本發(fā)明屬于電弧增材技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法。

背景技術(shù)：

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)。該成形方法最大優(yōu)勢是無需傳統(tǒng)的刀具即可成形、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢越顯著，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源化工、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

電弧增材制造技術(shù)(WireArcAdditiveManufacture，WAAM)是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊接(MIG)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊接(TIG)以及等離子體焊接電源(PA)等焊機(jī)產(chǎn)生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。它不僅具有沉積效率高；絲材利用率高；整體制造周期短、成本低；對零件尺寸限制少；易于修復(fù)零件等優(yōu)點(diǎn)，還具有原位復(fù)合制造以及成形大尺寸零件的能力。較傳統(tǒng)的鑄造、鍛造技術(shù)和其它增材制造技術(shù)具有一定先進(jìn)性，與鑄造、鍛造工藝相比，它無需模具，整體制造周期短，柔性化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化和并行化制造。

在增材制造領(lǐng)域，以電弧作為熱源的金屬零件增材制造技術(shù)具有設(shè)備簡單、材料利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。電弧增材制造技術(shù)采用電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件成形。成形零件由全熔積層金屬組成，致密度高、冶金結(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好。因此，電弧增材技術(shù)是低成本金屬零件直接制造的重要研究方向。但是，電弧增材制造過程是以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進(jìn)行的。隨堆積層數(shù)的增加，堆積零件熱積累嚴(yán)重、散熱條件差、熔池過熱、難于凝固、堆積層形狀難于控制。特別在零件邊緣堆積時(shí)，由于液態(tài)熔池的存在，使得零件的邊緣形態(tài)與成形尺寸的控制變得更加困難。這些問題都直接影響零件的冶金結(jié)合強(qiáng)度、堆積尺寸精度和表面質(zhì)量。由此可見，成形形貌的控制是金屬零件增材制造技術(shù)的主要瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對當(dāng)下電弧增材制造技術(shù)缺陷，本發(fā)明目的是提供一種高速、高效、精準(zhǔn)、具有良好力學(xué)性能的金屬構(gòu)件增減等材一體化制造方法。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法，包括以下步驟：

步驟S1、電弧增材單元由焊槍和送絲機(jī)構(gòu)組成，基材和焊槍之間產(chǎn)生的電弧使基材受熱形成熔池，焊絲通過送絲機(jī)送入熔池當(dāng)中，形成熔積層，此時(shí)所述熔積層為液態(tài)金屬；

步驟S2、等材成型單元上的溫度傳感器掃描熔積層溫度，當(dāng)掃描到熔積層為半凝固狀態(tài)時(shí)，等材成型單元自行開始動(dòng)作，把熔積層兩側(cè)由原先的圓弧面擠壓成平面；

步驟S3、當(dāng)所述熔積層凝固、且處于高溫狀態(tài)時(shí)，減材成型單元上的溫度傳感器開始掃描熔積層溫度，當(dāng)傳感器掃描到銑削溫度點(diǎn)后減材成型單元開始動(dòng)作，銑刀銑削掉熔積層兩側(cè)尚不平整的部分，對熔積層兩側(cè)進(jìn)行進(jìn)一步加工；

步驟S4、所述電弧增材單元、等材成型單元和減材成型單元一起在基材上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在基材上逐層堆焊，形成金屬構(gòu)件。

作為優(yōu)選，等材成型溫度為400℃到2500℃，減材成型溫度為10℃到1500℃。

作為優(yōu)選，等材成型單元中的擠壓輪垂直于熔積層兩側(cè)，平行于基材。

作為優(yōu)選，焊接電源采用直流、交流或者變極性電源，電流為50A到500A。

作為優(yōu)選，采用惰性氣體(氬氣)保護(hù)熔池，減少增材被氧化以及出現(xiàn)氣孔的幾率，減少增材制造過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，提升零件性能。

作為優(yōu)選，增材材質(zhì)根據(jù)焊絲的不同而不同，增材材質(zhì)可以根據(jù)需要更換，所用焊絲直徑范圍為1mm到10mm。

作為優(yōu)選，根據(jù)成型金屬構(gòu)件的尺寸大小和結(jié)構(gòu)，焊槍可以多重排布，焊槍間距以成型金屬構(gòu)件實(shí)際情況作調(diào)整，焊槍距離基材1mm到10mm。

作為優(yōu)選，基材材質(zhì)應(yīng)和所用焊絲材質(zhì)所匹配，基材尺寸應(yīng)按成型金屬構(gòu)件的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且應(yīng)該考慮到散熱等問題，厚度不小于5mm。

本發(fā)明的一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法，在電弧增材之后，通過等材成型單元在熔積層的固液混合溫度區(qū)間進(jìn)行高速擠壓，最后通過減材成型單元在熔積層的凝固高溫區(qū)進(jìn)行高速銑削成型，其中，所述等材成型單元和溫度傳感器形成反饋系統(tǒng)，減材成型單元和溫度傳感器形成反饋系統(tǒng)；等材成型單元負(fù)責(zé)使擠壓輪在設(shè)定溫度下對焊縫邊側(cè)的擠壓，減材成型單元負(fù)責(zé)在適當(dāng)溫度下對焊縫邊側(cè)的切削。本發(fā)明方法能一次性進(jìn)行高速增減等材制造，在保證零件性能和加工精度的同時(shí)加快了工件的加工速度，更加滿足使用要求。

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)有電弧增材技術(shù)相比，可以有以下效果：

(1)本發(fā)明增材速度快，可達(dá)傳統(tǒng)電弧增材的5～20倍，是一種高速增材制造方法。

(2)引入溫度反饋控制循環(huán)，將增材，擠壓和銑削相結(jié)合。在金屬在半凝固狀態(tài)時(shí)完成擠壓，在金屬凝固后的高溫區(qū)進(jìn)行銑削，加工一部到位，精簡工藝，節(jié)省后期加工的時(shí)間。

(3)程序監(jiān)測到熔積層溫度后，自動(dòng)控制等材成型單元和減材成型單元，在最短的時(shí)間內(nèi)對等材成型單元和減材成型單元進(jìn)行位置調(diào)整。

(4)傳統(tǒng)電弧增材制造過程中，增材堆積到基材之后，增材橫截面成半圓形，增材兩側(cè)精度低。本發(fā)明通過擠壓輪擠壓未凝固的熔積層解決了增材兩側(cè)溢出的問題。隨后在熔積層未完全凝固的時(shí)候進(jìn)行銑削，銑削速度比傳統(tǒng)銑削更快。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法采用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法的流程示意圖；

圖3a為實(shí)施例1所述的增材制造工件結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3b為實(shí)施例1所述的增材制造工件結(jié)構(gòu)俯視圖。

1—焊槍，2—送絲嘴，3—多向滑塊，4—第一滑臺，5—第二滑臺，6—擠壓輪，7—固定桿，8—聯(lián)軸節(jié)，9—旋轉(zhuǎn)電機(jī)，10—第三滑臺，11—銑刀，12—第四滑臺，13—第五滑臺，14—變位機(jī)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明更加具體、明白地被理解，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明所述的一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明方法采用如圖1所示系統(tǒng)，電弧增材單元，等材成型單元和減材成型單元置于同一機(jī)頭內(nèi)。其中所述電弧增材單元，等材成型單元和減材成型單元分別固定在第一滑臺4和第四滑臺12上，在機(jī)頭內(nèi)通過滑臺可以移動(dòng)三個(gè)單元的位置。機(jī)頭上方變位機(jī)14可以控制機(jī)頭旋轉(zhuǎn)。

所述的電弧增材單元包括焊槍1、送絲機(jī)構(gòu)2、多向滑塊3和第二滑臺5，焊槍1和送絲機(jī)構(gòu)2通過多向滑塊3固定且兩者相對位置可調(diào)，第二滑臺5安裝在第一滑臺4上。

所述等材成型單元包括步進(jìn)電機(jī)電機(jī)9、聯(lián)軸節(jié)8、固定桿7，兩個(gè)擠壓輪6、紅外線溫度傳感器15、第三滑臺10，兩個(gè)擠壓輪6固定在固定桿7上，第三滑臺10安裝在第四滑臺12上。

所述減材成型單元包括紅外線溫度傳感器16和銑刀11，整體通過第五滑臺13安裝在第一滑臺4上。

如圖2所示，一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法，包括以下步驟：

步驟S1、電弧增材單元由焊槍和送絲機(jī)構(gòu)組成，基材和焊槍之間產(chǎn)生的電弧使基材受熱形成熔池，焊絲通過送絲機(jī)送入熔池當(dāng)中，形成熔積層，此時(shí)所述熔積層為液態(tài)金屬；

步驟S2、等材成型單元上的溫度傳感器掃描熔積層溫度，當(dāng)掃描到熔積層為半凝固狀態(tài)時(shí)，等材成型單元自行開始動(dòng)作，把熔積層兩側(cè)由原先的圓弧面擠壓成平面；

步驟S3、當(dāng)所述熔積層凝固、且處于高溫狀態(tài)時(shí)，減材成型單元上的溫度傳感器開始掃描熔積層溫度，當(dāng)傳感器掃描到銑削溫度點(diǎn)后減材成型單元開始動(dòng)作，銑刀銑削掉熔積層兩側(cè)尚不平整的部分，對熔積層兩側(cè)進(jìn)行進(jìn)一步加工；

步驟S4、所述電弧增材單元、等材成型單元和減材成型單元一起在基材上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在基材上逐層堆焊，形成金屬構(gòu)件。

在本發(fā)明中，引入了應(yīng)用了溫度反饋控制裝置，等材成型單元和減材成型單元分別配有各自的溫度傳感器，溫度傳感器指向熔積層，傳感器收集到的溫度上傳給系統(tǒng)。在增材之后，基材上的熔積層溫度呈逐漸下降趨勢。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測熔積層溫度，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制循環(huán)，等材成型單元和減材成型單元根據(jù)溫度傳感器偵測的熔積層溫度進(jìn)行調(diào)整，如果此時(shí)傳感器偵測到的熔積層溫度不是預(yù)定溫度區(qū)間，則兩個(gè)單元自動(dòng)行走，直到在熔積層上找到相應(yīng)的溫度點(diǎn)的時(shí)候，擠壓成型單元和減材成型單元開始對相應(yīng)的溫度點(diǎn)所對應(yīng)的熔積層進(jìn)行擠壓和銑削。

一種基于溫度循環(huán)的增減等材一體化融合制造方法，具體包括如下步驟：

(1)根據(jù)所需成型金屬構(gòu)件形狀和尺寸，用三維造型軟件設(shè)計(jì)出成型金屬構(gòu)件的三維模型，并將文件的數(shù)據(jù)信息傳入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)將圖紙轉(zhuǎn)換為3d打印軟件所能識別的代碼，并設(shè)計(jì)每層切片信息。

(2)在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置等材成型(擠壓)溫度區(qū)間在熔積層的半融化溫度區(qū)間內(nèi)，設(shè)置減材成型(銑削)溫度區(qū)間在熔積層的凝固溫度區(qū)間內(nèi)，可以手動(dòng)輸入溫度值，或者在系統(tǒng)內(nèi)部選擇焊絲材質(zhì)，然后讓系統(tǒng)根據(jù)焊絲材質(zhì)自動(dòng)選取相應(yīng)的擠壓溫度區(qū)間和銑削溫度區(qū)間。

(3)在基材上選取起弧點(diǎn)，開始送入保護(hù)氣，起主弧。電弧先給基材做預(yù)加熱處理，時(shí)間為0s到2s，準(zhǔn)備開始制作第一層第一道增材。

(4)經(jīng)過電弧的預(yù)加熱處理之后，開始送絲，送絲速度為0.2m/min到30m/min。送絲的同時(shí)，焊槍開始按照輸入的程序行走。行走速度為0.1m/min到4m/min。

(5)電弧焊絲受電弧加熱熔化到基材上，形成余高1mm到20mm熔積層，此時(shí)熔積層未完全凝固，當(dāng)溫度傳感器偵測到熔積層的溫度到了系統(tǒng)設(shè)置的溫度時(shí)，等材成型單元開始動(dòng)作，兩個(gè)擠壓輪對向在熔積層兩側(cè)行走，兩輪內(nèi)側(cè)擠壓熔積層，使熔積層兩側(cè)被擠壓成平面。

(6)在(3)步驟后熔積層溫度進(jìn)一步降低，銑削單元的溫度傳感器偵測到系統(tǒng)設(shè)置的銑削溫度后，減材成型單元開始動(dòng)作，銑刀銑削掉熔積層兩側(cè)尚不平整的部分，對熔積層兩側(cè)進(jìn)行進(jìn)一步加工，得到進(jìn)一步完美的熔積層。

(7)完成第一層增材制造之后，機(jī)頭提升一個(gè)切片層距離，重復(fù)步驟(3)到步驟(7)，完成若干層的制造加工。

上述步驟(3)到步驟(7)所述焊接均為堆焊，送絲裝置輸送增材材料，焊槍融化焊絲形成熔積層。電流為50A至500A，送絲速度為0.2m/min到30m/min，焊絲為φ1mm～φ3mm，熔積層寬度為1mm～12mm。

作為優(yōu)選，在增材制造后，對固液混合狀態(tài)的熔積層進(jìn)行擠壓，使熔積層兩側(cè)由原來的圓弧面變?yōu)槠矫?，最后在熔積層凝固后的高溫區(qū)間對兩側(cè)平面進(jìn)行銑削，使加工流程變得更簡單，降低了加工難度，加工速度為傳統(tǒng)電弧增材制造的5～20倍。

作為優(yōu)選，等材成型單元和減材成型單元分別配有各自的溫度傳感器，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測熔積層溫度，并將收集到的信息上傳給系統(tǒng)。在增材之后，基材上的熔積層溫度呈逐漸下降趨勢。此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制循環(huán)，等材成型單元和減材成型的位置根據(jù)溫度傳感器偵測的熔積層溫度進(jìn)行調(diào)整，如果此時(shí)傳感器偵測到的熔積層溫度不是設(shè)定溫度區(qū)間，則系統(tǒng)控制位置調(diào)整，直到在熔積層上找到相應(yīng)的溫度點(diǎn)的時(shí)候，等材成型單元和減材成型開始對相應(yīng)的溫度點(diǎn)所對應(yīng)的熔積層進(jìn)行擠壓和銑削。

作為優(yōu)選，制造加工順序?yàn)橄冗M(jìn)行增材制造，然后對進(jìn)行熔積層進(jìn)行擠壓，最后進(jìn)行銑削。

作為優(yōu)選，等材成型單元?jiǎng)幼鳒囟葏^(qū)間高于減材成型單元?jiǎng)幼鳒囟葏^(qū)間。

作為優(yōu)選，等材成型單元的擠壓輪距增離焊槍噴嘴2mm～20mm

作為優(yōu)選，采用等材成型溫度和減材成型溫度區(qū)間預(yù)設(shè)系統(tǒng)。等材成型溫度預(yù)設(shè)區(qū)間設(shè)置范圍為400℃到2500℃，減材成型溫度預(yù)設(shè)區(qū)間設(shè)置范圍為10℃到1500℃。根據(jù)焊絲材料的熔點(diǎn)不同，溫度設(shè)置區(qū)間不同。在熔積層未凝固時(shí)自動(dòng)對熔積層邊側(cè)進(jìn)行擠壓，隨后熔積層溫度逐漸降低，但是熔積層未完全凝固冷卻，這時(shí)對熔積層邊側(cè)進(jìn)行銑削。

作為優(yōu)選，系統(tǒng)分為手動(dòng)控制和半自動(dòng)控制。所述手動(dòng)控制是可以讓操作者進(jìn)行擠壓溫度和切削溫度的設(shè)置。所述半自動(dòng)控制是讓操作者在系統(tǒng)界面里設(shè)置焊絲材質(zhì)(鋁合金、鐵、不銹鋼、銅等)，然后系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出該材質(zhì)的數(shù)據(jù)，對擠壓溫度和切削溫度區(qū)間進(jìn)行設(shè)置。

作為優(yōu)選，采用直流焊接電源。焊接電源正極接基材，負(fù)極接焊槍，根據(jù)焊絲材質(zhì)和直徑，焊接電流為50A到500A。

作為優(yōu)選，有惰性氣體(氬氣)保護(hù)熔池，減少增材被氧化以及出現(xiàn)氣孔的幾率，減少增材雜質(zhì)，提升增材性能。

作為優(yōu)選，增材材質(zhì)根據(jù)焊絲的不同而不同，增材材質(zhì)可以根據(jù)需要更換。所用焊絲直徑范圍為1mm到10mm。

作為優(yōu)選，根據(jù)成型金屬構(gòu)件的尺寸大小和結(jié)構(gòu)，為了提高增材制造速度，焊槍可以多重排布，焊槍數(shù)量為1到20個(gè)。也可以采用多種焊槍聯(lián)合焊接，改變傳統(tǒng)焊接的一種新的焊接方法。焊槍間距以成型金屬構(gòu)件實(shí)際情況作調(diào)整。焊槍距離基材1mm到10mm。

作為優(yōu)選，應(yīng)用了非熔化極焊接方式，接通電源后，在焊槍和基材之間產(chǎn)生電弧。電弧使基材表面熔化，形成穩(wěn)定的熔池，焊絲通過送絲機(jī)構(gòu)送入熔池中，形成熔積層。

實(shí)施例1

如圖3a、3b所示，鋁合金結(jié)構(gòu)件高度為100mm，壁厚4mm，由50層環(huán)形件堆焊而成，每層環(huán)形件高度2mm。采用本發(fā)明方法制造而成。具體為：

(1)畫出鋁合金結(jié)構(gòu)件的三維視圖，傳入到系統(tǒng)之中，并轉(zhuǎn)成專用的G語言，設(shè)計(jì)每層切片信息。

(2)由于此鋁合金結(jié)構(gòu)件為圓柱形，壁厚4mm，因此綜上因素調(diào)整擠壓輪輪間距為4mm，,兩個(gè)銑刀間距4mm，調(diào)整電流為140A，送絲速度4mm/s，焊絲為φ1.6mm的鋁合金焊絲；

(3)設(shè)定適當(dāng)?shù)臄D壓溫度和銑削溫度。

(4)在基材上選取起始點(diǎn)，開始第一層的第一道圓環(huán)的順時(shí)針焊接；

(5)在電弧增材之后，擠壓輪尋找達(dá)到設(shè)定溫度的熔積層，開始動(dòng)作，兩個(gè)擠壓輪在熔積層兩側(cè)跟著焊槍后方行走，在基材上畫一個(gè)圓形，兩輪內(nèi)側(cè)擠壓未凝固的熔積層。

(6)擠壓完成之后，減材成型單元開始動(dòng)作，自動(dòng)尋找符合銑削溫度區(qū)間的熔積層進(jìn)行銑削。

(8)完成第一道圓環(huán)之后，將整體三個(gè)單元同時(shí)抬高2mm，并且重復(fù)步驟(4)到(6)，順時(shí)針完成第二道圓環(huán)。

(9)重復(fù)上述步驟，完成50道圓環(huán)焊接，然后收弧，最終形成鋁合金結(jié)構(gòu)件。

以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。