CN113828800A - 金属零件增材制造控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属零件增材制造控制系统与方法，包括成型工作台、成型基板、增材制造装置、应力消除装置、换刀装置、控制系统。增材制造装置和应力消除装置固定于换刀装置上，换刀装置可实现两套装置的工作位置的上下调节，通过控制系统实现增材制造和应力消除两种工作模式的切换；应力消除装置通过减震器固定在换刀装置上。系统工作时换刀装置切换增材模式，通过控制系统控制增材制造装置逐层成形零件，换刀装置切换应力消除模式，控制系统控制应力消除装置以一定频率在已成型零件表面接触式运动以消除零件内应力，然后再进行下一次增材制造‑应力消除循环，从而在零件逐层堆积的过程中逐层消除零件内应力以控制零件变形。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，具体而言涉及一种金属零件增材制造控制系统与方法。
背景技术
金属增材制造技术主要是通过局部热源对金属材料的逐层沉积堆叠来实现金属产品的原型制造过程，区别于传统的减材制造-金属车削和等材制造-铸造技术，金属增材制造是利用激光或电子束等作为热源，在基底材料上生成熔池，同时通过送粉系统将粉末材料直接输送到激光熔池中，利用激光能量将金属粉末熔化，随着激光光斑的移动，进入熔池并熔化的粉末凝固后与基底材料形成冶金结合，通过激光熔池斑点的移动形成熔覆道，多道搭接形成熔覆面，面与面的层层堆叠形成三维实体，由点-线-面-体依次成型成三维零件实体。
由于增材制造是一个多物理场复合的过程，其涉及热源的形式选择、熔滴成形过程的热收缩、层与层之间的热温差、以及成型完后处理工艺等，因此它是一个温度场、力场、应力场相互影响、相互作用的过程。而增材制造过程熔滴的逐层堆积过程中的热、力相互作用也带来成型组织应力的逐层形成、积聚，在制造过程中应力会带来翘曲变形、甚至构件开裂等风险，对零件制造过程尺寸精度保障带来干扰；在制造完成后残余应力若不及时进行去应力处理，一些应力会随时间自然释放，而零件累积的形变量，会造成其形变超出设计容许范围。
针对上述问题，目前的研究者采用了将金属增材制造技术与并行控制、应力检测、超声波强化工艺相结合，从而改善增材制造过程的应力变形问题。例如，专利CN106735967B公开了一种超声振动辅助电弧增材制造控形控性的方法，它通过在增材制造过程中施加非接触式超声波振动提高形核率从而起到细化熔池晶粒的作用，同时减少成形件内部缺陷的产生，提高了零件的力学性能，但是这种方法无法在根本上消除成形件在生产过程中产生的内应力。专利CN110586941A公开了一种金属零件增材制造过程中变形控制系统及方法，它通过在成型工件底部施加应力检测及应力消除装置，从而在零件逐层堆积的过程中消除应力，控制零件变形，提高零件的形状尺寸精度，但是这种方法无法随着零件成型高度的增加，应力消除的效果下降。
目前针对增材制造过程中的应力消除和变形控制仍旧缺乏行之有效的手段和方法。而金属零件特别是承力件，其质量不仅要求力学性能达标，还要求制造完成后形状、尺寸、甚至精度达到设计要求，应力变形对金属零件增材制造行业来说是一个亟待解决的痛点问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属零件增材制造控制系统，改善金属零件增材制造加工过程中应力，通过在增材制造工艺过程中附加应力消除工艺，从而有效缓解增材制造过程中应力累累积问题，解决由应力导致的制件变形、开裂等增材缺陷，提高零件的形状尺寸精度。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种金属零件增材制造控制系统，包括：
成型工作台；
成型基板，固定于成型工作台上；
增材制造装置，用于在所述成型基板上通过逐层堆积的方式进行增材制造；
应力消除装置，用于对成型基板上打印的金属零件进行应力消除；
换刀装置，所述增材制造装置和应力消除装置均固定于换刀装置上，所述换刀装置用于可实现对增材制造装置和应力控制装置两种工作头的上下切换；
控制系统，被设置通过换刀装置控制增材制造和应力消除两种工作模式切换；
其中，换刀装置切换增材制造模式，通过控制系统控制增材制造装置在成型基板表面进行零件增材制造的逐层堆积成型加工；换刀装置切换应力消除模式，控制系统控制应力消除装置对已成型零件层表面进行消除应力加工，然后再进行下一次增材制造-应力消除循环作业。
优选地，所述增材制造装置包括加工头，用于完成金属材料增材工艺的逐层堆积制造，所述加工头的热源模式选择为激光、电弧、电子束中的一种，其成型材料为金属粉末或者金属丝材，其每一层层厚范围为0.1-2mm。
优选地，所述应力消除装置由毫克能焊接应力消除设备和减震器组成。
优选地，所述减震器连接在毫克能焊接应力消除设备与换刀装置之间，在切换至应力消除模式进行应力消除作业时，通过减震器吸收多余的振动能量。
优选地，在应力消除模式下，所述毫克能焊接应力消除设备的工作触头与已成型零件层表面接触，并被设置以设定频率范围垂直于成型表面做高频振动。
优选地，所述毫克能焊接应力消除设备的工作触头做高频振动的频率范围在20-40KHz，输出振幅范围为30-50μm，移动速度20-40m/h。
优选地，所述换刀装置通过改变增材制造装置和应力消除装置在加工高度方向上的相对位置，来控制实现对两种工艺模式的切换。
本发明的第二方面提出一种金属零件增材制造控制方法，在增材制造金属零件的过程中，按照以下方式进行打印与应力消除复合工艺：
(1)控制系统按照预设加工轨迹控制增材制造装置在成型基板上堆积预定层数的待成型零件的堆积层；
(2)控制系统控制换刀装置切换加工模式，即将增材制造装置的加工头收回，切换为应力消除工作模式；
(3)控制系统按照预设加工轨迹控制应力消除装置以一定的频率，在已成型的堆积层表面进行高度方向的高频振动和水平方向的位移运动，完成应力去除加工；
(4)控制系统控制换刀装置切换加工模式，应力消除装置的工作触头收回，系统切换为增材加工工作模式；
(5)重复(1)至(4)过程，直至完成零件的增材制造。
优选地，所述应力消除装置为毫克能焊接应力消除设备，在应力消除模式下，其工作触头与已成型的堆积层表面接触作高频振动，振动的频率范围在20-40KHz，输出振幅范围为30-50μm，移动速度20-40m/h。
优选地，所述预定层数为1-3层，每一层的层厚范围为0.1-2mm。
结合以上技术方案，本发明的显著的有益效果在于：
本发明将增材制造工艺与应力消除工艺相结合，实现对增材制造过程应力变形的有效控制，克服了现有增材制造依靠增大加工余量补偿应力变形问题，节约了制造和加工成本，保证了增材制造零件的尺寸精度；
本发明采用逐层增材-去应力的复合工艺加工流程，针对增材零件加工过程应力大的难题，在加工过程中利用增材思想逐层消除应力，达到了原来零件增材完成后再去应力退火处理的工艺效果。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明实施例金属零件增材制造控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例增材制造模式的加工示意图；
图3为本发明实施例应力消除模式的加工示意图；
图4为本发明实施例金属零件增材制造控制方法的流程图。
在附图中，相同的附图标记用来表示相同的装置或功能结构，图中附图标记含义如下：
1成型工作台，2成型基板，3减震器，4换刀装置，5应力消除装置，6控制系统，7增材制造装置。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-图3所示，本发明示例性实施例的金属零件增材制造控制系统，包括成型工作台1、成型基板2、减震器3、换刀装置4、应力消除装置5、控制系统6以及增材制造装置7。
成型基板2，固定于成型工作台1上；成型基板2与成型工作台1之间可通过螺栓固定，金属零件通过增材制造工艺由成型基板1的表面向上生长成型。
增材制造装置7，用于在所述成型基板上通过逐层堆积的方式进行增材制造.
应力消除装置5，用于对成型基板上打印的金属零件进行应力消除。
换刀装置4，所述增材制造装置和应力消除装置均固定于换刀装置上，所述换刀装置用于可实现对增材制造装置和应力控制装置两种工作头的上下切换；
控制系统，被设置成通过换刀装置控制增材制造和应力消除两种工作模式切换，即控制换刀装置对增材制造装置和应力控制装置的2种工作头的上下切换来实现工作模式的切换，换刀装置通过改变增材制造装置和应力消除装置在加工高度方向上的相对位置，来控制实现对两种工艺模式的切换，避免相互影响和干涉。
其中，换刀装置切换增材制造模式，通过控制系统控制增材制造装置在成型基板表面进行零件增材制造的逐层堆积成型加工；换刀装置切换应力消除模式，控制系统控制应力消除装置对已成型零件层表面进行消除应力加工，然后再进行下一次增材制造-应力消除循环作业。
优选地，增材制造装置7包括加工头及其所附属的增材制造组件，在增材工艺模式下通过逐层堆积的增材制造工艺，完成金属零件的打印。在可选的实施例中，加工头的热源模式选择可以是激光、电弧、电子束等，其成型材料可以是金属粉末或者金属丝材，其每一层层厚范围为0.1-2mm。
结合图示，应力消除装置5由毫克能焊接应力消除设备和减震器组成。减震器连接在毫克能焊接应力消除设备与换刀装置之间，在切换至应力消除模式进行应力消除作业时，通过减震器吸收多余的振动能量。
应力消除装置5为毫克能焊接应力消除设备，在进行应力消除工艺作业时，毫克能焊接应力消除设备的工作触头与已成型零件层表面接触，并被设置以设定频率范围垂直于成型表面做高频振动，频率范围在20-40KHz，其输出振幅范围30-50μm，移动速度20-40m/h。
应当理解，在本发明的实施例中，控制系统6可采用工业计算机系统作为控制系统，与增材制造装置、应力消除装置、换刀装置相连，提供整套系统的运动控制。
结合图1-3所示的金属零件增材制造控制系统的设计，在增材制造金属零件的过程中，按照以下方式进行增材制造与应力消除复合工艺：
(1)控制系统按照预设加工轨迹控制增材制造装置在成型基板上堆积预定层数的待成型零件的堆积层；
(2)控制系统控制换刀装置切换加工模式，即将增材制造装置的加工头收回，切换为应力消除工作模式；
(3)控制系统按照预设加工轨迹控制应力消除装置以一定的频率，在已成型的堆积层表面进行高度方向的高频振动和水平方向的位移运动，完成应力去除加工；
(4)控制系统控制换刀装置切换加工模式，应力消除装置的工作触头收回，系统切换为增材加工工作模式；
(5)重复(1)至(4)过程，直至完成零件的增材制造。
由此，通过将增材制造工艺与应力消除工艺的结合，实现对增材制造过程应力变形的有效控制，克服现有增材制造依靠增大加工余量补偿应力变形问题，节约了制造和加工成本，保证了增材制造零件的尺寸精度；同时，本发明采用逐层增材-去应力的复合工艺加工流程，针对增材零件加工过程应力大的难题，在加工过程中利用增材思想逐层消除应力，达到了原来零件增材完成后再去应力退火处理的工艺效果。
优选地，前述增材制造复合工艺中，预定层数为1-3层，每一层的层厚范围为0.1-2mm。
结合图4所示，为实现上述增材制造与应力消除复合工艺的一个示例性过程，具体如下：
(1)对待成型零件三维模型进行分成切片处理，对每层进行路径填充及参数设置，生成m层零件加工程序；可采用南京中科煜宸激光技术有限公司的RC-CAM增材制造工艺规划软件实现，可实现送丝或者送粉增材制造工艺的规划；
(2)当n＝1时，导入第n层零件的加工程序，控制系统按照预设加工轨迹控制增材装置在基板上堆积一层数待成型零件，完成第n层零件增材制造；
(3)控制系统控制换刀装置切换加工模式，增材装置加工头收回，系统切换为应力消除工作模式；
(4)控制系统按照预设加工轨迹控制应力消除装置以一定的频率，在已成型零件层的表面进行高度方向的高频振动和水平方向的位移运动，完成第n层零件应力去除加工；
(5)若n小于m，则控制系统控制换刀装置切换加工模式，应力消除装置加工头收回，系统切换为增材加工工作模式，重复(1)至(5)过程；
(6)直至n＝m，完成零件的增材制造。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种金属零件增材制造控制系统，其特征在于，包括：
成型工作台；
成型基板，固定于成型工作台上；
增材制造装置，用于在所述成型基板上通过逐层堆积的方式进行增材制造；
应力消除装置，用于对成型基板上打印的金属零件进行应力消除；
换刀装置，所述增材制造装置和应力消除装置均固定于换刀装置上，所述换刀装置用于可实现对增材制造装置和应力控制装置两种工作头的上下切换；
控制系统，被设置通过换刀装置控制增材制造和应力消除两种工作模式切换；
其中，换刀装置切换增材制造模式，通过控制系统控制增材制造装置在成型基板表面进行零件增材制造的逐层堆积成型加工；换刀装置切换应力消除模式，控制系统控制应力消除装置对已成型零件层表面进行消除应力加工，然后再进行下一次增材制造-应力消除循环作业。
2.如权利要求1所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，所述增材制造装置包括加工头，用于完成金属材料增材工艺的逐层堆积制造，所述加工头的热源模式选择为激光、电弧、电子束中的一种，其成型材料为金属粉末或者金属丝材，其每一层层厚范围为0.1-2mm。
3.如权利要求1所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，所述应力消除装置由毫克能焊接应力消除设备和减震器组成。
4.如权利要求3所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，所述减震器连接在毫克能焊接应力消除设备与换刀装置之间，在切换至应力消除模式进行应力消除作业时，通过减震器吸收多余的振动能量。
5.如权利要求3所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，在应力消除模式下，所述毫克能焊接应力消除设备的工作触头与已成型零件层表面接触，并被设置以设定频率范围垂直于成型表面做高频振动。
6.如权利要求5所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，所述毫克能焊接应力消除设备的工作触头做高频振动的频率范围在20-40KHz，输出振幅范围为30-50μm，移动速度20-40m/h。
7.如权利要求5所述的金属零件增材制造控制系统，其特征在于，所述换刀装置通过改变增材制造装置和应力消除装置在加工高度方向上的相对位置，来控制实现对两种工艺模式的切换。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的金属零件增材制造控制系统实现的金属零件增材制造控制方法，其特征在于，在增材制造金属零件的过程中，按照以下方式进行打印与应力消除复合工艺：
(1)控制系统按照预设加工轨迹控制增材制造装置在成型基板上堆积预定层数的待成型零件的堆积层；
(2)控制系统控制换刀装置切换加工模式，即将增材制造装置的加工头收回，切换为应力消除工作模式；
(3)控制系统按照预设加工轨迹控制应力消除装置以一定的频率，在已成型的堆积层表面进行高度方向的高频振动和水平方向的位移运动，完成应力去除加工；
(4)控制系统控制换刀装置切换加工模式，应力消除装置的工作触头收回，系统切换为增材加工工作模式；
(5)重复(1)至(4)过程，直至完成零件的增材制造。
9.如权利要求8所述的金属零件增材制造控制方法，其特征在于，其特征在于，所述应力消除装置为毫克能焊接应力消除设备，在应力消除模式下，其工作触头与已成型的堆积层表面接触作高频振动，振动的频率范围在20-40KHz，输出振幅范围为30-50μm，移动速度20-40m/h。
10.如权利要求8所述的金属零件增材制造控制方法，其特征在于，所述预定层数为1-3层，每一层的层厚范围为0.1-2mm。
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