CN114193157A - 一种磨削同步复合gtaw电弧增材制造装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置及使用方法，属于增材制造技术领域，包括GTAW焊枪、焊枪安装架、送丝嘴、送丝嘴安装架、手动十字丝杠滑台、焊接工作台、电弧增材制造层、水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台、磨削装置、滑块夹具、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台、机架、基板、焊机、送丝机、磨削电源、单轴运动控制器。解决了原有的GTAW丝材电弧增材制造技术中，当丝材熔化沉积后，存在沉积层上表面粗糙不平整，不能保证下一沉积层是在平整的表面上进行沉积，进而影响沉积件高度的不一致的问题，同时构件经磨削处理后，其表层通常会存在一定厚度的塑性变形层(原始晶粒细化)，层与层之间的联生结晶被击碎。

Description

一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置及使用方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置及使用方法。

背景技术

丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)利用电弧作为瞬时点热源，将金属丝材熔化，在规划的路径上层层沉积成形三维实体金属构件，这种技术具有成形效率高(成形速度最高可达80kg/h)、材料稳定性好、材料利用率高、成形工件尺寸大、设备制造成本低等优势，可应用于多种金属材料的增材制造。钨极氩弧焊(GasTungsten Arc Welding，GTAW)是一种以钨材料或钨合金材料做电极，在惰性气体保护下进行的焊接。GTAW是一种应用非常普遍的焊接方法，其具有的优点是：可以精确控制焊接热输入、设备成本低、操作简单。利用丝材电弧增材制造技术制造的零件，当丝材熔化沉积后，存在沉积层上表面粗糙不平整，不能保证下一沉积层是在平整的表面上进行沉积，进而影响沉积件高度的不一致，晶粒联生结晶等问题。

磨削作为一种传统加工工艺，与其他传统材料去除工艺相比，磨削得到的表面质量和完整性更好。磨削属于精加工，加工量很少，故可以保证增材制造组件达到近净形状，现在有相关学者多将磨削作为增材制造后处理的解决方案，同时构件经磨削处理后，其表层通常会存在一定厚度的塑性变形层(原始晶粒细化)，表面性能也有所改善。本发明则针对现有电弧增材沉积层表面不平整、联生结晶致使晶粒粗大等问题，结合磨削特性，提出了一种磨削逐层复合电弧增材制造的新装置与方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置及使用方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，它包括GTAW焊枪、焊枪安装架、送丝嘴、送丝嘴安装架、手动十字丝杠滑台、焊接工作台、电弧增材制造层、水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台、磨削装置、滑块夹具、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台、机架、基板、焊机、送丝机、磨削电源、单轴运动控制器，所述GTAW焊枪与焊枪安装架固定连接，所述送丝嘴与送丝嘴安装架固定连接，所述送丝嘴安装架与焊枪安装架固定连接，所述焊枪安装架与手动十字丝杠滑台固定连接，通过手动十字丝杠滑台实现GTAW焊枪上下前后两个维度方向上的调节，所述磨削装置与滑块夹具固定连接，所述滑块夹具与竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台相连，通过竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台实现滑块夹具上下方向的调节，所述竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台与基板固定连接，所述焊接工作台与水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台固定连接，通过水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台实现焊接工作台左右一维方向上的调节，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台与基板固定连接，所述电弧增材制造层与焊接工作台固定连接，所述GTAW焊枪通过导线与焊机相连，所述送丝嘴通过导线与送丝机相连，所述磨削装置通过导线与磨削电源相连，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台通过导线与单轴运动控制器相连。

更进一步的，所述磨削装置包括壳体、608滚动轴承、碳刷、定子转子组合、6000滚动轴承、斜齿轮轴、斜齿轮、6203滚动轴承、夹头、磨削杆，所述定子转子组合通过608滚动轴承和6000滚动轴承与壳体相连，所述碳刷与定子转子组合相连，所述斜齿轮轴通过斜齿轮与定子转子组合相连，所述斜齿轮轴通过6203滚动轴承与壳体相连，所述磨削杆通过夹头与斜齿轮轴相连，所述转子定子组合通过导线与磨削电源相连。

更进一步的，所述磨削杆为旋转式工具头，所述定子转子组合自带散热装置。

更进一步的，所述旋转式工具头为圆柱式工具头。

更进一步的，所述GTAW焊枪通过焊枪安装架与手动十字丝杠滑台相连。

更进一步的，所述焊接工作台设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N。

更进一步的，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台和手动十字丝杠滑台的位移精度均为±0.01mm。所述水平方向伺服步进电机直线导轨滑台的速度调节范围为0-500mm/s，调节精度为0.01mm/s。

更进一步的，所述所述滑块夹具为手动加压，所述滑块夹具的压力变化范围为0N～120N，所述焊接工作台承载能力不小于1000kg。

更进一步的，所述焊机包括直流模式、交流模式和交直流混合模式，所述送丝机包括手动送丝和自动送丝两种模式，所述磨削电源输出功率调节范围为1W-550W。

本发明还提供了一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置的使用方法，它包括以下步骤：

步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接工作台上，以GTAW焊枪的位置为起始位置，确定GTAW焊枪与磨削装置在同一竖直截面内；

步骤二：调节手动十字丝杠滑台，确定钨极高度为3mm，即电极尖端距母材表面的距离为3mm，调节精度为±0.01mm；

步骤三：先打开焊机，再打开送丝机，最后打开单轴运动控制器；

步骤四：确定焊接参数，调节焊机的焊接电流、送丝机的送丝速度和焊接工作台的移动速度相适合，通保护气；

接下来分两种情况操作：

情况一：增材完一层磨削一层

步骤五：进行引弧，开始进行丝材电弧增材制造工作，丝材熔化凝固后，形成一道焊缝；

步骤六：打开磨削电源，确定磨削杆的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具带动磨削杆下降压到沉积好的制造层上，读取压力数值，保证施加压力大小恒定，进行磨削工作；

情况二：一边增材一边磨削

步骤五：打开磨削电源，确定磨削杆的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具带动磨削杆下降到前一沉积制造层的上方0.8mm处；

步骤六：进行引弧，开始丝材电弧增材制造和磨削复合工作，丝材熔化沉积成焊缝随工作台移动到磨削杆处进行磨削；

两种情况中无论哪种操作完成后都进行接下来的步骤：

步骤七：磨削工作结束后通过手动旋转手柄实现滑块夹具带动磨削杆上升远离制造层，关闭磨削电源；

步骤八：一般丝材电弧增材制造需要沉积许多层，则需要按顺序重复步骤一到步骤七来实现；

步骤九：焊接完成时，关闭焊机、送丝机和单轴运动控制器，焊接工作结束。

本发明的有益效果是：构件经磨削处理后，其表层通常会存在一定厚度的塑性变形层(原始晶粒细化)，电弧增材沉积层表面不平整、联生结晶致使晶粒粗大等问题也有所改善。

附图说明

图1为本发明所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置结构示意图；

图2为本发明所述的磨削装置结构示意图；

图3为本发明所述的圆柱式工具头结构示意图；

1：基板，2：竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台，3：滑块夹具，4：磨削装置，5：GTAW焊枪，6：送丝嘴，7：焊接工作台，8：水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台，9：送丝嘴安装架，10：焊枪安装架，11：手动十字丝杠滑台，12：机架，13：电弧增材制造层，14：送丝机，15：焊机，16：磨削电源，17：单轴运动控制器，4-1：壳体，4-2：608滚动轴承，4-3：碳刷，4-4：定子转子组合，4-5：6000滚动轴承，4-6：斜齿轮轴，4-7：斜齿轮，4-8：6203滚动轴承，4-9：夹头，4-10：磨削杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

1.参见图1-3说明本实施方式，一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，它包括基板1、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2、滑块夹具3、磨削装置4、GTAW焊枪5、送丝嘴6、焊接工作台7、水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8、送丝嘴安装架9、焊枪安装架10、手动十字丝杠滑台11、机架12、电弧增材制造层13、送丝机14、焊机15、磨削电源16、单轴运动控制器17，所述GTAW焊枪5与焊枪安装架10固定连接，所述焊枪安装架10与手动十字丝杠滑台11固定连接，通过手动十字丝杠滑台11实现GTAW焊枪5上下前后两个维度方向上的调节，所述手动十字丝杠滑台11与机架12固定连接，所述机架12与基板1固定连接，所述磨削装置4与滑块夹具3固定连接，所述滑块夹具3与竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2相连，通过竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2实现滑块夹具3上下方向的调节，所述竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2与基板1固定连接，所述焊接工作台7与水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8固定连接，通过水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8实现焊接工作台7左右一维方向上的调节，所述电弧增材制造层13与焊接工作台7固定连接，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8与基板1固定连接，所述GTAW焊枪5通过导线与焊机15相连，所述送丝嘴6通过导线与送丝机14相连，所述磨削装置4通过导线与磨削电源16相连，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8通过导线与单轴运动控制器17相连。

本实施例所述磨削装置4包括壳体4-1、608滚动轴承4-2、碳刷4-3、定子转子组合4-4、6000滚动轴承4-5、斜齿轮轴4-6、斜齿轮4-7、6203滚动轴承4-8、夹头4-9、磨削杆4-10，所述定子转子组合4-4通过608滚动轴承4-2和6000滚动轴承4-5与壳体4-1相连，所述碳刷4-3与定子转子组合4-4相连，所述斜齿轮轴4-6通过斜齿轮4-7与定子转子组合4-4相连，所述斜齿轮轴4-6通过6203滚动轴承4-8与壳体4-1相连，所述磨削杆4-10通过夹头4-9与斜齿轮轴4-6相连，所述转子定子组合4-4通过导线与磨削电源16相连。所述磨削杆4-10为旋转式工具头，所述定子转子组合4-4自带散热装置。所述旋转式工具头为圆柱式工具头，圆柱式工具头能够稳定、匀速转动。所述GTAW焊枪5通过焊枪安装架10与手动十字丝杠滑台4相连。所述焊接工作台8设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N，用于显示磨削装置4作用于焊接平台8的压力。所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台8、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2和手动十字丝杠滑台11的位移精度均为±0.01mm，所述水平方向伺服步进电机直线导轨滑台8的速度调节范围为0-500mm/s，调节精度为0.01mm/s。所述滑块夹具3为手动加压，所述滑块夹具3的压力变化范围为0N～120N，所述焊接工作台7承载能力不小于1000kg。所述焊机15包括直流模式、交流模式和交直流混合模式，所述送丝机14包括手动送丝和自动送丝两种模式，所述磨削电源16输出功率调节范围为1W-550W。

本实施例提供了一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置的使用方法，它包括以下步骤：

步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接工作台7上，以GTAW焊枪5的位置为起始位置，确定GTAW焊枪5与磨削装置4在同一竖直截面内；

步骤二：调节手动十字丝杠滑台11，确定钨极高度为3mm，即电极尖端距母材表面的距离为3mm，调节精度为±0.01mm；

步骤三：先打开焊机15，再打开送丝机14，最后打开单轴运动控制器17；

步骤四：确定焊接参数，调节焊机15的焊接电流、送丝机14的送丝速度和焊接工作台7的移动速度相适合，通保护气；

接下来分两种情况操作：

情况一：增材完一层磨削一层

步骤五：进行引弧，开始进行丝材电弧增材制造工作，丝材熔化凝固后，形成一道焊缝；

步骤六：打开磨削电源16，确定磨削杆4-10的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具3带动磨削杆4-10下降压到沉积好的制造层上，读取压力数值，保证施加压力大小恒定，进行磨削工作；

情况二：一边增材一边磨削

步骤五：打开磨削电源16，确定磨削杆4-10的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具3带动磨削杆4-10下降到前一沉积制造层的上方0.8mm处；

步骤六：进行引弧，开始丝材电弧增材制造和磨削复合工作，丝材熔化沉积成焊缝随工作台移动到磨削杆4-10处进行磨削；

两种情况中无论哪种操作完成后都进行接下来的步骤：

步骤七：磨削工作结束后通过手动旋转手柄实现滑块夹具3带动磨削杆4-10上升远离制造层，关闭磨削电源；

步骤八：一般丝材电弧增材制造需要堆积许多层，则需要按顺序重复步骤一到步骤七来实现；

步骤九：焊接完成时，关闭焊机15、送丝机14和单轴运动控制器17，焊接工作结束。

在进行不锈钢、Q235和钛及钛合金焊接时，焊机15采用直流模式，在进行铝及铝合金、镁及镁合金焊接时，焊机15则采用交流模式。GTAW焊枪5的高度为3mm，即钨极距母材表面的高度为3mm，可通过手动十字丝杠滑台11进行调节，调节精度为±0.01mm。磨削装置4由滑块夹具3通过竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2带动进行上下方向移动，通过手动旋转手柄施加压力，将磨削装置4与电弧增材制造层13以一定的压力紧密接触，焊接工作台7具有压力传感装置以及电子屏幕，可显示压力大小。竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台2与基板1固定连接，磨削装置4通过滑块夹具3固定在其上，磨削装置4不能像摇臂钻床那样摇动，只能保持一个固定方向。

以上对本发明所提供的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置及使用方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：它包括基板(1)、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台(2)、滑块夹具(3)、磨削装置(4)、GTAW焊枪(5)、送丝嘴(6)、焊接工作台(7)、水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)、送丝嘴安装架(9)、焊枪安装架(10)、手动十字丝杠滑台(11)、机架(12)、电弧增材制造层(13)、送丝机(14)、焊机(15)、磨削电源(16)、单轴运动控制器(17)，所述GTAW焊枪(5)与焊枪安装架(10)固定连接，所述焊枪安装架(10)与手动十字丝杠滑台(11)固定连接，通过手动十字丝杠滑台(11)实现GTAW焊枪(5)上下前后两个维度方向上的调节，所述手动十字丝杠滑台(11)与机架(12)固定连接，所述机架(12)与基板(1)固定连接，所述磨削装置(4)与滑块夹具(3)固定连接，所述滑块夹具(3)与竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台(2)相连，通过竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台(2)实现滑块夹具(3)上下方向的调节，所述竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台(2)与基板(1)固定连接，所述焊接工作台(7)与水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)固定连接，通过水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)实现焊接工作台(7)左右一维方向上的调节，所述电弧增材制造层(13)与焊接工作台(7)固定连接，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)与基板(1)固定连接，所述GTAW焊枪(5)通过导线与焊机(15)相连，所述送丝嘴(6)通过导线与送丝机(14)相连，所述磨削装置(4)通过导线与磨削电源(16)相连，所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)通过导线与单轴运动控制器(17)相连。

2.根据权利要求1所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述磨削装置(4)包括壳体(4-1)、608滚动轴承(4-2)、碳刷(4-3)、定子转子组合(4-4)、6000滚动轴承(4-5)、斜齿轮轴(4-6)、斜齿轮(4-7)、6203滚动轴承(4-8)、夹头(4-9)、磨削杆(4-10)，所述定子转子组合(4-4)通过608滚动轴承(4-2)和6000滚动轴承(4-5)与壳体(4-1)相连，所述碳刷(4-3)与定子转子组合(4-4)相连，所述斜齿轮轴(4-6)通过斜齿轮(4-7)与定子转子组合(4-4)相连，所述斜齿轮轴(4-6)通过6203滚动轴承(4-8)与壳体(4-1)相连，所述磨削杆(4-10)通过夹头(4-9)与斜齿轮轴(4-6)相连，所述转子定子组合(4-4)通过导线与磨削电源(16)相连。

3.根据权利要求2所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述(4-10)为旋转式工具头，所述定子转子组合(4-4)自带散热装置。

4.根据权利要求3所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述旋转式工具头为圆柱式工具头。

5.根据权利要求1所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述GTAW焊枪(5)通过焊枪安装架(10)与手动十字丝杠滑台(4)相连。

6.根据权利要求1所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述焊接工作台(8)设置有压力传感装置和电子屏幕，所述压力传感装置精度为±5N。

7.根据权利要求1所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述水平方向伺服步进电机滚珠丝杠直线导轨滑台(8)、竖直方向手动滚珠丝杠直线导轨滑台(2)和手动十字丝杠滑台(11)的位移精度均为±0.01mm。所述水平方向伺服步进电机直线导轨滑台(8)的速度调节范围为0-500mm/s，调节精度为0.01mm/s。

8.根据权利要求1所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述滑块夹具(3)为手动加压，所述滑块夹具(3)的压力变化范围为0N～120N，所述焊接工作台(7)承载能力不小于1000kg。

9.根据权利要求1-9所述的一种磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置，其特征在于：所述焊机(15)包括直流模式、交流模式和交直流混合模式，所述送丝机(14)包括手动送丝和自动送丝两种模式，所述磨削电源(16)输出功率调节范围为1W-550W。

10.一种如权利要求1所述的磨削同步复合GTAW电弧增材制造装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：清除待焊母材表面氧化膜，将母材固定在焊接工作台(7)上，以GTAW焊枪(5)的位置为起始位置，确定GTAW焊枪(5)与磨削装置(4)在同一竖直截面内；

步骤二：调节手动十字丝杠滑台(11)，确定钨极高度为3mm，即电极尖端距母材表面的距离为3mm，调节精度为±0.01mm；

步骤三：先打开焊机(15)，再打开送丝机(14)，最后打开单轴运动控制器(17)；

步骤四：确定焊接参数，调节焊机(15)的焊接电流、送丝机(14)的送丝速度和焊接工作台(7)的移动速度相适合，通保护气；

接下来分两种情况操作：

情况一：增材完一层磨削一层

步骤五：进行引弧，开始进行丝材电弧增材制造工作，丝材熔化凝固后，形成一道焊缝；

步骤六：打开磨削电源(16)，确定磨削杆(4-10)的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具(3)带动磨削杆(4-10)下降压到沉积好的制造层上，读取压力数值，保证施加压力大小恒定，进行磨削工作；

情况二：一边增材一边磨削

步骤五：打开磨削电源(16)，确定磨削杆(4-10)的转速恒定，通过手动旋转手柄实现滑块夹具(3)带动磨削杆(4-10)下降到前一沉积制造层的上方0.8mm处；

步骤六：进行引弧，开始丝材电弧增材制造和磨削复合工作，丝材熔化沉积成焊缝随工作台移动到磨削杆(4-10)处进行磨削；

两种情况中无论哪种操作完成后都进行接下来的步骤：

步骤七：磨削工作结束后通过手动旋转手柄实现滑块夹具(3)带动磨削杆(4-10)上升远离制造层，关闭磨削电源；

步骤八：一般丝材电弧增材制造需要沉积许多层，则需要按顺序重复步骤一到步骤七来实现；

步骤九：焊接完成时，关闭焊机(15)、送丝机(14)和单轴运动控制器(17)，焊接工作结束。

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