本發(fā)明屬于電弧加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種增減材復(fù)合加工設(shè)備及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
電弧增材制造技術(shù)(Wire Additive Manufacture,WAAM)是采用電弧作為熱源，將金屬絲材熔化逐層沉積從而制造出接近產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸要求的三維金屬胚件，再輔以少量機(jī)械加工最終達(dá)到產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)要求的一種快速制造方法。它具有沉積效率高、成本低等特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)高性能高溫合金、鈦合金、鋁合金和高強(qiáng)鋼等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速制造。WAAM熔敷過程中可以對不同結(jié)構(gòu)采用不同種的材料，從而極大提高制造柔性；對幾何形狀尤其是角度不敏感，制造過程中一般不需要添加輔助支撐，極大地拓展了金屬增材制造的應(yīng)用范圍。
基于WAAM技術(shù)制造產(chǎn)品能夠避免大尺寸鑄/鍛零件的氣孔、偏析及微裂紋，采用全熔堆焊方式所成形的零件組織、力學(xué)性能也強(qiáng)于鑄鍛件。比鍛造技術(shù)產(chǎn)品節(jié)約原材料，尤其是貴重金屬材料。因而，金屬零件的電弧成形技術(shù)有廣闊的前景，有關(guān)金屬絲增材制造技術(shù)成為國內(nèi)外3D打印領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
然而，對于表面形狀復(fù)雜、帶有內(nèi)流道的復(fù)雜機(jī)械零件而言，傳統(tǒng)精密加工方法由于機(jī)械刀具無法逼近，零件后處理一般無法進(jìn)行數(shù)控自動加工。而人工后處理雖然可以改善表面光潔度，但無法精確控制尺寸精度，也難以處理類似內(nèi)流道等實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面。釆用電化學(xué)加工方法加工精密模具速度緩慢，且數(shù)控編程復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種增減材復(fù)合加工設(shè)備及其應(yīng)用，其目的在于充分發(fā)揮電弧增材制造成型效率高制造成本低、適合零件修復(fù)和直接制造、室內(nèi)或野外作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，同時解決現(xiàn)有電弧增材制造表面質(zhì)量差，精度低和只能打印簡單結(jié)構(gòu)件的問題，這種邊打印成形邊精密加工的精復(fù)合工方法非常適合自動加工表面形狀復(fù)雜、帶有內(nèi)流道的復(fù)雜機(jī)械零件，且精確控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技術(shù)問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種增減材復(fù)合加工設(shè)備，其特征在于，包括在線金屬弧焊增材制造裝置和數(shù)控多軸聯(lián)動加工裝置，其中，
所述在線金屬弧焊增材制造裝置包括焊接機(jī)器人和焊機(jī)系統(tǒng)，所述焊機(jī)系統(tǒng)安裝在所述焊接機(jī)器人，以用于實(shí)施增材加工；
所述多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)包括三維測量裝置和多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)，所述三維測量裝置用于測量零件的輪廓信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過接收的輪廓信息獲得零件的實(shí)際輪廓，再與理論三維模型進(jìn)行比較得到誤差，所述多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)用于對零件實(shí)施減材加工，以使實(shí)際輪廓與理論三維模型的所述誤差控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，還包括熱處理裝置，所述熱處理裝置包括水冷箱及放置在所述水冷箱內(nèi)的墊板，所述水冷箱固定安裝在升降工作臺上，所述墊板用于承接增材加工形成的零件，所述墊板通過冷卻銅塊安裝在所述水冷箱內(nèi)，所述冷卻銅塊內(nèi)設(shè)置有循環(huán)水路，以用于冷卻零件，并且所述水冷箱上設(shè)置有與所述循環(huán)水路連通的進(jìn)水口和出水口，所述墊板上設(shè)置有溫控系統(tǒng)，以用于檢測所述墊板上的溫度并傳送給計(jì)算機(jī)，以讓計(jì)算機(jī)控制所述循環(huán)水路的開閉。
按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種利用增減材復(fù)合加工設(shè)備進(jìn)行加工的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)基于零件破損處3D形貌特征及模型加工信息的自由曲面工藝規(guī)劃算法，采用曲面加工路徑方式以避免熱量積累，獲取待加工零件的CAD模型，基于曲面分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層，以生成零件增材加工路徑；
(2)根據(jù)實(shí)體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點(diǎn)處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)的切削頭的工作的位置參數(shù)及局部機(jī)加工軌跡，并將各個局部機(jī)加工軌跡連結(jié)，以生成零件輪廓的機(jī)加工路徑；
(3)根據(jù)步驟(1)中生成的零件增材加工路徑，驅(qū)動焊接機(jī)器人和焊機(jī)系統(tǒng)按照切片路徑行走的同時，熔化金屬絲，金屬熔滴沉積成一層；將電弧熔化后的金屬絲熔滴進(jìn)行自然冷卻，以形成實(shí)體毛坯；
(4)根據(jù)步驟(2)中生成的零件輪廓的機(jī)加工路徑，驅(qū)動多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)的刀具運(yùn)動，并在三維測量裝置的配合下，對步驟(3)生成的實(shí)體毛坯的輪廓進(jìn)行精加工；
(5)在精加工完畢后，升降工作臺帶動實(shí)體毛坯下降一層的高度；
(6)重復(fù)步驟(3)至(5)，直至加工出整個零件。
優(yōu)選地，針對待加工零件中包括懸臂和裙邊特征在內(nèi)的結(jié)構(gòu)，加入預(yù)成形填充塊，并將上述打印路徑轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人離線編程語言程序，以驅(qū)動焊接機(jī)器人的噴頭移動。
優(yōu)選地，在零件的成形過程中，零件位于水冷箱內(nèi)，水冷箱內(nèi)的水路保持暢通，用以對零件降溫，水冷箱根據(jù)零件的熱處理需要與否，通過控制水位對零件進(jìn)行水冷處理。
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：
1)本發(fā)明的在線金屬弧焊增材制造裝置和數(shù)控多軸聯(lián)動加工裝置可以分別進(jìn)行增材制造和減材制造，能夠精確地保證零件的成形輪廓和成形精度；
2)本發(fā)明在加工零件時可以使用水冷箱對零件進(jìn)行熱處理，提高零件的性能；
3)本發(fā)明充分發(fā)揮電弧增材制造成型效率高制造成本低、適合零件修復(fù)和直接制造、室內(nèi)或野外作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，同時解決現(xiàn)有電弧增材制造表面質(zhì)量差，精度低和只能打印簡單結(jié)構(gòu)件的問題，這種邊打印成形邊精密加工的精復(fù)合工方法非常適合自動加工表面形狀復(fù)雜、帶有內(nèi)流道的復(fù)雜機(jī)械零件，且精確控制尺寸精度和表面粗糙度控制的技術(shù)問題；
4)本發(fā)明不僅能夠解決現(xiàn)有精密加工方法難以自動加工形狀復(fù)雜(尤其是內(nèi)腔復(fù)雜且還有精度要求)，能夠充分發(fā)揮電弧增材制造效率高，能耗低，環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時解決傳統(tǒng)電弧增材制造零件精度低尺寸小的技術(shù)問題。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的增減材復(fù)合加工設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
參照圖1，一種增減材復(fù)合加工設(shè)備，包括在線金屬弧焊增材制造裝置5和數(shù)控多軸聯(lián)動加工裝置6，其中，
所述在線金屬弧焊增材制造裝置5包括焊接機(jī)器人和焊機(jī)系統(tǒng)，所述焊機(jī)系統(tǒng)安裝在所述焊接機(jī)器人，以用于實(shí)施增材加工；
所述多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)包括三維測量裝置8和多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)，所述三維測量裝置8用于測量零件1的輪廓信息并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過接收的輪廓信息獲得零件1的實(shí)際輪廓，再與理論三維模型進(jìn)行比較得到誤差，所述多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)用于對零件1實(shí)施減材加工，以使實(shí)際輪廓與理論三維模型的所述誤差控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
進(jìn)一步，還包括熱處理裝置，所述熱處理裝置包括水冷箱9及放置在所述水冷箱9內(nèi)的墊板2，所述水冷箱9固定安裝在升降工作臺4上，所述墊板2用于承接增材加工形成的零件1，所述墊板2通過冷卻銅塊3安裝在所述水冷箱9內(nèi)，所述冷卻銅塊3內(nèi)設(shè)置有循環(huán)水路，以用于冷卻零件1，并且所述水冷箱9上設(shè)置有與所述循環(huán)水路連通的進(jìn)水口91和出水口92，所述墊板2上設(shè)置有溫控系統(tǒng)7，以用于檢測所述墊板2上的溫度并傳送給計(jì)算機(jī)，以讓計(jì)算機(jī)控制所述循環(huán)水路的開閉。
按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種利用增減材復(fù)合加工設(shè)備進(jìn)行加工的方法，包括以下步驟：
(1)基于零件1破損處3D形貌特征及模型加工信息的自由曲面工藝規(guī)劃算法，采用曲面加工路徑方式以避免熱量積累，獲取待加工零件1的CAD模型，基于曲面分層切片方法將CAD模型從最底層一直分層到最頂層，以生成零件1增材加工路徑；
(2)根據(jù)實(shí)體的切片輪廓及該輪廓位置的三角形外法矢方向，按照磨頭刀位點(diǎn)處必須與該三角形面片相切的原則獲得該位置的多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)的切削頭的工作的位置參數(shù)及局部機(jī)加工軌跡，并將各個局部機(jī)加工軌跡連結(jié)，以生成零件1輪廓的機(jī)加工路徑；
(3)根據(jù)步驟(1)中生成的零件1增材加工路徑，驅(qū)動焊接機(jī)器人和焊機(jī)系統(tǒng)按照切片路徑行走的同時，熔化金屬絲，金屬熔滴沉積成一層；將電弧熔化后的金屬絲熔滴進(jìn)行自然冷卻，以形成實(shí)體毛坯；
(4)根據(jù)步驟(2)中生成的零件1輪廓的機(jī)加工路徑，驅(qū)動多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)的刀具運(yùn)動，并在三維測量裝置8的配合下，對步驟(3)生成的實(shí)體毛坯的輪廓進(jìn)行精加工；
(5)在精加工完畢后，升降工作臺4帶動實(shí)體毛坯下降一層的高度；
(6)重復(fù)步驟(3)至(5)，直至加工出整個零件1。
進(jìn)一步，針對待加工零件1中包括懸臂和裙邊特征在內(nèi)的結(jié)構(gòu)，加入預(yù)成形填充塊，并將上述打印路徑轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人離線編程語言程序，以驅(qū)動焊接機(jī)器人的噴頭移動。
進(jìn)一步，步驟(1)中切片后的層厚度為1毫米～20毫米，步驟(3)中金屬絲的熔化溫度為1000～2000℃。
本發(fā)明還研制了移動式運(yùn)載平臺，并將在線金屬弧焊3D打印系統(tǒng)所有裝備放在該移動式運(yùn)載平臺上，以便滿足野外環(huán)境對設(shè)備機(jī)動性的要求。
本發(fā)明所采用的打印材料是由金屬焊絲，并且是加工成形制件的原材料。本發(fā)明采用了焊接機(jī)器人氣體保護(hù)冷焊接工藝，打印半徑可以達(dá)到1400mm，單層打印寬度2mm，高度4mm,都比傳統(tǒng)的激光3D打印效率高很多，而且比早期弧焊打印裝置能打印更大尺寸的零件1。
多軸聯(lián)動精密加工系統(tǒng)用于在焊接機(jī)器人工作時，將磨頭和磨頭主軸移動到增材制造系統(tǒng)的邊緣，并保持靜止?fàn)顟B(tài)，在焊接打印搶停止工作后，在三維測量裝置8的反饋支持下，多軸聯(lián)動系統(tǒng)用于將研磨磨頭和磨頭主軸移動到成形制件的上方幵始研磨工作，直到達(dá)到所需零件1的精度要求。
對于焊接機(jī)器人，首先通過示教建立工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系，其中工件坐標(biāo)系與程序生成軌跡坐標(biāo)系重合。其次通過手持操作盒將機(jī)器人運(yùn)行到離打印工件較近的位置(主要為了避免發(fā)生干涉)。然后將在工控機(jī)上生成的程序離線下載到機(jī)器人。最后，在機(jī)器人選定傳送過來的程序，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動。
本發(fā)明的思路在于，將待成形零件1沿指定方向分成若干一定層厚(具體為1毫米至20毫米)的細(xì)層，釆用電弧絲材增材制造技術(shù)加工每一層的毛坯，然后變換工位，釆用高速研磨技術(shù)將該層毛坯研磨精加工為滿足尺寸精度與表面粗糙度要求的零件1實(shí)體，如此逐層往復(fù)沉積制造，直到將整個零件1加工完畢。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。