一种机器人末端带辅助装置的悬空结构增材工艺的制作方法

1.本发明属于受控电弧增材制造技术领域，具体涉及一种机器人末端带辅助装置的悬空结构增材工艺。


背景技术：

2.电弧增材制造技术(wire and arc additive manufacturing,waam)属于金属增材制造领域，是一种近年来发展势头强劲的快速成形技术。基于离散-堆积的制造原理，以电弧作为热源熔化金属丝材然后逐层熔覆沉积，最终实现零件的成形。该技术成形出的零件与传统的锻造、机加工件相比具有强度高、韧性好、化学成分均匀、致密度高等优点。与激光和电子束作为热源的增材制造技术相比，具有生产成本和设备成本低、材料利用率高、沉积效率高、层间结合能力好等优点广泛应用于航空航天、汽车制造、航海等领域。
3.零件的堆积成形过程是以高温熔融态的金属熔滴过渡方式进行的，熔覆过程中，前后层会经历复杂的热循环过程，其中会导致热量积累难以散热，熔池过热易流淌从而出现坍塌的现象最终导致零件无法成形。这种逐层堆积的方式难以实现复杂结构件的增材应用，例如带有悬空柱状结构的构件。
4.图1所示为悬空柱状结构示意图。悬空柱状结构是一种水平方向的柱状体，其下方处于悬空状态，与直臂结构的沉积方向垂直，且位于直臂的中心位置。
5.如公开号为cn106041075a，名称为“一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法”的中国发明专利申请文件中公开了一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，使增材技术能够用于成形拥有悬空结构的复杂金属构件制造，并保证增材制造的高效、高性能。其在悬空结构下方采用与悬空结构下表面保持平行的支撑基板作为悬空结构成形的基准，通过添加支撑的方式成形。
6.然而上述方法中的实体支撑部分会增加模型的设计时间，并且增材制造过程中对该支撑部分的成形过程也会花费更多的时间，成形完成后还需要将多余的支撑部分通过减材加工的方式去除，造成材料浪费。上述添加支撑结构增材悬空结构的方法虽然可行，但是从材料利用率、模型设计时间以及增减材加工时间的角度来说尚有欠缺。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明解决的技术问题是，因此，本领域的技术人员致力于研发一种悬空结构电弧增材工艺方法，这种方法能够解决悬空结构难以成形的问题，同时解决了增材悬空结构时，添加支撑结构带来的材料浪费、加工时间成本更高等问题。
8.本发明提供了一种用于成形带悬空结构结构的成形件的受控电弧增材工艺方法，具体为一个辅助装置安装在机器人末端，辅助装置输送支撑材料，支撑材料为悬空结构部分增材起辅助支撑作用，支撑材料会在成形悬空结构时熔融成为悬空结构的一部分，后期对悬空构件表面精加工处理，获得具有悬空结构的目标增材样件，具体包括以下步骤：
9.步骤s101:获得要成形件的模型，模型有至少一个或多个悬空结构；使用solidworks软件建立目标零件的三维cad模型，转化成stl格式的数据文件，分层切片得到增材件每层轮廓数据，根据轮廓数据规划出增材样件的熔覆填充路径；
10.步骤s102:采用cmt电弧增材的方法，按照已经规划出的熔覆填充路径对非悬空部分进行增材打印，该成形过程应选择成形质量好、效率高的工艺参数；
11.步骤s103:辅助装置输送支撑材料缓慢向悬空部分成形的起点移动，直至支撑材料轻微触碰到悬空部分成形的起点位置；采用cmt电弧增材的方法对悬空部分进行增材成形，辅助装置输送的金属丝材或薄片支撑熔池，熔池受到自身重力、支撑力、表面张力等力的作用不会坠落；熔池高温作用会使支撑材料熔融成为悬空结构的一部分，但不会熔透支撑材料；设置该成形过程的工艺参数时应选择热输入小的参数，防止熔池流淌坠落或熔透导致的不良成形；
12.步骤s104:对获得的悬空结构样件做精加工处理，去除表面不整齐的部分，获得具有悬空结构的目标增材样件。
13.进一步地，辅助装置输送的支撑材料可以是金属丝材，金属薄片等，针对的悬空结构主要为柱状或片状悬空结构。
14.进一步地，使用辅助装置增材成形悬空结构的具体工作流程如下：辅助装置缓慢输送金属丝材或金属薄片，直至轻微触碰墙体。输送的支撑材料保持抵住墙壁不动，焊枪在支撑材料上自由运动，实现悬空部分增材成型过程。
15.进一步地，机器人末端安装的辅助装置具有力学传感器，用于判断输送的支撑材料是否轻微抵住增材样件的非悬空部分。
16.进一步地，非悬空部分成形时应选择成形质量好、效率高的工艺参数，悬空部分成形时应选择成型质量好、热输入小的工艺参数，其能量密度要小于成形非悬空部分时的能量密度。。
17.进一步地，采用的增材设备中机器人型号为abb irb2600工业机器人，焊机型号为fronius cmt advanced 4000数字化焊机。
18.相比现有技术，本发明至少具备以下技术效果或优点：
19.1、本发明通过提供一种机器人末端带辅助装置的悬空结构增材工艺方法，解决现有技术中受控电弧增材方法难以成形构件中存在复杂几何形状的问题，尤其对存在悬空结构的成形件的增益效果明显；
20.2、本发明解决了成形悬空结构时，添加过多支撑结构带来的材料浪费、加工时间成本更高等问题；
21.3、本发明改变了使用变位机增材复杂悬空构件的传统工艺方法，采用一种安装在机器人末端的辅助装置代替使用变位机增材复杂悬空样件，不需要变位机，使增材系统更加简洁，设备成本降低。
附图说明
22.图1是增材悬空柱状结构件示意图。
23.图2是增材悬空柱片状结构件示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
25.步骤s101:获得要成形件的模型；使用solidworks软件建立目标零件的三维cad模型，转化成stl格式的数据文件，分层切片得到增材件每层轮廓数据，根据轮廓数据规划出增材样件的熔覆填充路径；
26.步骤s102:采用cmt电弧增材的方法，按照已经规划出的熔覆填充路径对非悬空部分进行增材打印，该成形过程应选择成形质量好、效率高的工艺参数；
27.步骤s103:辅助装置输送支撑材料缓慢向悬空部分成形的起点移动，直至支撑材料轻微触碰到悬空部分成形的起点位置；采用cmt电弧增材的方法对悬空部分进行增材成形，辅助装置输送的金属丝材或薄片支撑熔池，熔池受到自身重力、支撑力、表面张力等力的作用不会坠落；熔池高温作用会使支撑材料熔融成为悬空结构的一部分，但不会熔透支撑材料；该成形过程的工艺参数称为悬空部分成形工艺参数；
28.步骤s104:对获得的悬空结构样件做精加工处理，去除表面不整齐的部分，获得具有悬空结构的目标增材样件。
29.实施例1打印悬空柱状结构，具体步骤如下：
30.图1是利用一种机器人末端带辅助装置的悬空结构增材工艺方法，成形出的悬空柱状结构件示意图。
31.打印墙体，本实例以316l不锈钢焊丝作为材料，开始时，从a点向b点方向执行单层单道熔覆成形，焊道的长度为10cm，第一道焊完，焊枪升高3mm，由b点向a点方向熔覆成形第二层，如此循环执行15次往复直线熔覆填充，形成长度为100mm，高度为90mm，厚度为6mm的墙体abcd。其中cmt电弧增材工艺参数为：焊接电流214a，焊接电压16.2v，送丝速度7m/min，焊接速度11mm/s，每层焊缝之间停留时间为45s。
32.打印悬空柱状结构，以316l不锈钢焊丝作为材料，开始时，辅助装置输送双丝缓慢靠近墙体abcd，通过力学传感器定位直至轻微抵住墙体，控制双丝的长度在2cm。从e点向f点方向执行柱状结构熔覆成形作业，柱状结构的长度为1.5cm，将多余的5mm双丝材料去除，辅助装置通过力学传感器重新定位，缓慢送丝靠近已经成形出的1.5cm长的柱状结构直至双丝轻微抵住柱状结构。重复之前执行的柱状结构成形过程，直至长出新的1.5cm长的柱状结构。
33.重复执行上述增材悬空柱状结构过程，直至悬空柱状结构的长度为6cm时结束，悬空柱状结构打印完毕。
34.悬空柱状结构的cmt电弧增材工艺参数为：焊接电流115a，焊接电压13.3v，送丝速度3m/min，焊接速度5mm/s，每次增材出1.5cm柱状结构后停留60s时带支撑部的悬空柱状结构间等待冷却。
35.对成形件做表面精加工处理，最后测量力学性能，能够达到锻件使用标准。
36.实施例2打印悬空片状结构，具体步骤如下：
37.打印墙体，本实例以316l不锈钢焊丝作为材料，开始时，从a点向b点方向执行单层单道熔覆成形，焊道的长度为10cm，第一道焊完，焊枪升高3mm，由b点向a点方向熔覆成形第二层，如此循环执行15次往复直线熔覆填充，形成长度为100mm，高度为90mm，厚度为6mm的
墙体abcd。其中cmt电弧增材工艺参数为：焊接电流214a，焊接电压16.2v，送丝速度7m/min，焊接速度11mm/s，每层焊缝之间停留时间为45s。
38.打印悬空片状结构，以316l不锈钢作为材料，开始时，辅助装置输送金属薄片缓慢靠近墙体abcd，通过力学传感器定位直至轻微抵住墙体，控制薄片的长度在2cm。从e点向f点方向执行片状结构熔覆成形作业，片状结构的长度为1.5cm，将多余的5mm片状材料去除，辅助装置通过力学传感器重新定位，缓慢输送薄片靠近已经成形出的1.5cm长的片状结构直至薄片轻微抵住片状结构。重复之前执行的片状结构成形过程，直至长出新的1.5cm长的片状结构。
39.重复执行上述增材悬空片状结构过程，直至悬空片状结构的长度为6cm时结束，悬空片状结构打印完毕。
40.片状结构的cmt电弧增材工艺参数为：焊接电流115a，焊接电压13.3v，送丝速度3m/min，焊接速度5mm/s，每次增材出1.5cm片状结构后停留60s时带支撑部的悬空片状结构间等待冷却。
41.对成形件做表面精加工处理，最后测量力学性能，能够达到锻件使用标准。
42.实施例1利用本发明所述的辅助装置输送双丝作为支撑，最终成形出想要的悬空柱状结构；实施例2利用本发明所述的辅助装置输送金属薄片作为支撑，最终成形出想要的悬空片状结构；实施例1和实施例2采用的一种机器人末端带辅助装置的悬空结构增材工艺方法，具有如下效果和优点:
43.解决现有技术中受控电弧增材方法难以成形复杂构件的问题，尤其对存在悬空结构的成形件的增益效果明显。
44.解决了成形悬空结构时，添加过多支撑结构带来的材料浪费、加工时间成本更高等问题。
45.改变了使用变位机增材复杂悬空构件的传统工艺方法，采用一种安装在机器人末端的辅助装置代替使用变位机增材复杂悬空样件，不需要变位机，使增材系统更加简洁，设备成本降低。