一種電弧增材與銑削復合加工方法及其產品的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電弧增材與銑削復合加工的方法，包括：(1)將需要加工零件的STL三維模型進行分層切片及路徑規劃，生成相應的G代碼，然后導入至電弧增材和銑削加工復合裝置中進行加工；(2)控制焊槍的開關，氬氣的開關以及復合裝置的運動，來進行電弧增材制造；(3)當使用焊槍堆積達到需要銑削加工的閾值時，暫停電弧增材加工，同時G代碼控制焊槍相對于銑刀抬高，成形件移動至銑刀下方進行輪廓和頂面的銑削加工；(4)如果加工滿足結束條件，結束加工，獲得加工零件；否則轉到步驟(2)，循環執行。本發明還公開了相應的產品。本發明可以使得電弧增材與銑削復合加工能夠有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。
【專利說明】
一種電弧増材與銑削復合加工方法及其產品
技術領域
[0001]本發明屬于電弧增材制造技術領域，更具體地，涉及一種電弧增材與銑削復合加工方法及其產品。
【背景技術】
[0002]電弧增材制造技術是采用電弧熔絲工藝進行金屬零件3D成形的工藝過程(WireArc Additive Manufacturing,WAAM)，即采用氬弧焊電弧作為熱源，將金屬絲材恪化逐層沉積從而制造出接近產品設計尺寸要求的三維金屬胚件。與其它金屬增材制造技術相比較，電弧增材制造技術具有設備投資少、制造效率高、設備運行穩定、運行成本低(電-電弧轉換率85%以上，對激光而言，電-光轉換率小于10%)等優點。然而電弧增材制造技術普遍存在加工精度不足的問題，若不進行后續機加工，很難保證其尺寸精度達到預期目標。
[0003]為了克服上述的缺陷，現有技術中出現了一種在電弧增材制造中融合數控銑削的解決方案，例如專利文獻CN105414981A中公開的一種方案，其包括電弧增材單元和銑削加工單元，所述銑削加工單元包括銑削加工頭，所述銑削加工單元和所述電弧增材單元相連接，電弧增材單元包括焊槍、支撐板、滑塊、固定槽、固定板、步進電機以及絲杠，焊槍一端與滑塊固定，焊槍另一端穿過支撐板的通孔，支撐板與步進電機相固定，固定板也與步進電機相固定，固定槽與固定板相固定，步進電機的輸出軸連接有絲杠，絲杠穿過滑塊上開設的螺紋通孔。該裝置將銑削加工單元結合至電弧增材單元上，進而一次性進行增材制造和切削復合加工，實現對加工零件的形貌尺寸進行控制，使工件的加工精確滿足使用要求。
[0004]但是，盡管該方案中披露了通過銑削加工介入進而提高形貌尺寸的精度控制，因為電弧增材制造與銑削加工兩種工藝是相互獨立的，銑削加工何時介入電弧增材工藝中，如何介入其中，以及兩者如何相互進行結合和協同加工并進行協調統一控制，是進行電弧增材與銑削復合加工的關鍵，是能否可以提高工件加工精度、獲取精確形貌尺寸的核心手段，該方案中并沒有提及，使得其在加工零件精度、形貌尺寸控制方面仍存在一定的不足。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種電弧增材與銑削復合加工的方法及相應的產品，其通過對電弧增材與銑削加工進行融合處理，并對銑削加工的介入時機進行設置和優化，從而可以使得電弧增材與銑削復合加工能夠有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種電弧增材與銑削復合加工的方法，其包括如下步驟:
[0007](I)將需要加工零件的三維模型進行分層切片及路徑規劃，生成相應的G代碼，然后將G代碼導入至電弧增材和銑削加工復合裝置中進行加工；
[0008](2)導入的G代碼系統控制焊槍的開關，氬氣的開關以及復合裝置的運動，來進行電弧增材制造；
[0009](3)當使用焊槍堆積達到需要銑削加工的閾值時，暫停電弧增材加工，同時G代碼控制焊槍相對于銑刀抬高，成形件移動至銑刀下方進行輪廓和頂面的銑削加工，以改善成形件表面精度和形貌尺寸；
[0010](4)如果加工滿足結束條件，結束加工，獲得加工零件；否則轉到步驟(2)，循環執行。
[0011]作為本發明的進一步優選，所述閾值通過如下過程獲得:
[0012]首先得出單條焊道的尺寸形態與焊接參數之間存在的關系，利用實驗得到的尺寸形態數據對單道焊縫進行建模，得到焊接參數與模型之間的關系；
[0013]然后，經過模型與單道焊縫的對比，從而確定單道拋物線模型；
[0014]之后，將單道拋物線模型進行等間距排列，各焊道之間通過圓弧進行連接，通過所述單道拋物線模型的函數方程及其與圓弧之間的幾何關系，得到道間距P，層厚T與焊接參數之間的關系；
[0015]根據所選用的焊接參數，進行計算得出單道拋物線模型的層厚，將其作為所述閾值。
[0016]作為本發明的進一步優選，所述單條焊道的尺寸形態包括熔寬和熔高。
[0017]作為本發明的進一步優選，所述焊接參數包括焊接速度、送絲速度和焊接電壓。
[0018]按照本發明的另一方面，提供一種利用上述電弧增材與銑削復合加工的方法所制備的工件。
[0019]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0020](I)本發明中，將對銑削加工的介入時機進行優化，使得電弧增材與銑削復合加工能夠有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好；
[0021](2)本發明中，通過優化的算法使得銑削加工的介入通過增加加工的厚度閾值進行體現，即通過單道拋物線模型以及焊接參數，獲得模型層厚作為加工閾值，從而實現銑削加工的精準介入；
[0022](3)本發明的方法可以使得電弧增材與銑削復合加工能夠有效融合，加工效率高，加工零件的精度以及形貌尺寸控制更好。
【附圖說明】
[0023]圖1為按照本發明實施例所構建的復合加工方法的總體流程圖；
[0024]圖2為按照本發明實施例所構建的方法中加工的工件形貌特征圖；
[0025]圖3為按照本發明實施例所構建的方法中的復合銑削電弧增材制造系統原理圖；
[0026]圖4為按照本發明實施例所構建的方法中的電弧增材和銑削復合加工裝置示意圖；
[0027]圖5為按照本發明實施例所構建的方法中的電弧增材和銑削復合加工裝置主視圖；
[0028]圖6為按照本發明實施例所構建的電弧增材和銑削復合工藝具體流程圖；
[0029]圖7為按照本發明實施例所構建的方法中獲得閾值的單道拋物線模型示意圖；
[0030]圖8為按照本發明實施例所構建的方法中獲得閾值的單層多道拋物線模型示意圖；
[0031]圖9為按照本發明實施例所構建的方法中的路徑規劃方法示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0033]本發明一個實施例的電弧增材與銑削復合加工方法，其中可以利用任意的具有電弧增材與銑削裝置集成的加工設備來實現，例如一個實施例中可以利用專利文獻CN105414981A中的一種電弧增材和銑削復合加工裝置來實施。
[0034]具體來說，如圖4和5所示，該實施例中，其中的電弧增材和銑削加工裝置包括電弧增材單元I和銑削加工單元2。其中，銑削加工單元2整體設置在機床上，其包括銑削加工頭21，銑削加工單元2和所述電弧增材單元I相連接，以能整體移動，電弧增材單元包括焊槍U、支撐板12、滑塊13、固定槽14、固定板15、步進電機16以及絲杠17，焊槍11 一端與滑塊13固定，焊槍11另一端穿過支撐板12的通孔，支撐板12與步進電機16相固定，固定板15也與步進電機16相固定，固定槽14與固定板15通過螺釘相固定，步進電機16的輸出軸通過聯軸器18用與絲杠17固定在一起。絲杠17穿過滑塊13上開設的螺紋通孔，以能帶動滑塊13往復移動，進而帶動焊槍11上下移動，焊槍11內設置有與外接陽極相連的焊絲。
[0035]連接板3—端呈筒狀，以供銑削加工頭21穿入并與連接板3固定，連接板3另一端呈板狀，以通過緊固件與固定槽14相固定。電弧增材單元I和銑削加工單元2通過連接板相連接連接，電弧增材單元I和銑削加工單元2可以整體移動，即整體發生上下、左右以及前后的移動，在步進電機的驅動下，絲杠運動，帶動焊槍相對銑削加工頭上下移動，使銑削加工頭和焊槍具有相對距離差，方便進行增材制造或者是切削加工。
[0036]固定槽14呈矩形體狀，滑塊13內嵌在所述固定槽14內，以在固定槽14約束下平穩上下滑動。
[0037]電弧增材單元整體固定在三軸數控機床平臺上，銑削加工單元與電弧增材單元固定在一起，由步進電機16通過聯軸器18帶動絲杠17進行轉動，從而絲杠上面的滑塊13進行上下運動。焊槍11固定在滑塊13上的，從而能自動調節焊槍11的上下位置，形成機床的第四軸，進行增材制造，相應地，銑削加工單元移動到合適位置進行銑削加工。
[0038]如圖3和6所示，整個機械結構的運動由數控機床利用G代碼進行控制，具體的復合加工總體工藝過程為:
[0039](I)將需要加工的stl格式的模型導入至軟件中，進行三維模型的切片及路徑規劃，生成相應的G代碼，然后將G代碼導入至電弧增材和銑削加工復合裝置(數控加工裝置)中進行加工；
[0040](2)電弧增材制造:使用自定義的代碼控制焊槍的開關，讀取并運行導入的G代碼，進行電弧增材制造；
[0041]—般是通過導入的G代碼系統控制焊槍的開關，氬氣的開關以及復合裝置的運動，來進行電弧增材制造。
[0042](3)銑削加工:當使用焊槍堆積達到需要銑削加工閾值(例如到預定層數)時，焊槍通過第四軸抬高，轉為銑削過程來消除尺寸誤差，成形件移動至銑刀下方進行輪廓和頂面的銑削加工，以改善成形件表面精度和形貌尺寸，避免了可能產生的相互干涉。
[0043](4)如果加工滿足結束條件，結束加工，獲得加工零件；否則轉到步驟(2)，循環執行。
[0044]具體來說，如圖3所示，首先利用CAD軟件進行模型建模，并導出STL格式的模型文件，之后對的STL模型文件進行分層切片處理和路徑規劃，生成相應的G代碼，然后將G代碼導入至數控機床中進行加工。
[0045]本方案中，為了提高產品加工精度，對于電弧增材加工中銑削加工的介入進行了具體的規劃和設置，使得電弧增材加工與銑削加工可以有效融合，即復合銑削的電弧增材制造過程分為電弧增材和銑削兩個部分，其中銑削又可分為對輪廓的銑削和對成形頂面的銑削。整個復合銑削電弧增材制造流程如圖1所示。
[0046]銑削加工介入時機的閾值是本方案中一個關鍵的因素，也是加工精度和效率的重要影響因子。本方案中，根據焊接參數與焊接尺寸的關系，通過正交試驗利用理論分析獲得相應的閾值，從而作為銑削加工介入時機，實現高精度的復合加工。
[0047]本方案中，通過正交試驗，首先得出單條焊道的尺寸形態(熔寬、熔高)與焊接參數(焊接速度、送絲速度、焊接電壓等)之間存在的關系，利用實驗得到的熔寬熔高數據對單道焊縫進行建模，得到焊接參數與模型之間的關系。然后，經過模型與單道焊縫的對比，從而確定使用拋物線模型，如圖7所示。之后，將單道拋物線模型按一定的道間距P進行排列，道與道之間通過圓弧進行連接，如圖8所示。通過單道拋物線模型的函數方程及其與圓弧之間的幾何關系，可以得到道間距P，層厚T與焊接參數(接速度、送絲速度、焊接電壓等)之間的關系。
[0048]由此，可以根據所選用的焊接參數，進行計算得出模型的層厚。在加工前，將得出的層厚設為閾值，即如果經過一層電弧堆積之后，達到了此閾值，則進行銑削加工，反之繼續進行電弧堆積。
[0049]—個實施例中，根據加工需要預選合適的工藝參數，然后根據當前工藝參數對應的堆積焊跡形貌，設置合適的堆焊層數為閾值，一旦堆焊到到設置層數后進行銑削加工。由于層數閾值是可以調節的，能夠很好的適應不同參數以及不同模型下的加工需求，即堆焊到一定層數后進行銑削加工處理堆焊層，循環往復，完成最后一層加工后，對零件的頂面進行銑削加工。與此同時可以根據當前模型的形貌尺寸特征設定在堆焊到某些特殊層高后進行銑削處理，來保證成形件的形貌特征精度。
[0050]另一個實施例中，在加工裝置上可以安裝高度測量儀與輪廓測量儀，可以實時監控加工零件的形貌尺寸，并反饋至上位機中，與模型的形貌尺寸進行計算對比。無論是豎直方向，還是水平方向，如果沒有超出預定的閾值，就繼續進行電弧堆積;反之進行銑削加工。
[0051]如圖2凸臺，模型層高Hl和H2分別為保證凸臺形貌尺寸的特殊層高，可以設置Hl和H2為閾值來觸發銑削加工。對于不同模型，其保證形貌尺寸的一些特殊層高不盡相同，因此可以根據工藝參數數據庫和當前模型形貌特征來設置這些層高閾值。具體操作中，可以通過在軟件中預先設置閾值，再結合路徑規劃策略及自定義的輔助數控指令，生成能夠控制整個工藝流程的數控代碼，寫入TXT格式文件中，最后將TXT格式控制文件導入實驗平臺進行金屬件成形制造過程。
[0052]本方案中，復合銑削的電弧增材路徑規劃可分為電弧增材路徑規劃和銑削路徑規劃兩個部分，其中銑削路徑規劃又可分為輪廓銑削路徑的規劃和頂面銑削路徑的規劃。如圖9所示為復合銑削的電弧增材制造路徑規劃方法示意圖，根據實際需求分別為每部分設計合適的路徑規劃策略后，再結合圖1所示復合銑削電弧增材制造流程以及焊銑坐標變換方法，便可形成適合整個工藝流程的復合路徑規劃策略。整個弧增材銑削復合加工過程的控制使用同一套數控代碼，通過軟件模塊導入模型，輸入相應的堆焊以及銑削參數，電弧增材制造過程作為加法，銑削加工作為減法，綜合兩者的優點滿足了金屬零件制造快速性、成形件表面高精度的要求。
[0053]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種電弧增材與銑削復合加工的方法，其包括如下步驟: (1)將需要加工零件的三維模型進行分層切片及路徑規劃，生成相應的G代碼，然后將G代碼導入至電弧增材和銑削加工復合裝置中進行加工； (2)通過導入的G代碼控制焊槍的開關，保護氣的開關以及復合裝置的運動，進行電弧增材制造； (3)在使用焊槍堆積達到需要銑削加工的閾值時，暫停電弧增材加工，同時G代碼控制焊槍相對于銑刀抬高，工件被移動至銑刀下方進行輪廓和頂面的銑削加工，以改善其表面精度和形貌尺寸； (4)如果加工滿足結束條件，結束加工，獲得加工零件;否則轉到步驟(2)，循環執行。2.根據權利要求1所述的一種電弧增材與銑削復合加工的方法，其中，所述閾值通過如下過程獲得: 首先得出單條焊道的尺寸形態與焊接參數之間存在的關系，利用實驗得到的尺寸形態數據對單道焊縫進行建模，得到焊接參數與模型之間的關系； 然后，經過模型與單道焊縫的對比，從而確定單道拋物線模型； 之后，將單道拋物線模型進行等間距排列，各焊道之間通過圓弧進行連接，通過所述單道拋物線模型的函數方程及其與圓弧之間的幾何關系，得到道間距P，層厚T與焊接參數之間的關系； 根據所選用的焊接參數，進行計算得出所述單道拋物線模型的層厚，即為所述閾值。3.根據權利要求2所述的一種電弧增材與銑削復合加工的方法，其中，所述單條焊道的尺寸形態包括熔寬和熔高。4.根據權利要求2或3所述的一種電弧增材與銑削復合加工的方法，其中，所述焊接參數包括焊接速度、送絲速度和焊接電壓。5.利用權利要求1-4中任一項所述的電弧增材與銑削復合加工的方法所制備的工件。
【文檔編號】B23C3/00GK106002277SQ201610353372
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】高亮, 樊建勛, 李新宇, 夏然飛, 閆峘宇, 劉文潔
【申請人】華中科技大學