弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法与流程

1.本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法。


背景技术：

2.弯曲空心结构件广泛运用于能源运输、核电、航空航天等各个领域。由于弯曲空心结构件的特殊性，传统制造方法难以一次成形。目前弯曲空心结构件的制造方法主要是在已成形的空心结构件或薄板基础上进行冷弯、高频感应热弯、热推制、热冲压、扇形件焊接成形等二次加工。这些方法适合于不同尺寸、不同壁厚的弯曲空心结构件的加工制造。由于以上方法大多在型材的基础上采用机械方法辅助变形，不可避免的导致形变的不均匀，从而导致弯曲成形件的弯曲截面厚度不均匀及变形回弹。对于较大尺寸的弯曲空心结构件也有采用铸造成形的方法，但为了确保在薄壁结构件生产时模具能够完全填充，减少凝固缺陷，需要较长的前期准备工作。这些都会导致较长的加工周期从而降低生产效率。
3.电弧熔丝增材制造是以电弧作为热源，熔化的金属丝材作为填充材料，通过丝材添加，逐层制造的成形方法。电弧熔丝增材制造具有设备自动化程度高、熔敷效率高、加工周期短、能量利用率高等特点，尤其适用于大中型复杂结构件的制造。
4.电弧熔丝增材制造技术在制造这种特殊的弯曲空心结构件时，如果采用传统的沿高度方向的等厚分层切片方法，层片堆积路径复杂，尤其在弯曲空心结构件轴线的切线与水平方向的夹角较小时，悬空熔池成形稳定性差，甚至出现坍塌，无法继续堆积。因此，有必要提出一种新方法解决传统等厚分层切片过程引起的成形坍塌难题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的困难，本发明的目的在于解决弯曲空心结构件电弧增材制造时采用传统等厚分层切片方法引起的成形坍塌难题，提供一种基于非均匀厚度切片方式的弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法，提高堆积过程的稳定性及成形质量。
6.为实现所述发明目的，本发明技术方案如下：
7.一种弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法，所述弯曲空心结构件的轴线为空间平面内的圆弧曲线，且垂直于轴线的截面轮廓为封闭的几何图形，其特征在于，基于非均匀厚度的分层切片方式，沿轴线方向对三维实体模型进行分层切片，将基板安装到变位机工作平面后将其翻转至与水平面成α角度，确定堆积路径及堆积工艺参数，开始第一层堆积，建立基于电信号反馈调节系统的被控工艺参数闭环控制方法，实现非均匀厚度层的堆积，每层堆积完成后焊枪沿高度方向移动距离hn，将变位机工作平面绕翻转轴沿前一次翻转方向继续翻转α角度，进行下一层堆积，重复上述步骤直至完成整个弯曲空心结构件的堆积，最后使用线切割将弯曲空心结构件从基板上切下。
8.作为优选方式，所述方法包含以下步骤：
9.步骤一：根据三维实体件的尺寸形状，通过三维建模软件建立弯曲空心结构件的
三维实体模型；
10.步骤二：将三维实体模型导入切片软件，沿轴线方向对三维实体模型进行分层切片，所有层片均具有非均匀厚度，每个层片的最大厚度为h
max
，最小厚度为h
min
，0.5mm《h
max
《2.5mm，0.5mm《h
min
《2.5mm，每个层片的上平面与下平面之间的夹角α＝h
max
/r
max
，其中r
max
为每个层片中与α对应的最大厚度处圆弧的曲率半径，α的取值范围为0《α《1/6rad，切片厚度h
max
为一段直线的长度即每个层片中与α对应的最大厚度处圆弧的弦长，同时由于α较小，弦长可近似于弧长，所以有α＝h
max
/r
max
；
11.步骤三：将打磨后的基板安装到变位机上，使基板几何中心与变位机工作平面的圆心重合，将变位机工作平面绕翻转轴翻转至与水平面成α角度，确定堆积路径及堆积工艺参数；
12.步骤四：调整焊枪位置，将电信号反馈调节系统接入电弧熔丝增材制造电源回路；开启电弧熔丝增材制造电源，焊枪在水平面内沿堆积路径开始第一层堆积，计算t时刻电信号的采样值与电信号的设定值的误差e(t)＝m(t)-m
set
，其中m(t)为t时刻电信号的采样值，m
set
为t时刻电信号的设定值，计算误差的变化δe(t)＝e(t)-e(t-1)，e(t-1)为t-1时刻电信号的采样值与电信号的设定值的误差，闭环控制器根据误差的大小和误差的方向计算被控工艺参数，由上位机输出给执行机构，完成第一层的堆积；
13.步骤五：将变位机工作平面绕翻转轴沿前一次翻转方向继续翻转α角度，将焊枪沿高度方向移动距离hn，其中hn＝(d n
×hmin
)
×
sin[θ (n-1)
×
α]-[d (n-1)
×hmin
]
×
sin[θ (n-2)
×
α]，e为第一层最小厚度处的母线与基板上表面的交点，d为e点到翻转轴轴线的最短距离，θ为过e点且垂直于翻转轴的直线与水平面的夹角，n为堆积层数；
[0014]
步骤六：重复步骤四和步骤五，直至完成整个弯曲空心结构件的堆积，最后使用线切割将弯曲空心结构件从基板上切下。
[0015]
0.5mm《h
max
《2.5mm，0.5mm《h
min
《2.5mm的原因为电弧熔丝增材制造每层的堆积高度范围在0.5-2.5mm之间。堆积高度太小容易导致堆积道的不连续，高度太大容易出现熔池流淌，影响堆积过程稳定性及成形质量。α的取值范围为0《α《1/6rad的原因为α较小时，α＝tanα，tanα＝h
max
/r
max
。当h
max
＝h
min
时，r
max
趋于无穷大时，此时α取得最小值0；当h
max
＝2.5mm，h
min
＝0.5mm，且最大厚度与最小厚度距离为2w时，w为每层堆积的宽度，取值为6mm，此时r
max
＝15mm，tanα＝1/6，α取得最大值1/6rad。
[0016]
作为优选方式，步骤四中的电信号反馈调节系统由电信号传感器、数据采集卡和上位机组成，其中电信号传感器与焊枪和电弧熔丝增材制造电源构成的回路相连，电信号传感器的输出端与数据采集卡的a/d端口相连，数据采集卡和上位机相连，数据采集卡将电信号传感器的模拟信号转化为数字信号并传递给上位机，由上位机对被控工艺参数进行实时控制。
[0017]
作为优选方式，步骤四中的电信号为电弧电压或电弧电流。
[0018]
作为优选方式，步骤四中的被控工艺参数为送丝速度或焊枪行走速度。
[0019]
作为优选方式，步骤五中的焊枪沿高度方向移动距离hn的范围为-2.5-2.5mm。
[0020]
本发明的有益效果在于：本发明采用电弧熔丝增材制造方法制造弯曲空心结构件，基于非均匀厚度的分层切片方法，沿着弯曲空心结构件的轴线方向对工件进行分层切片，在每一层开始堆积之前，将变位机工作平面绕翻转轴沿前一次翻转方向继续翻转α角
度，电信号反馈调节系统对堆积过程电信号采样值与设定值比较，根据误差的大小和方向对被控工艺参数进行调节，实现非均匀厚度层的堆积。本发明可以有效解决弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造时采用传统的沿高度方向的等厚分层切片方法引起的成形坍塌、流淌、成形质量差的难题，提高堆积过程稳定性及成形质量，同时降低了每层堆积路径的复杂度。
附图说明
[0021]
图1是通过三维建模软件建立的弯曲空心结构件的三维实体模型示意图；
[0022]
图2(a)是对三维实体模型分层切片示意图，(b)是每层切片的几何形状示意图；
[0023]
图3是弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造第一层示意图；
[0024]
图4是弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造第n层及n-1层示意图；
[0025]
图5是弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造完成后从基板切下示意图。
具体实施方式
[0026]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0027]
具体的，本实施例要实现所述弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造，其中弯曲空心结构件的截面为圆形，截面外轮廓半径50mm，其轴线为1/4圆弧且曲率半径200mm，壁厚5mm。电弧熔丝增材系统包括：电弧熔丝增材制造电源，安川六轴机器人，两轴变位机，送丝机和电信号反馈调节系统，电信号反馈调节系统包括电信号传感器，数据采集卡以及上位机。焊枪安装在机器人运动末端，通过控制机器人运动来调整焊枪的姿态及运动轨迹。电弧熔丝增材制造工艺参数为：电流150a，电弧电压22v，其他被控工艺参数根据电信号反馈进行调节，填充材料为er70s-6焊丝，直径1.2mm，保护气体为80％ar 20％co2，气流量15l/min，基板材料为q235低碳钢，基板尺寸为250mm
×
250mm
×
10mm。
[0028]
本实施例提供一种弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法，所述弯曲空心结构件的轴线为空间平面内的圆弧曲线，且垂直于轴线的截面轮廓为封闭的几何图形，基于非均匀厚度的分层切片方式，沿轴线方向对三维实体模型进行分层切片，将基板安装到变位机工作平面后将其翻转至与水平面成α角度，确定堆积路径及堆积工艺参数，开始第一层堆积，建立基于电信号反馈调节系统的被控工艺参数闭环控制方法，实现非均匀厚度层的堆积，每层堆积完成后焊枪沿高度方向移动距离hn，将变位机工作平面绕翻转轴沿前一次翻转方向继续翻转α角度，进行下一层堆积，重复上述步骤直至完成整个弯曲空心结构件的堆积，最后使用线切割将弯曲空心结构件从基板上切下。
[0029]
所述弯曲空心结构件电弧熔丝增材制造方法包含以下步骤：
[0030]
步骤一：根据三维实体件的尺寸形状，通过三维建模软件建立弯曲空心结构件的三维实体模型；
[0031]
步骤二：将三维实体模型导入切片软件，沿轴线方向对三维实体模型进行分层切片，如图2所示，所有层片均具有非均匀厚度，每个层片的最大厚度为h
max
，最小厚度为h
min
，
0.5mm《h
max
《2.5mm，0.5mm《h
min
《2.5mm，每个层片的上平面与下平面之间的夹角α＝h
max
/r
max
，其中r
max
为每个层片中与α对应的最大厚度处圆弧的曲率半径，α的取值范围为0《α《1/6rad，切片厚度h
max
为一段直线的长度即每个层片中与α对应的最大厚度处圆弧的弦长，同时由于α较小，弦长可近似于弧长，所以有α＝h
max
/r
max
；
[0032]
步骤三：将打磨后的基板安装到变位机上，使基板几何中心与变位机工作平面的圆心重合，将变位机工作平面绕翻转轴翻转至与水平面成α角度，确定堆积路径及堆积工艺参数；
[0033]
步骤四：调整焊枪位置，将电信号反馈调节系统接入电弧熔丝增材制造电源回路；开启电弧熔丝增材制造电源，焊枪在水平面内沿堆积路径开始第一层堆积，计算t时刻电信号的采样值与电信号的设定值的误差e(t)＝m(t)-m
set
，其中m(t)为t时刻电信号的采样值，m
set
为t时刻电信号的设定值，计算误差的变化δe(t)＝e(t)-e(t-1)，e(t-1)为t-1时刻电信号的采样值与电信号的设定值的误差，闭环控制器根据误差的大小和误差的方向计算被控工艺参数，由上位机输出给执行机构，完成第一层的堆积；
[0034]
步骤五：将变位机工作平面绕翻转轴沿前一次翻转方向继续翻转α角度，将焊枪抬升高度hn，其中hn＝(d n
×hmin
)
×
sin[θ (n-1)
×
α]-[d (n-1)
×hmin
]
×
sin[θ (n-2)
×
α]，e为第一层最小厚度处的母线与基板上表面的交点，d为e点到翻转轴轴线的最短距离，θ为过e点且垂直于翻转轴的直线与水平面的夹角，n为堆积层数，d、e、θ如图3中所示，hn如图4中所示；
[0035]
步骤六：重复步骤四和步骤五，直至完成整个弯曲空心结构件的堆积，最后使用线切割将弯曲空心结构件从基板上切下，如图5中所示。
[0036]
作为优选方式，步骤四中的电信号反馈调节系统由电信号传感器、数据采集卡和上位机组成，其中电信号传感器与焊枪和电弧熔丝增材制造电源构成的回路相连，电信号传感器的输出端与数据采集卡的a/d端口相连，数据采集卡和上位机相连，数据采集卡将电信号传感器的模拟信号转化为数字信号并传递给上位机，由上位机对被控工艺参数进行实时控制。
[0037]
作为优选方式，步骤四中的电信号为电弧电压或电弧电流。
[0038]
作为优选方式，步骤四中的被控工艺参数为送丝速度或焊枪行走速度。
[0039]
作为优选方式，步骤五中的焊枪沿高度方向移动距离hn的范围为-2.5-2.5mm。
[0040]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。