CN114101852A - 功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属结构件增材制造技术领域，具体涉及功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法和装置。本发明通过步进电机提供驱动力，进而带动导丝管绕焊枪旋转，最终使焊枪与导丝管在前进和后退过程中始终维持前送丝的状态，避免了电弧堆焊过程的“扎丝”现象、成型效率不足等缺陷，提高了复杂路径构件电弧增材制造的工艺性；同时，每一侧的导丝管组的两根导丝管可装载不同材质的丝材，可以满足零件的不同功能梯度要求。
Description
技术领域
本发明属于金属结构件增材制造技术领域，具体涉及功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法和装置。
背景技术
电弧增材制造是一种以高温电弧为热源,熔化作为原材料的金属丝材,再进行一层一层堆叠,最后形成所需的零件的技术。相比于粉末金属增材制造技术，电弧增材制造的材料利用率更高，成型效率更高，设备成本低，更适用于大尺寸成型件的生产，在航空、航天、汽车、船舶等领域具有广阔的应用前景。
功能梯度材料，是指材料的组分和结构从材料的某一方位(一维、二维、三维)向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料。随着科学技术的进步，功能梯度材料在航空航天，机械工程，生物工程，光、电、磁工程，能源及电气工程等诸多领域都得到了广泛的应用。
当今常见的电弧堆焊送丝方法有同轴送丝和旁轴送丝两种。两种方法各有利弊，同轴送丝可以稳定将丝材送入温度更高的电弧中，但热输入和送丝速度不能单独调控，而且由于丝材的导电性，导致电弧紊乱和熔覆率低等缺陷。旁轴送丝可以克服同轴送丝的上述多种缺陷，但是当送丝方位不正确时(侧送丝和后送丝)容易将丝材易送入温度相对较低熔池中，降低熔丝效率和成型件的质量，产生“扎丝”现象，甚至损坏设备。所以采用旁轴送丝方案时应当尽可能的采用合适的送丝方位(前送丝)进行增材。针对这一亟待解决的难题，现提出一种金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置；同时，为了提高成型效率，在焊枪前进和返回过程中都稳定维持前送丝状态并且提出一种生产功能梯度材料零件的可行性方法。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决采用旁轴送丝方式时难以在焊枪前进和返回过程中都稳定维持前送丝状态这一技术难题和提出一种生产功能梯度材料零件的可行性方法，提供一种功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法和装置。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
1.功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，包括：转动装置，弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置。
所述转动装置包括步进电机、焊枪、主动齿轮、T型从动齿轮，紧固螺钉、角接触球轴承、套环和紧固螺钉。所述步进电机的输出端主轴的下端面固定连接主动齿轮，步进电机为转动装置提供驱动力；所述主动齿轮与T形从动齿轮相啮合；所述T形从动齿轮的内壁通过紧固螺钉固定在角接触球轴承上，与角接触球轴承同步转动，从而带动弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置绕焊枪旋转；所述角接触球轴承的内孔与焊枪为过盈固定配合，所述套环通过紧固螺钉固定到焊枪上，套环的上端面对角接触球轴承和T型从动齿轮起轴向支撑的作用，所述套环的上端面与角接触球轴承的下端面接触处涂抹石墨润滑。
所述弧形夹板装置包括第一弧形夹板、第二弧形夹板、一对连接螺栓、一对紧固螺母，第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件；所述弧形夹板装置安装在角接触球轴承外圆部分，所述第一弧形夹板和第二弧形夹板的下平面与角接触球轴承的下端面重合；所述第一弧形夹板和第二弧形夹板通过一对连接螺栓和一对紧固螺母固定到角接触球轴承的外圆面，限制弧形夹板相对于角接触球轴承的径向移动；所述第一弧形夹板和第二弧形夹板侧面均设有螺纹孔，第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件通过对应的螺纹孔连接到角接触球轴承的外圆面，限制了弧形夹板相对于角接触球轴承的轴向移动和周向转动。
所述双向对称送丝装置包括第一导丝管固定件、第二导丝管固定件、第一连接螺栓、第二连接螺栓、左侧导丝管组、右侧导丝管组、第一紧固螺栓组、第二紧固螺栓组。所述第一导丝管固定件和第二导丝管固定件通过第一连接螺栓和第二连接螺栓分别连接到第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件上；所述左侧导丝管组和右侧导丝管组上均开有导向槽，分别通过第一紧固螺栓组和第二紧固螺栓组连接到第一导丝管固定件和第二导丝管固定件上，且对称相向布置。所述双向对称送丝装置能够确保焊枪与导丝管在前进和后退过程中可始终稳定维持前送丝的状态，例如当焊枪从左向右移动时，由右导丝管组供丝；而当焊枪从右向左移动时，由左导丝管组供丝。此外每一侧的导丝管组的两根导丝管可装载不同材质的丝材，以满足零件的不同功能梯度要求。
所述角度调整装置包括第一弧形夹板紧固件、第二弧形夹板紧固件、第一导丝管固定件和第二导丝管固定件组成。所述第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件通过第一弧形夹板和第二弧形夹板侧面中部的螺纹孔与弧形夹板装置配合连接。所述角度调整装置主要用于调节焊枪与导丝管组之间的夹角，以确保焊丝在电弧作用范围内熔化。
2.一种功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法，其工作步骤包括：
1)将旁轴前送丝控制装置置于安装位移传感器的工作台上；
2)执行系统根据规划的路径数据控制焊枪的三坐标移动和转动装置的角度调控，所述转动装置的角度调控方法通过步进电机带动T形从动齿轮转动,T型从动齿轮内圈与角接触球轴承外圈焊接紧固，从而带动外围紧固的弧形夹板的转动，最后将转动传导到导丝管上；
3)工作台位移传感器实时监测焊枪和导丝管相对位置，并反馈到执行系统，进行误差补偿和微调，以确保维持前送丝状态；
4)成型完成后先停止送丝，再切断电源。
3.作为优选地，左侧导丝管组和右侧导丝管组相对于第一导丝管固定件和第二导丝管固定件的角度在80°-90°范围内可调。
4.作为优选地，第一弧形夹板紧固件主轴方向与第一导丝管固定件长边方向夹角可调范围为120°-150°；以满足不同零件成型的需求；同样的，所述第二弧形夹板紧固件主轴方向与第二导丝管固定件长边方向夹角可调范围也为120°-150°。
5.作为优选地，步进电机和主动齿轮之间的固定连接为过盈配合；主动齿轮与T形从动齿轮之间的的传动比为1：36。
6.作为优选地，焊枪和角接触球轴承内壁之间为过盈配合。
本发明的有益效果为：本发明设计的一种功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法装置，通过步进电机提供驱动力，进而带动导丝管绕焊枪旋转，最终使焊枪与导丝管在前进和后退过程中始终维持前送丝的状态，避免了电弧堆焊过程的“扎丝”现象、成型效率不足等缺陷，提高了复杂路径构件电弧增材制造的工艺性；同时，每一侧的导丝管组的两根导丝管可装载不同材质的丝材，可以满足零件的不同功能梯度要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构爆炸图；
图3为本发明的转动装置结构示意图；
图4为本发明的弧形夹板装置示意图；
图5为本发明的角度调整装置示意图；
图6为本发明的S型直壁具体实施例示意图。
附图标注：1、步进电机，2、焊枪，3、主动齿轮，4、T型从动齿轮，5、紧固螺钉，6、第一弧形夹板，7、第二弧形夹板，8、一对连接螺栓，9、一对紧固螺母，10、套环10，11、紧固螺钉，12、第一导丝管固定件，13、第二导丝管固定件，14、左侧导丝管组，15、右侧导丝管组，16、第一紧固螺栓组，17、第二紧固螺栓组，18、左侧丝材组，19、右侧丝材组，20、第一连接螺栓，21、第二连接螺栓，22、第一弧形夹板紧固件，23、第二弧形夹板紧固件，24、角接触球轴承。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示为一种功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置的整体结构示意图，包括：转动装置，弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置。
如图3所示的转动装置包括步进电机1、焊枪2、主动齿轮3、T型从动齿轮4，紧固螺钉5、角接触球轴承24、套环10和紧固螺钉11。步进电机1的输出端主轴的下端面固定连接主动齿轮3，步进电机1为转动装置提供驱动力；主动齿轮3与T形从动齿轮4相啮合；T形从动齿轮4的内壁通过紧固螺钉5固定在角接触球轴承24上，与角接触球轴承24同步转动，从而带动弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置绕焊枪2旋转；角接触球轴承24的内孔与焊枪2为过盈固定配合，套环10通过紧固螺钉11固定到焊枪2上，套环10的上端面对角接触球轴承24和T型从动齿轮4起轴向支撑的作用。套环10的上端面与角接触球轴承24的下端面接触处涂抹石墨润滑。
如图4所示的弧形夹板装置包括第一弧形夹板6、第二弧形夹板7、一对连接螺栓8、一对紧固螺母9。弧形夹板装置安装在角接触球轴承24外圆部分，第一弧形夹板6和第二弧形夹板7的下平面与角接触球轴承24的下端面重合；第一弧形夹板6和第二弧形夹板7通过一对连接螺栓8和一对紧固螺母9固定到角接触球轴承24的外圆面，限制弧形夹板相对于角接触球轴承24的径向移动；第一弧形夹板6和第二弧形夹板7侧面均设有螺纹孔，第一弧形夹板紧固件22和第二弧形夹板紧固件23通过对应的螺纹孔连接到角接触球轴承24的外圆面，限制了弧形夹板相对于角接触球轴承24的轴向移动和周向转动。
如图5所示的角度调整装置包括第一连接螺栓20、第二连接螺栓21、第一弧形夹板紧固件22、第二弧形夹板紧固件23、第一导丝管固定件12和第二导丝管固定件13组成。第一弧形夹板紧固件22和第二弧形夹板紧固件23通过第一弧形夹板6和第二弧形夹板7侧面中部的螺纹孔与弧形夹板装置配合连接。角度调整装置主要用于调节焊枪2与导丝管组之间的夹角，以确保焊丝在电弧作用范围内熔化。
一种功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法，以打印S型直壁(图6)为例，其工作过程如下：
首先，执行系统根据规划的路径数据控制焊枪的三坐标移动和转动装置的角度调控，所述角度调控方法通过步进电机带动T形从动齿轮转动,从而带动外围紧固的弧形夹板的转动，最后将转动传导到导丝管上，以此确保在成型过程中始终维持前送丝状态；
此外，在从A端向B端进给过程中，由第二导丝管组供丝；而在从B端向A端进给过程中，由第一导丝管组供丝；免去了转动装置的高频率大角度转动，提升了成型效率和装置寿命；
更进一步的，工作台的位移传感器可以实时监测焊枪和导丝管相对位置，并反馈到执行系统，进行误差补偿和微调，以确保成型过程的精度；
最后，成型完成先停止送丝，再切断电源。
左侧导丝管组14和右侧导丝管组15相对于第一导丝管固定件12和第二导丝管固定件13的角度在80°—90°范围内可调。第一弧形夹板紧固件22主轴方向与第一导丝管固定件12长边方向夹角可调范围为120°—150°；以满足不同零件成型的需求；同样的，所述第二弧形夹板紧固件23主轴方向与第二导丝管固定件13长边方向夹角可调范围也为120°—150°。步进电机1和主动齿轮3之间的固定连接为过盈配合；主动齿轮3与T形从动齿轮4之间的的传动比为1：36。焊枪2和角接触球轴承24内壁之间为过盈配合。
以上实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，所述旁轴前送丝控制装置包括转动装置，弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置；
所述转动装置包括步进电机、焊枪、主动齿轮、T型从动齿轮，紧固螺钉、角接触球轴承、套环和紧固螺钉；所述步进电机的输出端主轴的下端面固定连接主动齿轮，步进电机为转动装置提供驱动力；所述主动齿轮与T形从动齿轮相啮合；所述T形从动齿轮的内壁通过紧固螺钉固定在角接触球轴承上，与角接触球轴承同步转动，从而带动弧形夹板装置，角度调整装置和双向对称送丝装置绕焊枪旋转；所述套环通过紧固螺钉固定到焊枪上，套环的上端面对角接触球轴承和T型从动齿轮起轴向支撑的作用；
所述弧形夹板装置包括第一弧形夹板、第二弧形夹板、一对连接螺栓、一对紧固螺母，第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件；所述弧形夹板装置安装在角接触球轴承外圆部分，所述第一弧形夹板和第二弧形夹板的下平面与角接触球轴承的下端面重合；所述第一弧形夹板和第二弧形夹板通过一对连接螺栓和一对紧固螺母固定到角接触球轴承的外圆面，限制弧形夹板相对于角接触球轴承的径向移动；所述第一弧形夹板和第二弧形夹板侧面均设有螺纹孔，第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件通过对应的螺纹孔连接到角接触球轴承的外圆面，限制了弧形夹板相对于角接触球轴承的轴向移动和周向转动；
所述双向对称送丝装置包括第一导丝管固定件、第二导丝管固定件、第一连接螺栓、第二连接螺栓、左侧导丝管组、右侧导丝管组、第一紧固螺栓组、第二紧固螺栓组；所述第一导丝管固定件和第二导丝管固定件通过第一连接螺栓和第二连接螺栓分别连接到第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件上；所述左侧导丝管组和右侧导丝管组上均开有导向槽，分别通过第一紧固螺栓组和第二紧固螺栓组连接到第一导丝管固定件和第二导丝管固定件上，且对称相向布置；所述双向对称送丝装置能够确保焊枪与导丝管在前进和后退过程中可始终稳定维持前送丝的状态；
所述角度调整装置包括第一弧形夹板紧固件、第二弧形夹板紧固件、第一导丝管固定件和第二导丝管固定件组成；所述第一弧形夹板紧固件和第二弧形夹板紧固件通过第一弧形夹板和第二弧形夹板侧面中部的螺纹孔与弧形夹板装置配合连接；所述角度调整装置主要用于调节焊枪与导丝管组之间的夹角，以确保焊丝在电弧作用范围内熔化。
2.如权利要求1所述的功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，所述角接触球轴承的内孔与焊枪为过盈固定配合，所述套环的上端面与角接触球轴承的下端面接触处涂抹石墨润滑。
3.如权利要求1所述的功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，当焊枪从左向右移动时，由右导丝管组供丝；而当焊枪从右向左移动时，由左导丝管组供丝；每一侧的导丝管组的两根导丝管能够装载不同材质的丝材，以满足零件的不同功能梯度要求。
4.如权利要求1所述的功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，左侧导丝管组和右侧导丝管组相对于第一导丝管固定件和第二导丝管固定件的角度在80°-90°范围内可调。
5.如权利要求1所述的功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，第一弧形夹板紧固件主轴方向与第一导丝管固定件长边方向夹角可调范围为120°-150°；以满足不同零件成型的需求；同样的，所述第二弧形夹板紧固件主轴方向与第二导丝管固定件长边方向夹角可调范围也为120°-150°。
6.如权利要求1所述的功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制装置，其特征在于，步进电机和主动齿轮之间的固定连接为过盈配合；主动齿轮与T形从动齿轮之间的的传动比为1：36。
7.利用如权利要求1所述装置实施功能梯度金属电弧增材制造的旁轴前送丝控制方法，其特征在于，工作步骤包括：
1)将旁轴前送丝控制装置置于安装位移传感器的工作台上；
2)执行系统根据规划的路径数据控制焊枪的三坐标移动和转动装置的角度调控，所述转动装置的角度调控方法通过步进电机带动T形从动齿轮转动,T型从动齿轮内圈与角接触球轴承外圈焊接紧固，从而带动外围紧固的弧形夹板的转动，最后将转动传导到导丝管上；
3)工作台位移传感器实时监测焊枪和导丝管相对位置，并反馈到执行系统，进行误差补偿和微调，以确保维持前送丝状态；
4)成型完成后先停止送丝，再切断电源。
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