CN113941832A - 一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法 - Google Patents

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杨东青
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Abstract

本发明为一种异质异构厚壁件封边式增材方法，该增材成形方法包括：获得模型，根据增材模型的性能，设置模型的内部结构，合理分配不同区域的所用材料；模型切片，分析计算每层模型数据，根据需要合理安排所需增材工艺；增材准备，根据所需增材工艺，选用基板种类及规格、所需耗材，将等离子弧增材枪、CMT增材枪和浇铸口分别安装至对应机器人；生成程序，提取模型轮廓，规划增材路径，匹配最佳的工艺参数，生成相应的程序导入对应的机器人控制系统；开始增材，根据已经规划好的增材枪路径和浇铸口路径分先后开始增材。本发明将等离子电弧增材、CMT增材、浇铸制造三者结合起来，可以得到性能高的大型异质异构厚壁型构件，且成形好效率高。

Description

一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及到一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法。
背景技术
异质异构厚壁型构件，往往比普通的厚壁件具有更好的性能，比如软硬交织的层状结构具有更高的强度，蜂窝结构具有更好的韧性，这种结构复杂，材质众多的异质异构的厚壁型构件，常用增材手段进行加工。在金属增材过程中，电弧增材相较于激光增材与电子束增材效率高，等离子弧是一种常见的电弧增材，由于是非熔化极电弧，可以实现丝和电弧能量独立控制，从而获得层厚薄、成形良好、质量高的增材构件，但是其增材熔覆效率往往较低。CMT电弧增材属于冷金属过渡焊接方法，虽然其成形精度没有等离子弧增材那么高，但是其热输入量低、增材效率高。而传统的浇铸成形较金属增材能更快的完成零件的成形过程，铸造的零件有着更高的性能，但浇铸之前需要定制模具成本高耗时久，无法一次性制造复杂的结构。对于大型的复杂构件，无论是采用金属增材手段还是传统铸造手段都会耗时久。
专利申请号为202110332503.9和专利申请号202110309743.7，分别公开了一种多丝多等离子弧和CMT双机器人协同增材的装置和方法，主要是通过等离子弧增材内外侧轮廓，CMT电弧增材内部，虽然相较于其他金属增材手段效率较高给，CMT增材手段填充内部，首先成形不佳，容易造成孔洞，其次CMT增材相较于传统铸造成形速度较慢，遇到大型构件增材耗时久。
专利申请号202010875175.2，公开了一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，通过将3D打印模型分成三层，利用金属粉末打印模型底层，金属粉末和液滴浇铸增材模型中层，顶层用金属粉末打印。缺点在于，首先金属粉末增材效率太低，无法增材大型构件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法，该增材成形方法包括：
步骤S101：获得模型，根据产品性能需求设计增材模型；
步骤S102：模型切片，模型切片，分析计算每层模型数据，根据需要合理安排所需增材工艺；
步骤S103：增材准备，根据所需增材工艺，选用基板种类及规格、所需耗材，将等离子弧增材枪、CMT增材枪和浇铸口根据需要分别安装至对应机器人；
步骤S104：生成程序，提取模型轮廓，规划增材路径，匹配最佳的工艺参数，生成相应的程序导入对应的机器人控制系统；
步骤S105：开始增材，根据已经规划好的增材枪路径和浇铸口路径分先后开始增材并完成。
进一步的，异质异构厚壁型构件，异质表明两种或者两种以上，所述异构表示一种或者多种结构，包括但不限于，矩形结构、三角形结构、软硬交织结构等，所述厚壁型构件包括但不限于，箱体、舱体、壳体等。
进一步的，步骤S101中，根据产品性能需求设计增材模型结构思路包括但不限于，如需要强度性能高的产品，可设计成仿生竹子结构或者仿生骨骼结构；如需要抗冲击性能，可设计成软硬交织的贝壳结构；如产品既需要耐腐蚀又需高强度，可设计成外部轮廓采用不锈钢，内部壁厚处采用高强钢的异质结构。
进一步的，异质异构厚壁件封边式高效增材方法，在步骤步骤S102中，所述增材工艺包括等离子弧增材、浇铸增材、CMT三种增材工艺。
步骤S103的步骤包括：
S1031：根据需要组装增材系统与系统，将所需要的等离子弧增材枪、CMT增材枪、浇铸感应炉及其对应的电源、控制系统等安装或集成至相应的机器人上；
S1032：根据增材的所需的材料要求，选择合适的丝材、合适材料的浇铸铸锭、增材基板种类及规格。
步骤S104的步骤包括：
S1041:对增材模型进行分析，划分增材模型合理划分等离子弧增材和浇铸增材的部分，等离子弧用于增材模型的内外侧轮廓以及成形精度要求高的部分，CMT增材异质异构厚壁件内部骨架，浇铸口增材模型精度要求相对较低且厚壁的部分；
S1042:对增材模型分析，确定等离子增材与浇铸增材先后顺序以及间隔时间，先让等离子弧和CMT开始增材一段时间，待内外侧轮廓和内部有一点高度时，开始使用浇铸口增材厚壁部分；
S1043:提取增材过程中三种增材工艺的数据，分别规划各自机器人所走的路径，生成程序分别导入相应的机器人中；
进一步的，步骤S1023中，规划增材路径过程中，多等离子增材枪和CMT增材枪实时扫描所走路径上是否增材，实时调整各等离子增材枪的收起弧时序及增材时长来控制增材位置。
本发明公开了一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法，有如下效果：
其一：本发明依托机器人控制系统将等离子电弧增材、CMT增材、浇铸制造三者结合起来，增材前利用计算机对增材模型计算分析，合理分配增材任务，高效规划增材路径，利用等离子弧增材内外侧轮廓，CMT增材内部骨架，浇铸增材厚壁部分，此方法可以得到性能高的大型异质异构厚壁型构件，且成形好效率高；
其二：在本发明方法中，电弧增材结合液滴浇铸技术，综合了电弧增材的成形精度浇铸成形效率高的优点，优劣势互补，使得制造大型复杂构件的成本降低效率提高；
其三：本发明的方法能够在一定程度上增大所加工零件的强度，大型厚壁构件内部厚壁部分由浇铸制造的，内部结构不存在增材结构中的台阶效应，利用本发明方法制造出来的零件的强度会比传统的金属增材制造要高。
附图说明
图1为实施例镂空异质异构圆柱厚壁体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
实施例
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本实例需要增材一个厚壁圆柱，需要具有高强度且外表面需要耐腐蚀。增材装置包括运动执行机构、等离子弧增材系统、CMT双丝增材系统和液滴浇铸系统，运动执行系统包括机械臂、可变位增材平台及控制柜；增材系统包括两套双丝等离子弧增材枪和一套双丝CMT增材枪及其对应的增材电源、送丝机、水冷机和保护气瓶；浇铸系统包括浇铸口以及对应的电源、浇铸机、管道、水冷机、控制系统。制造异质异构厚壁圆柱的过程具体包括以下步骤：
步骤一：根据需求可知，该圆柱具有高强度且外表面需要耐腐蚀，由于表面需要耐腐蚀，故圆柱体内外侧轮廓采用316不锈钢，同时兼备高强度，故圆柱心部采用高强钢浇筑，同时在满足强度要求情况下，设计镂空圆柱可以节约耗材。设计结构如图1所示的，外圆(圆A)直径400mm内圆(圆B)直径200mm高300mm的空心圆柱体，内部四个空心小圆柱体，圆(圆C)直径50mm,高300mm。要求：材料主体为高强钢，内外侧轮廓采用316不锈钢，小圆柱轮廓采用高强钢。
步骤二:耗材选择：选用尺寸为600mm×600mm×20mm的碳钢板，并安装在可变位增材平台上，等离子增材系统选用
Figure BDA0003290725430000041
的316L不锈钢焊丝，CMT增材系统选用
Figure BDA0003290725430000042
的ER120-G高强钢焊丝，浇铸机的耗材为30CrMnSiA高强钢铸块；设备安装：将两把等离子枪分别标号为A和B，对应的送丝机、保护气瓶、水冷机、增材电源安装或集成至第一和第二机器人；再将双丝CMT增材枪编号B，按照一前一后的顺序及其对应的送丝机、保护气瓶、水冷机、增材电源安装或集成至第三机器人；选择合适的浇铸口，及其对应的浇铸机、电源、浇铸管道、控制器安装或集成至第四机器人；
步骤三：等离子弧用于增材模型的内外侧轮廓，如图一中的圆A和圆B，圆A用等离子枪A增材，圆B用等离子枪B增材，内部骨架用CMT增材，如浇铸口增材两圆之间(除去圆C)厚壁部分填充；按照等离子枪、CMT增材枪和浇铸口行走路径，匹配最佳的工艺参数，生成程序，导入对应的机器人中。
步骤四：等离子枪A沿圆A增材，走完一圈层高约1.5mm，道宽约为10mm，等离子枪B沿圆B开始增材，走完一圈层高约1.5mm，道宽约为10mm，与此同时CMT开始沿着四个小圆C增材，走完一圈层高约1.5mm，道宽约为10mm，当完全走完一层后等离子枪和CMT枪提高1.5mm，开始增材第二层，如此重复增完四层，总层高约6mm。这时浇铸口开始浇铸，厚壁部分用30CrMnSiA铸块浇铸。
步骤五：以此往复，进行增材，直到将增材模型图1完全增材完成。
综上所述，本发明提供了一种异质异构厚壁型件的设计结构，并且提供了一种高质高效的增材方法，采用四台机器人分别对同一构件进行增材制造，对增材模型轮廓区域、内部骨架以及内部区域进行分区增材，综合等离子弧增材、CMT增材和浇铸制造的技术优势，实现异质异构厚壁型件增材。以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，增材成形方法包括：
步骤S101：获得模型，根据产品性能需求设计增材模型；
步骤S102：模型切片，模型切片，分析计算每层模型数据，根据需要合理安排所需增材工艺；
步骤S103：增材准备，根据所需增材工艺，选用基板种类及规格、所需耗材，将等离子弧增材枪、CMT增材枪和浇铸口根据需要分别安装至对应机器人；
步骤S104：生成程序，提取模型轮廓，规划增材路径，匹配最佳的工艺参数，生成相应的程序导入对应的机器人控制系统；
步骤S105：开始增材，根据已经规划好的增材枪路径和浇铸口路径分先后开始增材并完成。
2.如权利要求1所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，所述异质表明两种或者两种以上，异构为一种或者多种结构，包括但不限于：仿生竹子结构、仿生骨骼结构、仿生犀牛角结构、贝壳软硬交织结构；厚壁型构件包括但不限于，箱体、舱体、壳体等。
3.如权利要求1所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，步骤S101中，根据产品性能需求设计增材模型结构思路包括但不限于，如需要强度性能高的产品，可设计成仿生竹子结构或者仿生骨骼结构；如需要抗冲击性能，可设计成软硬交织的贝壳结构；如产品既需要耐腐蚀又需高强度，可设计成外部轮廓采用不锈钢，内部壁厚处采用高强钢的异质结构。
4.如权利要求1所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，步骤S102中，增材工艺包括等离子弧增材、浇铸增材、CMT三种增材工艺。
5.如权利要求4所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，增材装置包括运动执行机构、增材系统，所述运动执行系统包括机械臂、可变位增材平台及控制柜；所述增材系统包括等离子弧增材枪、CMT增材枪和感应浇铸炉。
6.如权利要求1所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，步骤S103的步骤包括：
S1031：根据需要组装增材系统与系统，将所需要的等离子弧增材枪、CMT增材枪、浇铸感应炉及其对应的电源、控制系统等安装或集成至相应的机器人上；
S1032：根据增材的所需的材料要求，选择合适的丝材、合适材料的浇铸铸锭、增材基板种类及规格。
7.如权利要求1所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，步骤S104的步骤包括：
S1041:对增材模型进行分析，划分增材模型合理划分等离子弧增材和浇铸增材的部分，等离子弧用于增材模型的内外侧轮廓以及成形精度要求高的部分，CMT增材异质异构厚壁件内部骨架，浇铸口增材模型精度要求相对较低且厚壁的部分；
S1042:对增材模型分析，确定等离子增材与浇铸增材先后顺序以及间隔时间，先让等离子弧和CMT开始增材，待内外侧轮廓和内部有5-10mm时，开始使用浇铸口增材厚壁部分；
S1043:提取增材过程中三种增材工艺的数据，分别规划各自机器人所走的路径，生成程序分别导入相应的机器人中。
8.如权利要求3所述的异质异构厚壁件封边式高效增材方法，其特征在于，步骤S1023中，规划增材路径过程中，多等离子增材枪和CMT增材枪实时扫描所走路径上是否增材，实时调整各等离子增材枪的收起弧时序及增材时长来控制增材位置。
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