電弧與機械加工集成的增/減材復合成型系統的研發

陳森昌，張李超 ，史玉升 ，張 平，王紅云，賈和平

（1.廣東技術師范學院，廣東 廣州 510665；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074；3.江蘇九鈺三維技術有限公司，江蘇昆山215300）

0 前言

用增材制造方法直接成型金屬材料功能零件是當今研究的一大熱點[1]，其研究主要集中在SLM方法[2]，該方法優點突出[3]，但成本高、效率低[4-5]，目前只有航空航天、軍工領域有少量應用[6-8]。弧焊增材制造是一種低成本成型金屬零件的方法[9-10]，其成型速度快，但成型件的精度低[11-12]，一些研究者嘗試將弧焊成型與機械加工結合，開發試驗裝置[12]，并利用這些裝置進行材料、工藝研究[13-15]。本研究將弧焊增材與加工中心的減材集成在一臺設備上，開發出既能滿足低成本、快速制造，又可以保證零件高精度的增/減材復合成型系統，為一般工業企業運用增材技術提供了一種新的選擇。

1 增/減材復合成型系統的體系設計

增/減材復合成型系統需要增材和減材2套機構，為減少重復結構，將增材和減材機構中的共有部分獨立出來集成一套，以供增材和減材需求時使用。共用機構包括運動機構和數控系統，構成了系統加工運動的執行部分，加上設備的機架、刀具庫等機械機構，組成了設備的基礎部分。

增材部分：以電弧焊接方法作為增材手段，增材控制部分根據切片軟件生成好的成型路徑規劃，指揮、協調數控系統、焊接電源和送絲機構，控制電弧按照預定運動軌跡完成堆焊任務，從而達到增材的目的。

減材部分：減材部分由常用的加工中心控制與進給機構組成，接受主控制器的信息，運動機構、數控系統和進給機構配合，完成機械加工減材的任務。

換刀機構：利用加工中心成熟的換刀機構開展換刀功能；在控制上將焊炬設置在一個專用框架上，將焊炬定義為一個指定的刀具，主控制器發出特定指令，由換刀機構像換切削刀具一樣進行更換。

輔助設備：由加工中心的輔助設備和焊接系統的輔助設備組成，提供支持、服務等工作。

主控部分：是設備的主控制和信息交流部分，讀取切片信息，設置參數，然后將指令發送給相應機構去執行。

增/減材復合成型系統結構示意如圖1所示。其硬件系統由主控部分、增材機構、減材機構、換刀機構、設備基礎部分和輔助機構6部分組成。

2 增/減材復合成型系統的組成

2.1 弧焊增材系統的選擇

圖1 增/減材復合成型系統結構示意

選取原則為成型效率高、應用范圍寬。從成型效率出發，應選擇連續自動電弧焊，滿足該要求的有鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊，由于不需要更換或修理鎢電極，熔化極氣體保護焊的效率更高；從應用范圍考慮，為了使得增材部分具有成型復雜形狀、修復報廢零件及其適應多種材料的廣泛能力，選用奧地利Fronius公司具有CMT Advanced功能的焊接電源[12]。該電源的特點是在短路過渡時，控制系統自動檢測到短路信號，迅速將焊接電流降低至很小值，電弧幾乎熄滅，同時控制焊絲回抽，利用慣性使熔滴脫離焊絲端頭，完成熔滴過渡，避免了普通短路過渡方式易引起的飛濺。該電源可廣泛應用于各種不銹鋼、低中高碳合金鋼、鋁合金、銅合金、鑄鐵等材料的堆焊成型。

該系統由交流380 V供電；焊接電流范圍為3～400A；焊接電源質量為35.2kg；與電源配套的送絲機構選擇配備6種焊絲直徑（0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm，1.6 mm，1.8 mm和2.0 mm），以適應各種成型和修復加工的需要。

2.2 設備基礎部分和減材加工部分

這兩部分相加即為常用的加工中心，選用功能較全的立式數控加工機床結構。將銑削、鉆削、攻螺紋等功能集中在一起，使其具有多種機械加工手段。加工中心設置有刀庫，存放刀具20把。該部分的主要尺寸和參數如表1所示。

2.3 自動換刀機構

為使設備可更換焊炬，設計一矩形支架在動力頭與刀庫相對的另外一側，將焊炬固定在其上。將支架和焊炬作為一個單獨刀具，在加工過程中，由程序自動選用和更換焊炬或者任何一把刀具進行預定加工。其結構如圖2所示。

2.4 主控制部分

選用工控機，其配置為Intel雙核E5300，250G硬盤，1G RAM，17”液晶顯示器。工作過程為：讀入切片好的數據信息，設置好加工參數，選擇“開始”，則系統開始自動工作。工作流程如圖3所示。

表1 加工中心機械部分主要尺寸和參數

圖2 刀具庫（左側）、動力頭（中間）和焊炬支架（右側）照片

圖3 增/減材復合成型系統工作流程

2.5 輔助機構

加工中心的輔助設備有冷卻機構、潤滑機構、排屑機構和液壓機構，焊接系統的輔助設備有供氣系統和冷卻系統，為各自的主系統提供保障和支持。

增/減材復合成型系統的外觀照片如圖4所示。

圖4 增/減材復合成型系統的外觀照片

3 增/減材復合成型系統的應用

為驗證開發系統的性能，利用增/減材復合成型系統進行形狀成形和報廢零件的修復。

3.1 金屬零件的直接成型

在Q235低碳鋼鋼板上，選用直徑φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊絲，用增/減材復合成型系統成型出的空心“工”字狀樣件（見圖5），其優化的成型工藝參數為：送絲速度3.9 m/min，焊速0.006 m/min，電流136A，電壓 14.2V，層間溫度 50～70℃，氬氣保護，氣體流量15 L/min，成型樣件的硬度為189～215 HV，略高于基材板Q235的硬度。成型件設計尺寸為65 mm×35 mm×20 mm，由于是規則形狀，增材一次成型后，再用銑削加工。

圖5 增/減材復合成型系統制作的樣件

3.2 報廢零件的修復

用增/減材復合成型系統修復發動機缸蓋零件。缸蓋為鋁硅合金，壓鑄成型，使用中一角損壞。經過試驗，修復材料選用直徑φ1.0 mm的5356鋁合金焊絲，優化后的工藝參數為：焊接模式為CMT，電流109A，電壓10.1V，焊接速度0.0045m/min，送絲速度8 m/min，焊絲干伸長14 mm，保護氣為純氬氣，保護氣流量20 L/min，堆焊層厚2 mm。堆積成型的最大尺寸為92 mm×35 mm，加工后壁厚10 mm；修復加工方法為：先堆積成型，然后用銑削加工出表面，再加工橫向孔和垂直方向的螺紋孔。由于該零件是壓鑄件，一次快速銑削可滿足表面粗糙度要求，橫向孔和螺紋孔則需要精加工。修復后的發動機缸蓋照片如圖6所示。

圖6 修復的發動機缸體零件照片

4 結論

（1）研發了增/減材復合成型加工設備。開發工控機為主的控制系統；將運動機構和數控系統集成來執行增材、減材加工的運動軌跡；將焊炬設置為一把刀具，由換刀系統更換；選用具有CMT功能的電源設備和具有多種焊絲直徑的送絲機構；整臺設備由主控部分、增材部分、減材部分、換刀機構、設備基礎部分和輔助機構6部分組成。

（2）增/減材復合成型能力。通過加工樣件和修復報廢零件，研發的增/減材設備具有復合加工能力，可以滿足廣泛的要求。