CN114054781A - 一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法，属于增材和减材复合制造技术领域，该装置包括冷却槽、电化学减材装置、增材装置、Y轴方向运动平台、X轴方向运动平台、升降运动机构和控制系统，升降运动机构位于冷却槽内部，沿冷却槽高度方向实现升降，与Y轴方向运动平台、X轴方向运动平台实现X、Y、Z轴三个方向的移动，在Y轴方向运动平台上摆放打印样件，电化学减材装置、增材装置位于冷却槽上方，冷却槽内部盛装有冷却液；本发明实现在同一加工装置内交替进行电弧增材和电化学减材，提高工件尺寸精度和表面质量，另一方面，利用电化学溶液对工件进行均匀有效冷却，降低工件内部残余应力，提高成型质量。

Description

一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法
技术领域
本发明属于增材和减材复合制造技术领域，尤其涉及一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法。
背景技术
电弧增材制造，是指采用金属丝材作为原料，利用电弧作为热源，通过电弧高温融化并逐层堆积金属形成特定形状的零件的增材制造方法，也叫电弧3D打印。这种方法具有原材料成本低、材料利用率高、打印成型效率高、工件致密度高等优点。是一种高堆积速率、高材料利用率、低成本、具有潜力的增材制造工艺，在航空航天、船舶等领域有广泛应用。然而，电弧增材制造的工件表面较粗糙，必须辅以其他的工艺对工件表面进行少量材料去除，提高工件尺寸精度和表面质量。
目前，较常见的方法是在基板上通过电弧增材直接堆积出三维结构，再辅以少量的铣削减材提高其成型精度和表面质量，此方法能够大幅度提高加工效率和降低成本，为复杂三维结构的制造提供了一条高效高质、低耗低成本的工艺途径。尽管铣削减材在很大程度上弥补了电弧增材在几何尺寸和表面质量方面的固有不足，但电弧增材属于热加工工艺，铣削减材属于冷加工工艺，在冷、热加工工艺循环交替中存在着较明显的宏、微观误差传递过程，从而制约了该复合制造工艺向高精度、高性能的方向发展。并且该方法需要先后用到电弧增材与铣削两套装置，工序较复杂。
由于电弧增材制造在加工过程释放出大量的热，并且在加工中工件会受到反复加热-冷却过程，导致工件内部残余应力大且分布不均，工件易变形。因此必须在加工中对工件进行有效冷却。针对该方面有人提出了一种基于外部热电辅助制冷的成型调控手段来增强热扩散能力，研究表明外部热电辅助制冷能够显著改变熔池的拘束状态，避免高层处熔池因过热而发生流淌，使得高层和底层保持较一致的成型形貌。这种控制方案不需要改变工艺参数，不会降低沉积效率，但因为需要额外的外部制冷设备而增加了系统复杂度。也有学者提出了采用冷却基板的方法，即对基板做冷却水道以带走焊接产生的热量。随着电弧堆焊高度的不断增加，距离基板较大的高处的堆焊部分的热量很难传输到底部基板，最终导致打印工件的冷却效果较差。
针对电弧增材制造中需要对工件表面进行减材修整及工件冷却的问题，本发明提供的电弧电化学增减材复合加工方法及装置将电弧增材和电化学减材两套系统有效地集成在一起。在电弧增材制造过程中，利用电化学减材可对工件的粗糙表面实时进行电化学修整，高效地提高尺寸精度和加工表面质量，此外，将工件浸泡在电化学溶液中，可起到降温冷却效果。有效地解决了电弧增材加工过程中产生的热对工件内应力及形貌的影响。该复合加工方法的增材和减材交替进行，极大地提高了加工效率。
但是在电弧增材制造时，焊缝道与道之间不能充分接合，会出现明显的搭接痕迹，致使增材制造工件的表面粗糙，表面质量和尺寸精度较差；且电弧增材制造时，一般在预制的金属基板上进行堆焊，随着堆焊高度的增加，工件内部热积累，自然冷却速度较慢，从而导致工件残余应力大，易变形，降低了成形工件的形状精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法，实现在同一加工装置内交替进行电弧增材和电化学减材，提高工件尺寸精度和表面质量，另一方面，利用电化学溶液对工件进行均匀有效冷却，降低工件内部残余应力，提高成型质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法，该电弧增材与电化学减材复合制造装置包括冷却槽、电化学减材装置、增材装置、Y轴方向运动平台、X轴方向运动平台、升降运动机构和控制系统，所述Y轴方向运动平台、所述X轴方向运动平台滑动连接在所述升降运动机构上，所述升降运动机构位于冷却槽内部，沿冷却槽高度方向实现升降，与所述Y轴方向运动平台、所述X轴方向运动平台实现X、Y、Z轴三个方向的移动，在所述Y轴方向运动平台上摆放打印样件，所述电化学减材装置、所述增材装置位于冷却槽上方，远离冷却槽方向均固定有支撑驱动机构，冷却槽内部盛装有冷却液。
进一步的，所述支撑驱动机构通过同一机械臂控制，机械臂与所述控制系统连接，机械臂还连接有机器视觉机构。
进一步的，所述升降运动机构包括转动连接在所述冷却槽上下两端的丝杆，丝杆关于冷却槽中部对称设置，丝杆外部螺纹连接有丝杆副，两个丝杆副外部固定连接有承载平台。
进一步的，所述丝杆伸出所述冷却槽底部端固定有伺服电机。
进一步的，所述电化学减材装置下端固定有电化学阴极板。
本发明还公开了电弧增材与电化学减材复合制造方法，利用前述的电弧增材与电化学减材复合制造装置，包括下列步骤：
步骤S1、根据增材样件的外观几何尺寸，使用软件进行三维模型的建立，并生成增材制造路径，导入到控制系统中；
步骤S2、启动增材装置的开关，打开焊枪设备的开关，清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤S3、焊枪在基板上完成一定层数的增材制造成形后，随着运动装置的移动，机械臂上的机器视觉机构对基板上增材制造的样件的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入控制系统中，分析该层的表面精度，通过对比实际工件尺寸和理论三维模型尺寸的细微差异，生成对应的电化学减材运动路径；
步骤S4、启动机械臂，调整电化学装置阴极板，使其与电弧增材加工的增材样件保持适当的距离；
步骤S5、电化学减材装置根据步骤S3生成的运动路径对增材过的样件对增材过的焊缝进行减材加工，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；
步骤S6、增材装置根据控制系统给定的增材路径进行下一阶段的增材制造；
步骤S7、重复步骤S3至步骤S6，直至增材制造样件的完成；
步骤S8、关闭增材装置和机械臂的开关，通过升降运动机构使工件与冷却槽1内部冷却液11分离，一段时间后，取下基板以及增材成型件。
进一步的，所述增材装置采用熔化极气体保护焊的方法，用于电弧增材制造。
进一步的，所述电化学减材装置内部工作液为腐蚀金属材料的溶液
本发明的有益效果是：
(1)利用机械臂与支撑驱动机构，控制电化学减材装置、增材装置移动，在同一设备上实现增材制造与工件表面减材修形。
(2)通过电化学装置中电解质工作液的作用，利用电化学溶液对工件进行均匀有效冷却，降低工件内部残余应力，提高成型质量，能够有效地提高工件的加工尺寸精度，并保证了工件加工过程中的冷却，从而保证了长时间电弧打印工作的进行以及工件的成型稳定性。具有结构简单可靠、加工精度好、冷却效率高、不影响原有产品组织性等优点。
(3)本发明通过尺寸扫描并实时加工，避免了传统增材制造时误差逐层叠加、高温断层熔化导致零件整体精度过低的问题，可以有效提高电弧增材表面的精度，提高增材制造的效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种电弧增材与电化学减材复合制造装置的正面剖视图。
图中：1、冷却槽；2、丝杆；3、丝杆副；4、支撑驱动机构；5、电化学减材装置；6、增材装置；7、打印样件；8、X轴方向运动平台；9、Y轴方向运动平台；10、升降运动机构；11、冷却液；12、伺服电机；13、承载平台。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
请参考图1，下面将结合附图对本发明实施例的电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法作详细说明。
如图1所示，该电弧增材与电化学减材复合制造装置包括冷却槽1、电化学减材装置5、增材装置6、Y轴方向运动平台8、X轴方向运动平台9、升降运动机构10和控制系统，所述Y轴方向运动平台8、所述X轴方向运动平台9固定在所述升降运动机构10上，所述升降运动机构10位于冷却槽1内部，沿冷却槽1高度方向实现升降，与所述Y轴方向运动平台8、所述X轴方向运动平台9实现X、Y、Z轴三个方向的移动，在所述Y轴方向运动平台8上摆放打印样件7，所述电化学减材装置5、所述增材装置6位于冷却槽1上方，远离冷却槽1方向均固定有支撑驱动机构4，冷却槽1内部盛装有冷却液11。
采用上述的电弧增材与电化学减材复合制造装置将电弧增材和电化学减材两套系统有效地集成在一起，制造过程中，增材与减材交替进行，可显著提高制造效率，增材装置6与电化学减材装置5共用一个机械臂，结构统一，便于控制。此外，电化学加工可有效提高工件尺寸精度和表面质量，另外，冷却液11在加工过程中可有效地对工件进行冷却，提高电弧增材制造的质量。
其中，增材装置6采用熔化极气体保护焊的方法，用于电弧增材制造。
其中，电化学减材装置5为阴极板，阴极板上存在有溶液流道，加工时电解质工作液通过溶液流道流出。
具体的，支撑驱动机构4通过同一机械臂控制，机械臂与所述控制系统连接，机械臂还连接有机器视觉机构。
在上述实施例汇总，机械臂通过机器视觉机构对基板上增材制造的样件的外观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，通过对比实际工件尺寸和理论三维模型尺寸的细微差异，生成工件应去除的材料量，并据此控制电化学减材装置5进行减材加工。
具体的，升降运动机构10包括转动连接在所述冷却槽1上下两端的丝杆2，丝杆2关于冷却槽1中部对称设置，丝杆2外部螺纹连接有丝杆副3，两个丝杆副3外部固定连接有承载平台13。
具体的，丝杆2伸出所述冷却槽1底部端固定有伺服电机12。
具体的，电化学减材装置5下端固定有电化学阴极板。
在加工过程中，电化学加工阴极与电弧增材加工的工件保持适当的距离，通过电化学反应对工件进行减材加工，提高工件尺寸精度和表面质量。
该利用上述制造装置的电弧增材与电化学减材复合制造方法，增材装置在完成一层增材制造成型后，机器视觉系统对增材制造的样件的外观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，通过对比实际工件尺寸和理论三维模型尺寸的细微差异，生成对应的电化学减材运动路径，电化学减材装置根据控制系统给定的路径对工件进行减材加工；重复上述步骤，直至工件的完整成型。
具体包括下列步骤：
采用熔化极气体保护焊的方法，所用焊丝为316L不锈钢焊丝，其直径为1.0mm；基板为10mm厚的304不锈钢基板；
步骤S1：根据增材样件7的外观几何尺寸，使用软件进行三维模型的建立，并生成增材制造路径，导入到控制系统中；
步骤S2：启动增材装置6的开关，打开焊枪设备的开关，清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤S3：设置增材制造参数，送丝速度为5m/min，焊接速度为6mm/s；
步骤S4：增材装置6在基板上完成一定层数的增材制造成形后，随着运动平台8、9的移动，机械臂上的机器视觉机构对基板上增材制造的样件的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入控制系统中，分析该层的表面精度，通过对比实际工件尺寸和理论三维模型尺寸的细微差异，生成对应的电化学减材运动路径；
步骤S5：打开运动装置的开关，调整电化学减材装置5，使其与增材装置6加工的工件保持适当的距离；
步骤S6：电化学减材装置5根据步骤S4生成的运动路径对增材过的焊缝进行减材加工，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；
步骤S7：待适度冷却后，增材装置6根据控制系统给定的增材路径进行下一阶段的增材制造；
步骤S8：重复步骤S4至步骤S6，直至增材制造样件的完成；
步骤S9：关闭增材装置6和运动装置的开关，通过运动装置使工件与冷却槽1内部的冷却液11分离，一段时间后，取下基板以及增材成型件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，该电弧增材与电化学减材复合制造装置包括冷却槽(1)、电化学减材装置(5)、增材装置(6)、Y轴方向运动平台(8)、X轴方向运动平台(9)、升降运动机构(10)和控制系统，所述Y轴方向运动平台(8)、所述X轴方向运动平台(9)滑动连接在所述升降运动机构(10)上，所述升降运动机构(10)位于冷却槽(1)内部，沿冷却槽(1)高度方向实现升降，与所述Y轴方向运动平台(8)、所述X轴方向运动平台(9)实现X、Y、Z轴三个方向的移动，在所述Y轴方向运动平台(8)上摆放打印样件(7)，所述电化学减材装置(5)、所述增材装置(6)位于冷却槽(1)上方，远离冷却槽(1)方向均固定有支撑驱动机构(4)，冷却槽(1)内部盛装有冷却液(11)。
2.根据权利要求1所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，所述支撑驱动机构(4)通过同一机械臂控制，机械臂与所述控制系统连接，机械臂还连接有机器视觉机构。
3.根据权利要求1所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，所述升降运动机构(10)包括转动连接在所述冷却槽(1)上下两端的丝杆(2)，丝杆(2)关于冷却槽(1)中部对称设置，丝杆(2)外部螺纹连接有丝杆副(3)，两个丝杆副(3)外部固定连接有承载平台(13)。
4.根据权利要求3所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，所述丝杆(2)伸出所述冷却槽(1)底部端固定有伺服电机(12)。
5.根据权利要求4所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，所述电化学减材装置(5)下端固定有电化学阴极板。
6.一种电弧增材与电化学减材复合制造方法，利用权利要求1所述的电弧增材与电化学减材复合制造装置，其特征在于，包括下列步骤：
步骤S1、根据增材样件的外观几何尺寸，使用软件进行三维模型的建立，并生成增材制造路径，导入到控制系统中；
步骤S2、启动增材装置的开关，打开焊枪设备的开关，清理基板并将基板固定在工作台上；
步骤S3、焊枪在基板上完成一定层数的增材制造成形后，随着运动装置的移动，机械臂上的机器视觉机构对基板上增材制造的样件的外观三维轮廓形貌进行扫描，将提取的信息导入控制系统中，分析该层的表面精度，通过对比实际工件尺寸和理论三维模型尺寸的细微差异，生成对应的电化学减材运动路径；
步骤S4、打开机械臂的开关，调整电化学装置阴极板，使其与电弧增材加工的增材样件保持适当的距离；
步骤S5、电化学减材装置根据步骤S3生成的运动路径对增材过的样件进行减材加工，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；
步骤S6、增材装置根据控制系统给定的增材路径进行下一阶段的增材制造；
步骤S7、重复步骤S3至步骤S6，直至增材制造样件的完成；
步骤S8、关闭增材装置和机械臂的开关，通过升降运动机构10使工件与电化学减材装置5底部的冷却液11分离，一段时间后，取下基板以及增材成型件。
7.根据权利要求6所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造方法，其特征在于，所述增材装置采用熔化极气体保护焊的方法，用于电弧增材制造。
8.根据权利要求6所述的一种电弧增材与电化学减材复合制造方法，其特征在于，所述电化学减材装置内部工作液为腐蚀金属材料的溶液。
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