力和重力会使液态金属流动，随后快速凝固可以获得较为光滑的表面，激光抛光灵活性高，对环境污染较低，并且不直接接触工件，但是激光设备十分昂贵，成本较高，难以普及应用。磨粒流抛光是使用弹性磨料介质在液压驱动下，通过夹具与工件表面构成的流道在工件表面往复流动，对待加工表面材料进行微量去除，实现抛光等加工，该加工方法可达性高，适合对复杂内腔抛光，但是其对工件表面压力较大，不适合对薄壁低刚度零件抛光。
等离子重熔抛光是随着等离子技术的发展而出现的一种材料表面处理技术，其机理是利用电弧的弧压最小值原理，当等离子弧聚焦与工件表面时，表面凸起的峰尖先发生气体电离，等离子体也优先存在于这些部位，这些凸起的部位会先于凹下的部位发生熔化、蒸发。在熔化的过程中，熔化的金属会向曲率低的地方流动，从而使金属表面平整。同时，固液界面处以很快的速度凝固，最终获得光滑平整的表面。
但是，对于电弧增材件采用后处理抛光，会使生产效率降低，生产成本增加。并且对于一些复杂零件的内表面，拐点处以及凹槽处等，在增材完成后，抛光设备难以到达这些部位进行加工，使得减小这些部位粗糙度的难度大大提高。
同时，对于电弧增材件来说，其表面粗糙度较不均匀，在起弧熄弧以及转折、搭接处表面粗糙度较大，在稳定增材处表面粗糙度相对较小，如果在这些不同的地方采用相同的功率密度和扫描速度，对于表面粗糙度较大的部位处理不充分，对于表面粗糙度较小的部位功率过大，会使工件表面熔蚀产生熔坑，使表面粗糙度恶化。
发明内容
发明目的：提供用于增材产品的表面处理方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：用于增材产品的表面处理方法包括：S1. 使用三维建模软件建立待加工零件的三维模型，获得三维模型文件。
S2. 使用增材软件将零件的三维模型进行切片处理，获得增材加工路径，并在增材过程件需要进行重熔抛光处插入切断程序以切断增材过程。
S3. 设置增材工艺参数，机器人增材系统使用增材设备依据软件规划的增材路径在预定位置进行逐层增材制造，在增材加工过程中运行到切断点时，增材加工过程停止，机器人增材系统使用重熔抛光设备进行重熔抛光处理。
S4. 使用视觉设备扫描待重熔表面的三维轮廓，并导入机器人增材系统中分析表面粗糙度情况，机器人增材系统根据待重熔表面不同的粗糙度数值大小划分区域。
S5. 根据S4扫描得到的三维轮廓以及划分的粗糙度区域，分析设定重熔抛光设备的扫描路径，并设置重熔抛光设备的重熔抛光工艺参数。
S6. 根据S5中设定的重熔抛光设备扫描路径和重熔抛光工艺参数，采用重熔抛光设备对增材过程件表面扫描进行重熔加工，重熔加工完成后，待增材过程件冷却至90℃至110℃，再次使用增材设备继续进行零件的增材加工。
S7.重复S4至S6直至完成零件的增材加工和重熔抛光加工。
在进一步的实施例中，在S5中：（1）设定重熔抛光设备的扫描顺序为先扫描粗糙度高的区域，后扫描粗糙度低的区域。
（2）根据区域粗糙度高低设定重熔抛光设备功率，重熔抛光设备在表面粗糙度高区域的功率大于表面粗糙度低区域的功率，通过先扫描粗糙度高的区域，后扫描粗糙度低的区域，并使重熔抛光设备在表面粗糙度高区域的功率大于表面粗糙度低区域的功率，能够避免相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域受热扩散的影响再次进行重熔加工，导致了相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域表面粗糙度在预期范围外，以及表面粗糙度高的区域与表面粗糙度低的区域之间存在多次重熔引发的过渡带痕迹的问题。
其中所述重熔抛光设备为等离子弧重熔抛光设备或激光重熔抛光设备。
所述增材制造为电弧熔丝增材或激光增材。
在进一步的实施例中，在重熔抛光加工的过程中，通过机器人增材系统的变位机将增材过程件旋转变位至待重熔表面水平向上，使得待重熔表面与重熔抛光设备呈预定夹角状态。
在进一步的实施例中，待重熔表面为零件的内表面和/或外表面。
在进一步的实施例中，增材制造是MIG/MAG增材，TIG增材，CMT增材，SLM和SLS中的任意一种。
在进一步的实施例中，所述重熔抛光使用的等离子热源是微束等离子弧，此外也可采用激光作为重熔热源。重熔抛光使用的热源若是等离子弧热源则采用微束等离子弧，采用微束等离子弧，在小的焊接电流下依然可以保持焊接电弧的稳定，并且为非接触式抛光，既可以抛光厚壁工件，也十分适合于薄壁低刚度零件的重熔抛光。
在进一步的实施例中，重熔抛光使用的等离子弧是转移型等离子弧，等离子气和保护气均采用Ar气。
在进一步的实施例中，等离子弧喷嘴距工件表面高度为2-10mm，喷嘴直径为1-4mm，电流为10-40A，扫描速度为1-10mm/s，离子气流量为0.5-1.5L/min,保护气流量为10-25L/min。
在进一步的实施例中，在S4中，获得表面粗糙度数值的方法采用数字全息法，采用激光光源照射增材件表面，反射光和参考光发生干涉，CCD相机记录干涉条纹，并利用计算机对其数值重建获得相位和光强信息，构造出被测样品表面的三维数字图形，进而计算得出三维表面粗糙度。
在进一步的实施例中，在加工过程中采用红外测温仪测量增材件表面温度，避免温度过高。
当检测到温度过高时，则停止加工过程，待增材件冷却至预定温度时再继续加工。
在进一步的实施例中，机器人增材系统包括：工业机器人。
快换装置，与工业机器人连接。
增材设备，与快换装置可拆卸连接。
重熔抛光设备，与快换装置可拆卸连接。
当执行增材加工时，增材设备通过快换装置与工业机器人连接，重熔抛光设备与快换装置分离，工业机器人带动增材设备执行增材加工。
当执行重熔抛光加工时，重熔抛光设备通过快换装置与工业机器人连接，增材设备与快换装置分离，工业机器人带动增材设备执行重熔抛光加工。
有益效果：本发明公开了用于增材产品的表面处理方法，（1）该方法将电弧增材过程与重熔抛光相结合，降低了后续增材零件表面铣削加工量，提高增材制造效率，降低制造成本。
（2）该方法在增材过程进行重熔抛光，可以在一些复杂零件的内表面，拐点处以及凹槽处等一些后加工难以接触到的部位刚增材加工生成，还未构建后续的产品结构，在复杂部位被隐藏前即可进行重熔抛光，十分方便快捷。
（3）本发明通过划分表面粗糙度区域，在不同的区域采用不同的加工电流，使得不同区域的表面粗糙度情况与等离子重熔电流相匹配，有效改善了在电弧增材件表面低粗糙度区域采用大电流会产生熔坑，以及在高粗糙度区域电流较小抛光不充分的问题，可以显著提高抛光的效果和精度。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明的机器人增材系统示意图。
图1至图2所示附图标记为：控制系统1、工业机器人2、快换装置3、增材设备4、重熔抛光设备5、视觉设备6、增材基板7、变位机8、增材过程件9。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本申请公开了一种用于增材产品的表面处理方法，通过在增材加工的过程中使用重熔抛光，能够降低后处理存在的表面铣削加工量，还能够对成型的复杂零件的内表面，拐点处以及凹槽处等一些部位进行后处理，以及能够避免表面出现熔坑等表面粗糙度恶化的问题。
用于增材产品的表面处理方法是基于机器人增材系统实现的，该机器人增材系统包括：控制系统1、工业机器人2、增材设备4、重熔抛光设备5、视觉设备6、增材基板7和变位机8。
控制系统1内设置有用于生产的工业软件，通过工业软件控制工业机器人2、增材设备4和重熔抛光设备5进行增材加工和重熔抛光加工。
至少一个工业机器人2，至少能够做三轴运动，作为优选方案，工业机器人2可以选用六轴机器人。
增材设备4是电弧增材枪体等用于金属增材加工设备中的一种。
重熔抛光设备5是等离子枪体或热熔喷枪等用于融化金属的设备中的一种。
视觉设备6是CCD相机等视觉成像设备中的一种。
变位机8包括升降组件、翻转组件和旋转组件，能够输出升降、旋转和翻转运动力。
增材基板7与变位机8的旋转组件连接，用于支撑增材设备4输出的增材过程件9。
基于机器人增材系统的表面处理方法包括：S1. 使用三维建模软件建立待加工零件的三维模型，获得三维模型文件，其中，三维建模软件是SolidWorks或UG或PRO/E等三维建模软件中的至少一种。
S2. 使用增材软件将零件的三维模型进行切片处理，获得增材加工路径，并在增材过程件9需要进行重熔抛光处插入切断程序以切断增材过程，其中，增材软件是lungoPNT或ansys等增材软件中的一种。
S3. 设置增材工艺参数，机器人增材系统使用增材设备4依据软件规划的增材路径在预定位置进行逐层增材制造，在增材加工过程中运行到切断点时，增材加工过程停止，机器人增材系统使用重熔抛光设备5进行重熔抛光处理，在此实施例中，机器人增材系统使用增材设备4依据软件规划的增材路径在预定位置进行逐层增材制造，可以是在清洁干净固定在变位机8上的增材基板上进行逐层增材制造，也可以是在现有增材过程件上进行逐层增材制造。
S4. 使用视觉设备6扫描待重熔表面的三维轮廓，并导入机器人增材系统中分析表面粗糙度情况，机器人增材系统根据待重熔表面不同的粗糙度数值大小划分区域。
S5. 根据S4扫描得到的三维轮廓以及划分的粗糙度区域，分析设定重熔抛光设备5的扫描路径，并设置重熔抛光设备5的重熔抛光工艺参数。
S6. 根据S5中设定的重熔抛光设备5扫描路径和重熔抛光工艺参数，采用重熔抛光设备5对电弧增材过程件9表面扫描进行重熔加工，重熔加工完成后，待增材过程件9冷却至90℃至110℃，再次使用增材设备4继续进行零件的增材加工，优选的，待增材过程件9冷却至100℃。
S7. 重复S4至S6直至完成零件的增材加工和重熔抛光加工。
工作原理：（1）该方法将电弧增材过程与重熔抛光相结合，降低了后续增材零件表面铣削加工量，提高增材制造效率，降低制造成本。
（2）该方法在增材过程进行重熔抛光，可以在一些复杂零件的内表面，拐点处以及凹槽处等一些后加工难以接触到的部位刚增材加工生成，还未构建后续的产品结构，在复杂部位被隐藏前即可进行重熔抛光，十分方便快捷。
（3）本发明通过划分表面粗糙度区域，在不同的区域采用不同的加工电流，使得不同区域的表面粗糙度情况与等离子重熔电流相匹配，有效改善了在电弧增材件表面低粗糙度区域采用大电流会产生熔坑，以及在高粗糙度区域电流较小抛光不充分的问题，可以显著提高抛光的效果和精度。
在进一步的实施例中，由于不同区域表面粗糙度的不同，导致每个区域在相同参数下得到的表面粗糙度不同，表面粗糙度高的区域需要重熔抛光的时间和温度都要高于表面粗糙度低的区域，若先重熔抛光表面粗糙度低的区域，则在后续重熔抛光表面粗糙度高的区域时，由于重熔抛光的时间长和温度高，存在相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域受热扩散的影响再次进行重熔加工，导致了相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域表面粗糙度在预期范围外，以及表面粗糙度高的区域与表面粗糙度低的区域之间存在多次重熔引发的过渡带痕迹的问题。
为了解决上述问题，在S5中：（1）设定重熔抛光设备5的扫描顺序为先扫描粗糙度高的区域，后扫描粗糙度低的区域。
（2）根据区域粗糙度高低设定重熔抛光设备5功率，重熔抛光设备5在表面粗糙度高区域的功率大于表面粗糙度低区域的功率。
通过先扫描粗糙度高的区域，后扫描粗糙度低的区域，并使重熔抛光设备5在表面粗糙度高区域的功率大于表面粗糙度低区域的功率，能够避免相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域受热扩散的影响再次进行重熔加工，导致了相邻已重熔抛光的表面粗糙度低的区域表面粗糙度在预期范围外，以及表面粗糙度高的区域与表面粗糙度低的区域之间存在多次重熔引发的过渡带痕迹的问题。
优选的，重熔抛光设备为等离子弧重熔抛光设备或激光重熔抛光设备。
增材制造为电弧熔丝增材或激光增材。
在本实施例中，在重熔抛光加工的过程中，通过变位机8将电弧增材过程件9旋转变位至待重熔表面水平向上，使得待重熔表面与重熔抛光设备5呈预定夹角状态。
优选的，使重熔抛光设备5的延伸轴与待重熔表面的中心轴垂直。
优选的，使重熔抛光设备5的延伸轴与水平面垂直，并且重熔抛光设备5的延伸轴穿过待重熔表面的顶端边线与中心轴。
在本实施例中，待重熔表面为零件的内表面和/或外表面。
在进一步的实施例中，增材制造为电弧熔丝增材，激光增材等。
在进一步的实施例中，增材制造是MIG/MAG增材，TIG增材，CMT增材，SLM增材和SLS增材中的任意一种。
在进一步的实施例中，重熔抛光使用的热源是微束等离子弧，或采用激光作为重熔热源。
在进一步的实施例中，重熔抛光使用的等离子弧是转移型等离子弧，等离子气和保护气均采用Ar气。
在进一步的实施例中，在S5中重熔抛光工艺参数包括：等离子弧喷嘴距工件表面高度为2-10mm，喷嘴直径为1-4mm，电流为10-40A，扫描速度为1-10mm/s，离子气流量为0.5-1.5L/min,保护气流量为10-25L/min。
在重熔抛光的过程中，若采用的电流过小，就同时需要采用较慢的扫描速度以保证抛光充分，扫描速度过慢会使重熔抛光效率下降；若采用电流过大，会使重熔过程中热输入增加，液态金属冷却速度变慢，导致重熔效果变差。所以需要采用合适的工艺参数。
优选地，在S5中重熔抛光工艺参数包括：等离子弧喷嘴距工件表面高度为4-7mm，喷嘴直径2-3mm，电流20-35A，扫描速度为4-6mm/s，离子气流量0.8-1L/min，保护气流量15-20L/min。
在进一步的实施例中，在S4中，获得表面粗糙度数值的方法采用数字全息法，采用激光光源照射增材件表面，反射光和参考光发生干涉，CCD相机记录干涉条纹，并利用计算机对其数值重建获得相位和光强信息，构造出被测样品表面的三维数字图形，进而计算得出三维表面粗糙度。
在进一步的实施例中，在加工过程中采用红外测温仪测量增材件表面温度，避免温度过高。当检测到温度过高时，则停止加工过程，待增材件冷却至预定温度时再继续加工。
在进一步的实施例中，若将增材设备4和重熔抛光设备5分别安装在两个工业机器人2上，存在坐标系和位移误差不统一导致增材加工和重熔抛光加工误差量大的问题，而且两个工业机器人2存在生产成本过高的问题。
为了解决上述问题，机器人增材系统包括：一个工业机器人2，与工业机器人2连接的快换装置3，增材设备4与快换装置3可拆卸连接，重熔抛光设备5与快换装置3可拆卸连接。
当执行增材加工时，增材设备4通过快换装置3与工业机器人2连接，重熔抛光设备5与快换装置3分离，工业机器人2带动增材设备4执行增材加工。
当执行重熔抛光加工时，重熔抛光设备5通过快换装置3与工业机器人2连接，增材设备4与快换装置3分离，工业机器人2带动增材设备4执行重熔抛光加工。
在本实施例中，视觉设备6与重熔抛光设备5连接。
通过快换装置3使增材设备4和重熔抛光设备5共用一个工业机器人2，能够使增材设备4和重熔抛光设备5共用一个坐标系和位移误差，在后期调整机器人时能够统一调整位移误差，解决了增材加工和重熔抛光加工误差量大的问题，而且仅使用一个工业机器人2极大的降低了生产成本。
Claims (10)
1.用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，包括：
S1. 使用三维建模软件建立待加工零件的三维模型，获得三维模型文件；
S2. 使用增材软件将零件的三维模型进行切片处理，获得增材加工路径，并在增材过程件需要进行重熔抛光处插入切断程序以切断增材过程；
S3. 设置增材工艺参数，机器人增材系统使用增材设备依据软件规划的增材路径在预定位置进行逐层增材制造，在增材加工过程中运行到切断点时，增材加工过程停止，机器人增材系统使用重熔抛光设备进行重熔抛光处理；
S4. 使用视觉设备扫描待重熔表面的三维轮廓，并导入机器人增材系统中分析表面粗糙度情况，机器人增材系统根据待重熔表面不同的粗糙度数值大小划分区域；
S5. 根据S4扫描得到的三维轮廓以及划分的粗糙度区域，分析设定重熔抛光设备的扫描路径，并设置重熔抛光设备的重熔抛光工艺参数；
S6. 根据S5中设定的重熔抛光设备扫描路径和重熔抛光工艺参数，采用重熔抛光设备对增材过程件表面扫描进行重熔加工，重熔加工完成后，待增材过程件冷却至90℃至110℃，再次使用增材设备继续进行零件的增材加工；
S7.重复S4至S6直至完成零件的增材加工和重熔抛光加工。
2.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
在S5中：（1）设定重熔抛光设备的扫描顺序为先扫描粗糙度高的区域，后扫描粗糙度低的区域；
（2）根据区域粗糙度高低设定重熔抛光设备功率，重熔抛光设备在表面粗糙度高区域的功率大于表面粗糙度低区域的功率；
其中所述重熔抛光设备为等离子弧重熔抛光设备或激光重熔抛光设备；
所述增材制造为电弧熔丝增材或激光增材。
3.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
在重熔抛光加工的过程中，通过机器人增材系统的变位机将增材过程件旋转变位至待重熔表面水平向上，使得待重熔表面与重熔抛光设备呈预定夹角状态。
4.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
待重熔表面为零件的内表面和/或外表面。
5.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
所述增材制造是MIG/MAG增材，TIG增材，CMT增材，SLM和SLS中的任意一种。
6.据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
所述重熔抛光使用的等离子热源是微束等离子弧，或采用激光作为重熔热源。
7.根据权利要求6所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
所述重熔抛光使用的等离子弧是转移型等离子弧，等离子气和保护气均采用Ar气。
8.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，在S5中重熔抛光工艺参数包括：
等离子弧喷嘴距工件表面高度为2-10mm，喷嘴直径为1-4mm，电流为10-40A，扫描速度为1-10mm/s，离子气流量为0.5-1.5L/min,保护气流量为10-25L/min。
9.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
在S4中，获得表面粗糙度数值的方法采用数字全息法，采用激光光源照射增材件表面，反射光和参考光发生干涉，CCD相机记录干涉条纹，并利用计算机对其数值重建获得相位和光强信息，构造出被测样品表面的三维数字图形，进而计算得出三维表面粗糙度；
在加工过程中采用红外测温仪测量增材件表面温度，避免温度过高；
当检测到温度过高时，则停止加工过程，待增材件冷却至预定温度时再继续加工。
10.根据权利要求1所述用于增材产品的表面处理方法，其特征在于，
所述机器人增材系统包括：
工业机器人，
快换装置，与工业机器人连接；
增材设备，与快换装置可拆卸连接；
重熔抛光设备，与快换装置可拆卸连接；
当执行增材加工时，所述增材设备通过快换装置与工业机器人连接，所述重熔抛光设备与快换装置分离，所述工业机器人带动所述增材设备执行增材加工；
当执行重熔抛光加工时，所述重熔抛光设备通过快换装置与工业机器人连接，所述增材设备与快换装置分离，所述工业机器人带动所述增材设备执行重熔抛光加工。
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