電弧增材制造與銑削復(fù)合加工系統(tǒng)與工藝研究

夏然飛，樊建勛，李新宇，高　亮

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

電弧增材制造與銑削復(fù)合加工系統(tǒng)與工藝研究

夏然飛，樊建勛，李新宇，高亮

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

針對(duì)目前電弧增材制造過程中存在的設(shè)備成本高和零件成形效果較差等問題，設(shè)計(jì)出一種電弧增材制造與銑削的復(fù)合加工系統(tǒng)與工藝。該工藝結(jié)合了電弧增材制造和銑削加工的特點(diǎn)，通過對(duì)成形工藝和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的研究，有效地避免了干涉問題。同時(shí)，采用自主開發(fā)的專用軟件對(duì)路徑規(guī)劃和焊接參數(shù)進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制方法。實(shí)例分析表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合銑削的電弧增材制造，為提高零件增材制造效率和成形質(zhì)量提供了一種新的有效途徑，驗(yàn)證了該項(xiàng)工藝技術(shù)的可行性和有效性。

電弧增材制造；復(fù)合銑削加工；路徑規(guī)劃；焊接參數(shù)

0　引言

在資源節(jié)約和高效制造的背景下，發(fā)展增材制造技術(shù)能很好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)零件快速設(shè)計(jì)與加工制造的要求。而隨著船舶、航天、航空和汽車等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)饘倭慵闹圃煲笤絹碓礁撸饘僭霾闹圃旒夹g(shù)受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。而為了解決金屬增材制造中生產(chǎn)效率低、能量利用率低和成本高等問題，電弧增材制造金屬零件成為新的研究趨勢(shì)。

電弧增材制造技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧作為熱源，根據(jù)三維模型，由線-面-體的路徑逐層堆積出金屬件的先進(jìn)制造技術(shù)。與其他金屬增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造成形件由全金屬焊縫組成，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。既可以在大氣環(huán)境下進(jìn)行，也可以在受控的環(huán)境下進(jìn)行，特別是其占用空間小、運(yùn)行穩(wěn)定、沉積速度快、絲材利用率高，可用于各種金屬件的修復(fù)與再制造。

目前，電弧增材制造的研究主要集中在焊縫成形尺寸控制方面，除了采用控制焊接參數(shù)的方法，通過后續(xù)的機(jī)械加工的方法來提高零件的精度。英國的Cranfield大學(xué)、印度理工學(xué)院孟買校區(qū)和韓國機(jī)械材料研究院（KIMM）的研究小組也對(duì)電弧增材制造進(jìn)行了研究并取得一定的進(jìn)展。但是，由于堆焊過程的復(fù)雜性，零件質(zhì)量與實(shí)際情況還是有很大差距，主要體現(xiàn)在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資成本高和不易改裝等方面。

針對(duì)上述問題，本文研究開發(fā)了一種復(fù)合銑削的電弧增材制造系統(tǒng)，并通過同一套數(shù)控代碼進(jìn)行控制。根據(jù)自主開發(fā)的專用軟件，采用了一種起弧位置的循環(huán)切換方法。另外，設(shè)計(jì)的復(fù)合銑削裝置容易改裝，實(shí)現(xiàn)了焊槍和銑刀自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于現(xiàn)有的數(shù)控銑床或加工中心，方便維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定，而且制造加工過程更為簡(jiǎn)便，驗(yàn)證了該項(xiàng)工藝技術(shù)的可行性和有效性。

1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要采用華中數(shù)控的HED-8系列數(shù)控銑床、NBC 200 GW熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)、純度為99.999%的氬氣、PC機(jī)和計(jì)算服務(wù)器等設(shè)備，搭建成一套電弧增材制造與銑削的復(fù)合加工系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由焊接系統(tǒng)和數(shù)控銑削系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)主要由電焊機(jī)、送絲機(jī)構(gòu)的控制和數(shù)控銑床與計(jì)算機(jī)的通信組成。

圖1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，電弧增材系統(tǒng)完成金屬件的堆積成型，數(shù)控銑削系統(tǒng)完成銑削加工。通過銑削加工來提高零件的成形質(zhì)量，既能在堆焊結(jié)束后對(duì)其進(jìn)行銑削，也能在堆焊完一層或多層后就進(jìn)行銑削。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的控制采用同一套數(shù)控代碼，電弧增材制造作為加法，銑削加工作為減法，從而滿足金屬零件制造高效率和高精度的要求。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），氬氣作為保護(hù)氣體，連續(xù)等速地送進(jìn)焊絲，利用焊絲與基板間的電弧作為熱源，通過熔化焊絲逐層堆焊出零件。其優(yōu)點(diǎn)在于采用焊絲作為電極，焊接過程參數(shù)穩(wěn)定，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，最適于焊接鋁、銅、鈦等有色金屬。

在堆焊過程中，為了保證焊槍與銑刀在機(jī)床中X、Y方向坐標(biāo)不變，只需改變焊槍相對(duì)于銑刀的Z軸坐標(biāo)。因此，在確定零件在機(jī)床工作臺(tái)上堆積成型的工件坐標(biāo)系后，還需要確定焊槍與銑刀的相對(duì)位置坐標(biāo)。

為了避免焊槍與銑刀在整個(gè)工藝流程中與成形件產(chǎn)生位置干涉，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍和銑刀相對(duì)高度自主調(diào)節(jié)的裝置。焊槍固定于一個(gè)絲杠軸上，即為C軸，并通過步進(jìn)電機(jī)來控制進(jìn)絲機(jī)構(gòu)，使其相對(duì)于Z軸上下自由移動(dòng)，如圖2所示。

圖2　復(fù)合銑削裝置圖

本裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、滑塊和焊槍等組成，將電弧增材制造模塊通過支撐板固定于三軸數(shù)控平臺(tái)Z軸上，焊槍固定于滑塊上。同時(shí)，固定在滑塊上的焊槍可以手動(dòng)拆裝并調(diào)節(jié)位置。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得絲杠上的滑塊進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制焊槍的上下自由運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示，當(dāng)堆積一定層數(shù)后，金屬零件的高度誤差達(dá)到閥值，焊槍通過C軸抬高，轉(zhuǎn)為銑削加工來消除誤差，避免了可能產(chǎn)生的相互干涉。

圖3　復(fù)合銑削實(shí)驗(yàn)

同時(shí)，氬氣等惰性氣體在焊槍的周圍形成保護(hù)氣體，焊絲和基板（或上一層）金屬被電弧熱源熔化后形成熔池，隨著焊槍繼續(xù)向前移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)將熔化的焊絲等速地送入熔池。同時(shí)，熔池不斷冷卻凝固成焊縫軌跡，相鄰的兩條焊縫軌跡相互搭接，從而堆焊出一層金屬面。如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)金屬件的堆積。

其中，在數(shù)控系統(tǒng)原有控制的基礎(chǔ)上，增加步進(jìn)電機(jī)對(duì)送絲的驅(qū)動(dòng)控制以及電焊機(jī)的起弧和熄弧控制，指令分別為M40和M41。

2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要采用基于MFC自主開發(fā)的專用上位機(jī)軟件，包括STL文件的讀入模塊、路徑規(guī)劃生成模塊、NC代碼生成模塊和成形過程仿真模塊。主要包括焊槍掃描路徑和銑削路徑的NC代碼，兩部分由同一套數(shù)控代碼進(jìn)行控制。

圖4　WAAM軟件

在三維軟件中畫出實(shí)體件模型，通過開發(fā)的WAAM軟件，將該模型按一定的厚度自下而上進(jìn)行分層切片，生成能夠控制整個(gè)工藝流程的NC代碼。其中，合理的路徑規(guī)劃方法和焊接參數(shù)直接影響到零件成形效率及成形質(zhì)量，因此需要對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)研究。

2.1路徑規(guī)劃方法

由于工藝過程分為電弧增材和銑削減材兩部分，其中增材部分由焊槍完成，減材部分由銑刀完成。因此，針對(duì)電弧增材與銑削減材一體的路徑規(guī)劃方法研究將分兩部分進(jìn)行，即焊槍的路徑規(guī)劃和銑刀的路徑規(guī)劃，如圖5所示。

圖5　焊槍路徑策略（左）和銑削路徑策略（右）

對(duì)于簡(jiǎn)單模型主要采用輪廓偏移的路徑規(guī)劃方法，通過調(diào)節(jié)輪廓掃描線的密度，獲得不同密度的輪廓坐標(biāo)點(diǎn)集，從而調(diào)整路徑逼近輪廓的精度。采用復(fù)合銑削裝置，控制焊槍沿著輪廓方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)配合起弧點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)切換，實(shí)現(xiàn)零件的堆積。

對(duì)于實(shí)體填充模型焊槍的路徑規(guī)劃主要采用經(jīng)典的平行線掃描（Zigzag）方式，通過控制焊槍做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在提高堆焊效率的同時(shí)，也提高了金屬填充的致密度。同時(shí)，考慮到層片間焊槍起弧、熄弧引起的堆積效應(yīng)，應(yīng)避免在同一個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)下進(jìn)行起弧、熄弧。

如圖6所示，當(dāng)起始層面為第i層，則隨后每增加一層，起弧點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，分別對(duì)應(yīng)于平行橫縱坐標(biāo)軸的掃描線與輪廓切點(diǎn)的最小和最大坐標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起弧點(diǎn)循環(huán)切換以及相鄰兩個(gè)層面間路徑十字交叉堆積，有利于保證金屬堆積的均勻性和致密性。對(duì)于變截面模型，上述方法同樣適用。

圖6　起弧點(diǎn)循環(huán)切換方法

銑削的路徑規(guī)劃則主要采用螺旋線掃描的方式，掃描路徑由外向內(nèi)進(jìn)行輪廓偏移，對(duì)零件的頂面和側(cè)面進(jìn)行銑削，消除金屬件成形過程中累積高度誤差。

2.2焊接參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述復(fù)合路徑規(guī)劃方法，可以自主選擇工藝流程中銑削工序，同時(shí)銑削的參數(shù)也可自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過讀入STL文件獲取點(diǎn)位信息，結(jié)合路徑規(guī)劃方法，生成能夠綜合控制焊機(jī)、焊槍運(yùn)動(dòng)和銑削運(yùn)動(dòng)整個(gè)工藝流程的數(shù)控代碼，并將其寫入系統(tǒng)的TXT文件中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合銑削的電弧增材制造。

如圖7所示，在WAAM軟件中設(shè)置工藝參數(shù)，包括坐標(biāo)系校準(zhǔn)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度、銑削速度、主軸轉(zhuǎn)速、堆焊間隔時(shí)間、銑削間隔時(shí)間和每層抬升高度等。通過對(duì)每一層的銑削來消除缺陷，并去除氧化層，以獲得良好的表面質(zhì)量，達(dá)到預(yù)計(jì)的層厚。

圖7　復(fù)雜模型參數(shù)設(shè)置框

考慮到基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的需要，軟件系統(tǒng)增加了簡(jiǎn)單模型模塊，包括單壁、四方殼體、圓柱殼體、圓錐殼體等，無需讀入模型文件，直接輸入相應(yīng)的參數(shù)信息，即可快速生成數(shù)控代碼，如圖8所示。

圖8　簡(jiǎn)單模型參數(shù)設(shè)置框

另外，本軟件系統(tǒng)在讀入模型的情況下可根據(jù)路徑規(guī)劃策略提供相應(yīng)的仿真模塊，以提前發(fā)現(xiàn)因模型缺陷或其他原因?qū)е碌目刂拼a錯(cuò)誤，從而保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的安全運(yùn)行。軟件在生成數(shù)控代碼的同時(shí)亦可通過體積計(jì)算模塊近似計(jì)算模型體積，進(jìn)而進(jìn)行成本預(yù)估，并采集一些能夠反映路徑規(guī)劃優(yōu)劣的統(tǒng)計(jì)量，生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告如圖9所示。

圖9　統(tǒng)計(jì)報(bào)告

2.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝流程

由于電弧增材制造技術(shù)是復(fù)雜的機(jī)電一體化體系，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將焊接工藝和多軸CNC加工單元結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)起弧、熄弧、送絲和停絲的自動(dòng)控制，且電源工作穩(wěn)定，夾持牢靠，送絲均勻，三軸運(yùn)動(dòng)與焊槍的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致，滿足成形系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、柔性的要求。復(fù)合銑削的電弧增材制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝流程如圖10所示。

圖10　工藝流程

3　實(shí)例分析

事實(shí)上，“增材”和“減材”并不是對(duì)立的，增材制造出的部分金屬零件，往往還需要后續(xù)的銑削加工才能達(dá)到最終的尺寸精度。因此，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證復(fù)合銑削的電弧增材制造金屬件的可行性。

3.1連續(xù)堆焊后銑削實(shí)驗(yàn)

如圖11所示，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行典型的多層堆焊實(shí)驗(yàn)，焊接速度為250mm/min，送絲速度為3000mm/ min，電弧電壓為17V。設(shè)定焊槍逐層自動(dòng)抬高且每層工藝參數(shù)不變，共堆焊20層。

圖11　堆焊后的零件

可以看出，在初始過程中，焊接余熱使得零件仍保持一段時(shí)間的紅熱狀態(tài)。冷卻后焊縫的熔敷路徑清晰可見，每一層各個(gè)焊縫相互搭接。而且，在該焊接參數(shù)下，零件整體成形良好，沒有出現(xiàn)明顯的缺陷。

由圖12可知，焊縫高度和層數(shù)呈良好的線性關(guān)系，隨著堆焊的層數(shù)增加，高度也隨之增加。而且，每層高度變化也不大，而是趨近一個(gè)定值，實(shí)驗(yàn)表明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能很好地實(shí)現(xiàn)圓柱殼體件的堆焊。

圖12　堆焊層數(shù)和高度之間的關(guān)系

由于焊接過程中溫度高，使得零件的表面都有一層氧化皮，通過數(shù)控銑削加工去除，從而提高零件的表面質(zhì)量，圖13表示銑削后的零件。

圖13　銑削后的零件

3.2復(fù)合銑削的成形實(shí)驗(yàn)

通過復(fù)合銑削的電弧增材制造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)增減材一體的復(fù)合制造。電弧增材系統(tǒng)對(duì)金屬件進(jìn)行堆積，數(shù)控銑削系統(tǒng)進(jìn)行銑削加工。在專用軟件WAAM的控制下，根據(jù)零件的截面輪廓信息，金屬焊絲受熱熔融冷卻形成堆積層，在堆積完一層或若干層后，數(shù)控系統(tǒng)適時(shí)地對(duì)堆積層進(jìn)行銑削加工，如此反復(fù)直到加工完成。

綜合分析，選擇合適的復(fù)合銑削加工條件。焊接工藝參數(shù)：焊接速度為250mm/min，送絲速度為3000mm/ min，電弧電壓為17V；銑削工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，由于單層焊縫的厚度較薄，使得銑削速度較小，銑削的加工余量也不大。采用上述的工藝條件進(jìn)行金屬零件的增減材實(shí)驗(yàn)，復(fù)合銑削的電弧增材制造過程如圖14所示。

圖14　復(fù)合銑削過程

如圖15所示，當(dāng)堆焊高度尺寸超過了模型設(shè)定值，則進(jìn)行銑削加工，即銑刀在Z軸的控制下轉(zhuǎn)為銑削加工，以便消除累積的尺寸誤差，反之則繼續(xù)進(jìn)行電弧增材制造。

圖15　復(fù)合銑削的電弧增材制造

針對(duì)空心殼體等曲面零件，由于傳統(tǒng)的機(jī)械加工不能在堆焊完成后再對(duì)其進(jìn)行內(nèi)表面加工。因此，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合考慮電弧增材制造與銑削加工的復(fù)合工藝，可以邊堆焊邊銑削來保證殼體內(nèi)部的表面光潔。另外，電弧增材制造與數(shù)控銑削之間可以實(shí)現(xiàn)工位自由轉(zhuǎn)換，且均由同一套數(shù)控代碼來完成，驗(yàn)證了該項(xiàng)工藝技術(shù)的可行性和有效性。

4　結(jié)束語

1）設(shè)計(jì)了一套電弧增材與銑削減材的復(fù)合工藝系統(tǒng)，優(yōu)化了加工工藝，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了焊接-銑削方法制造金屬零件的可行性。

2）設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)控制路徑規(guī)劃方法的軟件系統(tǒng)，便于實(shí)際焊接參數(shù)的選擇，簡(jiǎn)化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制方法，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了軟件支撐。

3）通過實(shí)例分析，說明該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)電弧增材和銑削復(fù)合制造，驗(yàn)證了成形工藝的可行性和有效性，具有比較重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Research on a hybrid machining system and process based on wire arc additive manufacturing and milling

XIA Ran-fei，F(xiàn)AN Jian-xun，LI Xin-yu，GAO Liang

TP242

A

1009-0134（2016）09-0079-05

2016-06-01

夏然飛（1990 -），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事電弧增材制造方向的研究。