一种基于曲面法向约束及沉积筋路动态自承托搭接的薄壁叶片无支撑CMT增材成形方法及系统

本发明涉及电弧熔丝增材制造及多轴曲面沉积控制技术，具体涉及一种基于曲面法向约束、已沉积筋路宽度反馈和筋路动态自承托搭接的薄壁叶片无牺牲性实体支撑cmt增材成形方法及系统。

背景技术：

1、航空发动机及燃气轮机薄壁叶片具有扭转曲面、曲率变化和局部悬伸等特征。采用冷金属过渡（coldmetaltransfer，cmt）电弧增材制造时，熔池尺寸、热积累、重力方向及曲面姿态共同影响熔池铺展，悬伸区域容易出现下淌、边缘塌陷和尺寸偏差。

2、现有技术通常需预先打印实体支撑结构来约束熔池，例如，在悬空区域下方构建栅格状或块状支撑。这种方法虽能提高成形稳定性，但存在以下显著弊端：①增加了昂贵的钛合金或高温合金丝材消耗，材料利用率降低；②后处理需人工或机械去除支撑，不仅延长制造周期，还易损伤薄壁表面；③支撑结构的设计和路径规划复杂，降低了增材制造的整体柔性。另有研究通过优化焊枪姿态和沉积轨迹来改善曲面熔覆质量，但这类方法并未从原理上消除对约束边界的依赖，在较大悬空跨度下仍然无法避免熔池失稳。

3、因此，需要一种能够从已有实体区域开始逐道向悬伸区域拓展、无需另行构建和去除牺牲性实体支撑，并可在曲率和实际筋宽变化条件下维持局部搭接状态的薄壁叶片cmt增材成形方法及系统。

技术实现思路

1、3.1技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：在薄壁叶片复杂曲面cmt增材成形过程中，如何在不构建牺牲性实体支撑的条件下，根据已沉积筋路实际尺寸动态生成后续曲面沉积路径，并维持熔池的局部承托、润湿和热状态稳定。

3、3.2技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明首先在目标曲面上建立由局部曲面法向n、沉积运动方向t和侧向拓展方向s构成的局部坐标系，并从与基板或叶片已有实体区域连接的起始区域沉积基准筋。基准筋及后续已凝固筋路均属于最终叶片实体，而非成形后需要去除的辅助支撑。

5、对于第i条已沉积筋路，沿其归一化弧长参数u测量实际成形宽度，以计算下一筋路中心轨迹间距，其中1/3≤≤1/2；以定义名义搭接宽度。将偏移点重新投影至目标曲面，得到下一筋路路径。由此，下一筋路的一部分覆盖于前一道已凝固筋路的上表面和侧壁区域，其余部分向无牺牲性实体支撑的一侧拓展。

6、沉积过程中，五轴联动机构根据局部曲面法向连续调整焊枪姿态；视觉采集单元、温度检测单元和数控控制系统共同形成测量、计算、路径更新和工艺执行闭环。当前一道筋路的待搭接区域达到预设凝固及层间温度条件后再执行下一筋路沉积。

7、与采用固定道间距或另行构建牺牲性支撑的方式相比，本发明能够使搭接几何随已沉积筋路实际宽度变化而更新，降低筋宽波动导致的局部欠搭接或过搭接风险；利用属于最终零件的前一道筋路形成局部底部承托和侧向润湿边界，减少辅助支撑材料及支撑去除工序；通过曲面回投影和法向随动提高路径与目标曲面的几何一致性；通过层间温度和熔池尺寸反馈抑制连续沉积产生的热积累。

8、3.3有益效果

9、（1）无需构建和去除牺牲性实体支撑，减少支撑材料消耗及后处理工序，避免薄壁表面损伤；

10、（2）已凝固筋路对后一道熔池形成底部承托和侧向润湿边界，提高悬伸区域熔池稳定性；

11、（3）中心轨迹间距根据实测筋宽动态调整，减少过搭接或欠搭接，保证搭接质量；

12、（4）五轴联动使焊枪轴线沿局部曲面法向随动，提高曲面成形精度；

13、（5）视觉和温度反馈闭环控制热输入与路径，抑制热积累，提高工艺鲁棒性。

14、4.说明书附图

15、结合附图对本发明作进一步说明，各附图中的相同附图标记表示相同或者相应的技术特征。

16、图1为本发明薄壁基层无牺牲性实体支撑cmt增材成形方法的主流程图；

17、图2为本发明cmt增材成形系统的组成示意图；

18、图3为本发明目标曲面上的局部坐标系、基准沉积路径、侧向偏移及曲面回投影示意图；

19、图4为本发明相邻筋路中心轨迹间距、名义搭接宽度及无牺牲性实体支撑拓展关系的几何示意图；

20、图5为本发明前一道已凝固筋路对后一道熔池形成局部底部承托和侧向润湿边界的动态自承托搭接机理示意图；

21、图6为本发明薄壁基层、过渡保护层及法向增厚层的结构示意图。

22、附图标记：1—五轴联动数控机床；2—cmt焊接系统；3—数控控制系统；4—曲面路径规划模块；5—熔池监测模块；6—基板或已有实体区域；7—叶片目标曲面；8—基准沉积路径；9—基准筋或前一道已凝固筋路；10—第一相邻筋路；12—侧向拓展方向；13—沉积运动方向；14—局部曲面法向；15—中心轨迹间距；16—焊枪；17—焊丝；18—熔池；19—已沉积筋路侧壁；20—冶金结合及润湿区域；21—薄壁基层；22—过渡保护层；23—法向增厚层；24—焊枪姿态调整方向。

1.一种基于曲面法向约束的筋路自承托cmt电弧增材制造薄壁叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1包括：在离散点的点云邻域内进行主成分分析，取最小特征值对应的单位特征向量作为局部曲面法向，并根据相邻离散点的法向内积对法向方向进行连续化；将预设制造基准方向a投影至局部切平面，按照)获得沉积运动方向，并按照获得侧向拓展方向；当所述制造基准方向a与局部曲面法向平行或近似平行时，采用目标曲面的参数线切向或前一离散点的沉积运动方向作为备用基准方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中心轨迹间距是第i条已沉积筋路的中心轨迹与下一筋路的中心轨迹在局部切平面上的投影距离，所述名义搭接宽度不小于承托宽度下限,所述由同材质、同焊丝直径及保护气体条件下的单道及两道搭接标定试验确定为使熔池在无牺牲性实体支撑一侧不塌陷的最小搭接宽度；根据局部曲面倾斜程度、局部曲率及待搭接区域的温度状态从1/3至1/2的范围内选择，并对沿程相邻采样点的进行限幅和平滑处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中采用经尺寸标定的视觉采集单元获取第i条已沉积筋路的图像，依次进行感兴趣区域截取、弧光抑制、灰度或亮度归一化、边缘提取和异常点剔除，获得筋路两侧边缘；按照第i条已沉积筋路的归一化弧长参数u将图像测量点转换到机床坐标系，形成沿程宽度函数，并将经滤波后的用于计算下一筋路的沉积路径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积下一筋路之前，温度检测单元测量第i条已沉积筋路的待搭接区域温度；当高于由同材质单道沉积标定试验确定的层间温度上限时，暂停下一筋路沉积直至不高于，或者降低焊接线能量；当熔池宽度或长度超过预设上限时，优先降低送丝速度或焊接电流、提高焊枪行走速度，并在1/3至1/2范围内减小以增加名义搭接宽度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一cmt工艺参数包括平均电流80a至120a、送丝速度3.5m/min至5.0m/min，所述第二cmt工艺参数包括平均电流50a至80a、送丝速度2.0m/min至3.5m/min；焊枪行走速度通过与所用材料、焊丝直径及保护气体条件相同的单道沉积标定试验确定，且五轴联动机构将焊枪轴线与局部曲面法向之间的夹角误差控制在±5°以内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述连续薄壁基层上采用第三cmt工艺参数沉积过渡保护层，所述第三cmt工艺参数的单位长度线能量为所述第二cmt工艺参数的60%至80%，所述单位长度线能量按照电弧电压与焊接电流对时间的积分除以焊枪行走距离计算；在过渡保护层达到预设层间温度条件后进行法向增厚沉积，并根据目标壁厚与后续机械加工余量确定停止增厚的时刻。

8.一种薄壁叶片无支撑cmt增材成形系统，其特征在于，包括五轴联动数控机床、cmt焊接系统、视觉采集单元、温度检测单元和数控控制系统；所述五轴联动数控机床用于驱动焊枪与工件产生三轴平移和至少两轴相对转动；所述cmt焊接系统用于存储并调用至少三组工艺参数；所述视觉采集单元用于获取已沉积筋路图像，所述温度检测单元用于获取已沉积筋路待搭接区域的温度；所述数控控制系统包括曲面路径规划模块、筋宽提取模块、偏移计算模块、坐标转换模块和运动控制模块，用于根据已沉积筋路实际成形宽度计算下一筋路的中心轨迹间距，将偏移轨迹投影至目标曲面，并输出焊枪位置、焊枪姿态及cmt工艺参数切换指令。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述视觉采集单元包括ccd或cmos相机、与电弧辐射谱线错开的带通滤光片及尺寸标定组件，所述温度检测单元包括红外温度传感器；所述视觉采集单元与温度检测单元的测量数据均带有时间戳和机床位置标识，以使测量数据按照归一化弧长参数与已沉积筋路的位置对应。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述曲面路径规划模块被配置为根据局部曲面法向、沉积运动方向和侧向拓展方向构建局部坐标系，所述偏移计算模块被配置为按照计算中心轨迹间距并按照计算名义搭接宽度，所述坐标转换模块被配置为将偏移点重新投影至目标曲面，所述运动控制模块被配置为使焊枪轴线沿所述局部曲面法向连续随动。