一种网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法与流程

1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其是一种网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法。


背景技术：

2.金属增材制造技术是利用激光、电弧及电子束等热源，融合了计算机辅助设计和材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，利用软件与数控系统将各种材料通过烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，最终制造成完整实体零件的技术。
3.目前，传统增材装置大多都是采用控制单支增材枪进行作业，单增材枪走全程路径耗时久，增材效率低，难以满足大构件的增材生产，且由于单增材枪的单热源性质，热输入量不均匀，易出现产生增材构件的成型尺寸精度低、残余应力与变形较大的问题，进而影响到增材质量。此外，目前的多枪装置仅是利用夹持装置夹持多支增材枪，但其存在以下问题：一、多支增材枪姿态固定，适用范围有限，可调节能力低；二、增材枪体位置固定，不支持空间曲面结构件的增材；三、增材路径变化时需人工调节增材枪位姿；四、增材枪类型单一，适用增材方法受限。
4.例如，专利cn107138829a公开了一种形性一体化的金属构件增材制造系统，其采用多把焊枪协同作业，其装置不能实现增材枪间距、姿态和高度的实时调节，不能在曲面空间结构上增材和结构修复；专利cn205660322u公开了一种机器人焊接中调整多把焊枪同时自动焊接的装置，多枪对准焊缝共熔池进行焊接，易导致焊接线能量过高，若用该装置进行增材，易出现熔池过大，增材过程中构件温度过大导致结构下榻或增材晶粒粗大、组织性能降低。
5.因此，有必要提供一种更好的增材装置及使用方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：针对上述问题，本发明提供了一种网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法，可根据增材模型结构特征，规划增材路径，按需加装多支增材枪，并自动调节每支增材枪体的间距、高度和姿态，来实现多枪高效协同增材，尤其适合网格结构件或曲面结构件的增材制造，以提高生产效率。
7.一种网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法，使用方法包括以下步骤：
8.步骤一：增材枪数量计算以及多增材枪的集成安装。首先，根据网格构件、曲面构件结构特征以及效率要求，确定增材枪的数量m。然后，将增材枪安装至外部运动系统对应的连结法兰上，完成多增材枪与增材控制系统、外部运动系统的集成连结。
9.步骤二：确定各增材枪初始位姿信息，主要包括增材枪的初始间距δl0、初始高度h0和焊枪姿态。
10.对于网格构件，增材枪初始间距δl0由网格构件最底层的平行结构的间距确定；初始高度h0由预研增材工艺获得的最佳层高确定，h0一般为5～18mm；增材枪初始姿态一般
与基板面垂直。
11.对于曲面构件，初始间距δl0根据待熔敷表面宽度w和增材枪数量m确定，一般为δl0＝w/m；初始高度h0由各增材枪所在曲面形状决定，一般要求增材枪丝材末端到曲面距离为5-18mm；增材枪初始姿态由各增材枪所在曲面形状决定，一般与其下方曲面呈垂直状态。
12.步骤三：增材枪偏移量和层数计算以及路径规划。
13.首先，需要确定每把增材枪偏移量x和层数s，增材枪偏移量x由最佳工艺下的焊道宽度b决定，所述的偏移量x一般为(1/2～2/3)*b。层数s由最佳工艺下的焊道高度h和构件结构本身决定。对于网格构件，层数s＝h/h，其中h为网格构件的高度。对于曲面构件，层数s＝h’/h，h’为目标熔敷层厚度。
14.其次，确定各层内每把增材枪所需增材或熔敷的焊道数量n。
15.对于网格构件，增材枪在每层的焊道数量n＝δln/x，其中δln为第n层增材枪间距，且δln＝wn/m，其中wn第n层的网格结构最小单元的壁厚，m为增材枪的数量。
16.对于曲面构件，增材枪在每层的焊道数量n＝δl0/x，δl0为初始间距。
17.最后，按照网格构件的结构特征，规划各层的各增材枪的平行增材或熔敷位置路径，路径上增材枪的姿态保持与增材沉积层或熔敷层表面垂直。
18.步骤四：工艺适配。将预研的最佳工艺参数适配至各层的路径程序中，获得最终的增材工艺和路径规划执行程序。
19.步骤五：首先，按照步骤二中的设定的各增材枪初始间距、高度和姿态数据，通过外部运动机构调整好增材枪初始间距、高度和姿态。然后，按照步骤四的工艺和路径规划程序进行增材或熔敷制造，增材枪根据路径需要实时调节间距、高度和姿态，直至完成。
20.本发明的网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法，其有益效果是：
21.在传统单增材枪的基础上多支增材枪，显著提高了单位时间内的增材量，极大地提升了增材制造的效率；多枪通过协同增材制造，使热输入量分布均匀，成形构件尺寸精准，质量好；可以实现在增材过程中实时调节增材枪间距与姿态，适合网格结构件的增材；各增材枪在增材时可以在高度方向上实时调节，适合空间曲面结构件的增材以及构件的表面修复。
附图说明
22.图1为本发明实施例1的结构示意图；
23.图2为本发明实施例2的结构示意图；
具体实施方式
24.现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
25.一种网格构件、曲面构件多枪协同增材和熔敷的方法，使用方法包括以下步骤：
26.步骤一：增材枪数量计算以及多增材枪的集成安装。首先，根据网格构件、曲面构件结构特征以及效率要求，确定增材枪的数量m。然后，将增材枪安装至外部运动系统对应的连结法兰上，完成多增材枪与增材控制系统、外部运动系统的集成连结。
27.步骤二：确定各增材枪初始位姿信息，主要包括增材枪的初始间距δl0、初始高度
h0和焊枪姿态。
28.对于网格构件，增材枪初始间距δl0由网格构件最底层的平行结构的间距确定；初始高度h0由预研增材工艺获得的最佳层高确定，h0一般为5～18mm；增材枪初始姿态一般与基板面垂直。
29.对于曲面构件，初始间距δl0根据待熔敷表面宽度w和增材枪数量m确定，一般为δl0＝w/m；初始高度h0由各增材枪所在曲面形状决定，一般要求增材枪丝材末端到曲面距离为5-18mm；增材枪初始姿态由各增材枪所在曲面形状决定，一般与其下方曲面呈垂直状态。
30.步骤三：增材枪偏移量和层数计算以及路径规划。
31.首先，需要确定每把增材枪偏移量x和层数s，增材枪偏移量x由最佳工艺下的焊道宽度b决定，所述的偏移量x一般为(1/2～2/3)*b。层数s由最佳工艺下的焊道高度h和构件结构本身决定。对于网格构件，层数s＝h/h，其中h为网格构件的高度。对于曲面构件，层数s＝h’/h，h’为目标熔敷层厚度。
32.其次，确定各层内每把增材枪所需增材或熔敷的焊道数量n。
33.对于网格构件，增材枪在每层的焊道数量n＝δln/x，其中δln为第n层增材枪间距，且δln＝wn/m，其中wn第n层的网格结构最小单元的壁厚，m为增材枪的数量。
34.对于曲面构件，增材枪在每层的焊道数量n＝δl0/x，δl0为初始间距。
35.最后，按照网格构件的结构特征，规划各层的各增材枪的平行增材或熔敷位置路径，路径上增材枪的姿态保持与增材沉积层或熔敷层表面垂直。
36.步骤四：工艺适配。将预研的最佳工艺参数适配至各层的路径程序中，获得最终的增材工艺和路径规划执行程序。
37.步骤五：首先，按照步骤二中的设定的各增材枪初始间距、高度和姿态数据，通过外部运动机构调整好增材枪初始间距、高度和姿态。然后，按照步骤四的工艺和路径规划程序进行增材或熔敷制造，增材枪根据路径需要实时调节间距、高度和姿态，直至完成。
38.为方便理解，本发明公开具体的实施例对增材装置的工作流程进行说明。
39.实施例1
40.利用本发明提供的装置，采用cmt电弧增材，在300mm
×
300mm
×
10mm的不锈钢基板上，制备如图1所示外围尺寸为200mm
×
150mm
×
30mm，内部框架长宽均为30mm的高氮钢框型结构，具体实施方式按如下步骤执行：
41.步骤一：增材枪数量计算以及多增材枪的枪集成安装。首先，根据高氮钢框型结构的结构特征，可将构件分为5个形状相同的周期区域，选择增材枪的数量m为5把。然后，将增材枪安装至外部运动系统对应的连结法兰上，完成多增材枪与增材控制系统、外部运动系统的集成连结。
42.步骤二：确定各增材枪初始位姿信息，主要包括增材枪的初始间距δl0、初始高度h0和焊枪姿态。
43.根据高氮钢框型结构其最底层平行结构的间距为60mm，取增材枪初始间距δl0＝60mm；预研增材工艺获得的最佳层高为3mm，取增材枪初始高度h0＝10mm；增材箱初始姿态与基板平面垂直。
44.步骤三：增材枪偏移量和层数计算以及路径规划。
45.高氮钢框型结构总高度h为30mm，并且在各高度下截面形状一致，每层的最小单元的壁厚均为300mm。预研获得的最佳增材工艺，焊道高度h为3mm，焊道宽度b为10mm。
46.首先，根据预研工艺及构件尺寸，取每把增材枪偏移量x＝1/2*b＝5mm，增材层数s＝h/h＝30/3＝10。每层的增材枪间距均为δl0＝60mm，每层焊道数量n＝δl0/x＝12。
47.最后，按照网格构件的结构特征，规划各层的各增材枪的平行增材或熔敷位置路径，路径上增材枪的姿态保持与增材沉积层表面垂直。
48.步骤四：工艺适配。将预研的最佳工艺参数适配至各层的路径程序中，获得最终的增材工艺和路径规划执行程序。
49.步骤五：首先，按照步骤二中的设定的各增材枪初始间距、高度和姿态数据，通过外部运动机构调整好增材枪初始间距、高度和姿态。然后，按照步骤四的工艺和路径规划程序进行增材或熔敷制造，增材枪根据路径需要实时调节间距、高度和姿态，直至完成。
50.实施例2
51.利用本发明提供的装置，采用激光熔敷,在如图2所示长宽为400mm*300mm的碳钢曲面板上,熔敷1mm厚的不锈钢耐蚀层。
52.具体实施方式按如下步骤执行：
53.步骤一：增材枪数量计算以及多增材枪的枪集成安装。首先，根据曲面构件结构特征以及效率要求，确定增材枪的数量m＝6。然后，将增材枪安装至外部运动系统对应的连结法兰上，完成多增材枪与增材控制系统、外部运动系统的集成连结。
54.步骤二：确定各增材枪初始位姿信息，主要包括增材枪的初始间距δl0、初始高度h0和焊枪姿态。
55.碳钢曲面板熔敷表面宽度w＝300mm，设置增材枪初始间距δl0＝w/m＝50mm；初始高度h0由各增材枪所在曲面形状决定，增材枪丝材末端到曲面距离取5mm；增材枪初始姿态由各增材枪所在曲面形状决定，保证增材枪与其下方曲面呈垂直状态。
56.步骤三：增材枪偏移量和层数计算以及路径规划。
57.根据前期试验获得的最佳熔敷工艺参数(熔敷功率：150～224w,扫描速度：8～10mm/s,离焦量：-5～0mm),焊道宽度b为4mm，焊道高度h为1mm。
58.首先，取增材枪偏移量x＝1/2*b＝2mm，熔敷层数s＝h’/h＝1。
59.其次，确定各层内每把增材枪所需增材或熔敷的焊道数量n。增材枪在每层的焊道数量n＝δl0/x＝25。
60.最后，按照熔敷曲面的结构特征，规划各层的各增材枪的平行熔敷位置路径，路径上增材枪的姿态保持与熔敷层表面垂直。
61.步骤四：工艺适配。将预研的最佳工艺参数适配至各层的路径程序中，获得最终的熔敷工艺和路径规划执行程序。
62.步骤五：首先，按照步骤二中的设定的各增材枪初始间距、高度和姿态数据，通过外部运动机构调整好增材枪初始间距、高度和姿态。然后，按照步骤四的工艺和路径规划程序进行熔敷制造，增材枪根据路径需要实时调节间距、高度和姿态，直至完成。
63.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。