一种电弧增材制造-旋压复合加工装置及方法

摘要

本发明属于电弧增材制造领域，并具体公开了一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置及方法，其包括旋压机构和熔积成形机构，其中：所述旋压机构包括机床和旋压头，其中，所述旋压头通过主轴安装在所述机床上，所述主轴用于带动旋压头旋转并实现三个垂直方向的移动；所述旋压头包括旋压座和滚珠，所述滚珠安装在所述旋压座底部的圆弧槽内；所述熔积成形机构包括移动轨道、机器人和热源发生器，其中，弧形的移动轨道围绕设置在所述机床周围，所述机器人活动安装在该移动轨道上，所述热源发生器安装在所述机器人末端。本发明实现了电弧增材制造‑旋压工艺复合，可对形状不规则的焊道进行旋压加工，并得到优良的表面形貌和力学性能的曲面零件。

权利要求

1.一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置，其特征在于，包括旋压机构和熔积成形机构，其中：

所述旋压机构包括机床(41)和旋压头(12)，其中，所述旋压头(12)通过主轴(13)安装在所述机床(41)上，所述主轴(13)用于带动旋压头(12)旋转并实现三个垂直方向的移动；

所述旋压头(12)包括旋压座(23)和滚珠(24)，所述滚珠(24)安装在所述旋压座(23)底部的圆弧槽内；所述滚珠(24)共有三个，且周向均匀安装在所述旋压座(23)底部；所述滚珠(24)一半安装在旋压座(23)底部的圆弧槽内，即滚珠(24)轴线与旋压座(23)底面平齐；所述旋压座(23)底面还安装有支承片，该支承片上开设有弧形槽，用以托起所述滚珠(24)；

所述旋压头(12)各部分尺寸满足如下关系式：

其中，θ为待加工曲面的最大曲率角度，D为滚珠直径，d为支承片厚度，m为滚珠与旋压座边缘的距离，h为支承片下端与旋压座边缘的距离；

所述熔积成形机构包括移动轨道(433)、机器人(43)和热源发生器(11)，其中，弧形的移动轨道(433)围绕设置在所述机床(41)周围，所述机器人(43)活动安装在该移动轨道(433)上，所述热源发生器(11)安装在所述机器人(43)末端。

2.如权利要求1所述的电弧增材制造‑旋压复合加工装置，其特征在于，所述旋压座(23)的横截面半径R满足L>2R，其中，L的确定方式如下：根据预设的零件曲面分层，找到曲面分层中所有的凹陷区域，对每个凹陷区域，确定该凹陷区域的最低点P，在P点上方高度H处作与凹陷区域相交的水平面，得到闭合轮廓C，该闭合轮廓C与预设的加工路径有多个交点，分别计算闭合轮廓C内过各交点的内切圆直径，其中的最小值为L。

3.如权利要求2所述的电弧增材制造‑旋压复合加工装置，其特征在于，所述高度H等于滚珠(24)在旋压座(23)下端露出的高度加上一层焊道的高度。

4.如权利要求1‑3任一项所述的电弧增材制造‑旋压复合加工装置，其特征在于，所述移动轨道(433)为环形或半环形。

5.一种电弧增材制造‑旋压复合加工方法，采用如权利要求1‑4任一项所述的加工装置实现，其特征在于，包括如下步骤：机器人(43)沿移动轨道(433)运动，同时带动热源发生器(11)按预设加工路径进行熔融金属堆积；主轴(13)带动旋压头(12)跟在热源发生器(11)的后面并沿着热源发生器(11)的轨迹移动，在金属材料还未完全凝固时，旋压头(12)旋转并碾轧熔融金属堆积处，以细化晶粒并使成形零件表面光滑。

6.如权利要求5所述的电弧增材制造‑旋压复合加工方法，其特征在于，所述热源发生器(11)为焊枪，加工时倾斜焊枪，倾斜方向为焊道的行走方向。

说明书

一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电弧增材制造领域，更具体地，涉及一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置及方法。

背景技术

[0002] 电弧增材制造是基于熔融‑堆积原理，以电弧为热源，将材料逐层累加以制造三维实体零件。

[0003] 对于传统的基于平面的电弧增材制造，为实现零件优良的力学性能，可复合轧制工艺。目前的轧制机构多为圆柱形的轧辊，且焊枪与轧制机构的布局不够灵活，只能轧制简单焊道(直线或圆弧焊道)。对于曲面电弧增材制造，焊道不再是简单焊道，且焊道所处加工面为曲面，难以与现有的轧制工艺复合，需要发明新的轧制机构与方法。

[0004] 旋压工艺是一种通过旋压机构实现金属塑性成形的加工工艺。旋压机构底部端面可为曲面，因而可以实现曲面的旋压加工，有应用于电弧增材制造的潜力，实现电弧增材‑旋压复合工艺。但目前的旋压机构仍然难以与现有的电弧增材制造工艺复合，因此，亟需一种面向曲面电弧增材制造的旋压机构及方法。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置及方法，其目的在于，实现电弧增材制造‑旋压工艺复合，可对形状不规则的焊道进行旋压加工，并得到优良的表面形貌和力学性能的曲面零件。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置，包括旋压机构和熔积成形机构，其中：

[0007] 所述旋压机构包括机床和旋压头，其中，所述旋压头通过主轴安装在所述机床上，所述主轴用于带动旋压头旋转并实现三个垂直方向的移动；所述旋压头包括旋压座和滚珠，所述滚珠安装在所述旋压座底部的圆弧槽内；

[0008] 所述熔积成形机构包括移动轨道、机器人和热源发生器，其中，弧形的移动轨道围绕设置在所述机床周围，所述机器人活动安装在该移动轨道上，所述热源发生器安装在所述机器人末端。

[0009] 作为进一步优选的，所述旋压座的横截面半径R满足L>2R，其中，L的确定方式如下：根据预设的零件曲面分层，找到曲面分层中所有的凹陷区域，对每个凹陷区域，确定该凹陷区域的最低点P，在P点上方高度H处作与凹陷区域相交的水平面，得到闭合轮廓C，该闭合轮廓C与预设的加工路径有多个交点，分别计算闭合轮廓C内过各交点的内切圆直径，其中的最小值为L。

[0010] 作为进一步优选的，所述高度H等于滚珠在旋压座下端露出的高度加上一层焊道的高度。

[0011] 作为进一步优选的，所述滚珠共有三个，且周向均匀安装在所述旋压座底部。

[0012] 作为进一步优选的，所述滚珠一半安装在旋压座底部的圆弧槽内，即滚珠轴线与旋压座底面平齐；所述旋压座底面还安装有支承片，该支承片上开设有弧形槽，用以托起所述滚珠。

[0013] 作为进一步优选的，所述旋压头各部分尺寸满足如下关系式：

[0014]

[0015] 其中，θ为待加工曲面的最大曲率角度，D为滚珠直径，d为支撑片厚度，m为滚珠与旋压座边缘的距离，h为支撑片下端与旋压座边缘的距离。

[0016] 作为进一步优选的，所述移动轨道为环形或半环形。

[0017] 按照本发明的另一方面，提供了一种电弧增材制造‑旋压复合加工方法，其采用上述加工装置实现，包括如下步骤：

[0018] 机器人沿移动轨道运动，同时带动热源发生器按预设加工路径进行熔融金属堆积；主轴带动旋压头跟在热源发生器的后面并沿着热源发生器的轨迹移动，在金属材料还未完全凝固时，旋压头旋转并碾轧熔融金属堆积处，以细化晶粒并使成形零件表面光滑。

[0019] 作为进一步优选的，所述热源发生器为焊枪，加工时倾斜焊枪，倾斜方向为焊道的行走方向。

[0020] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0021] 1.本发明将熔积机构与旋压机构互相独立，可实现曲线焊道同步熔积与轧制，并采用弧形移动轨道移动机器人，扩大成形范围，布局灵活，可实现全向旋压工艺，同时带滚珠的旋压机构设计精巧简单，可直接安装于机床主轴，利用主轴旋转实现旋压；从而实现了电弧增材‑旋压复合工艺，可对形状不规则的焊道进行旋压加工，且能够有效的细化晶粒，使得零件获得更好的力学性能；同时可以使零件的表面粗糙度更低，获得更好的表面形貌。

[0022] 2.为实现电弧增材‑旋压复合，旋压必须跟在焊枪后进行，如果机器人固定，运动过程中可能旋压和焊枪会发生干涉，本发明使熔积机构通过弧形移动轨道围绕成形区域大范围移动，同时调整焊枪姿态，防止干涉。

[0023] 3.本发明在旋压座底部安装滚珠，从而旋压机构与加工件接触的是球面，其摩擦系数低，获得的零件表面粗糙度低，即更好的表面形貌。

[0024] 4.采用曲面分层时，焊枪与旋压头沿着曲面路径运动，焊枪与旋压头可能与成形面发生碰撞。对于焊枪的碰撞问题可通过改变姿态来防止；而对于旋压头，本发明给出预先判断旋压头与曲面分层可能出现的碰撞点的方法，并据此设计旋压座的大小，从而防止旋压时的碰撞。

[0025] 5.本发明通过设计支承片托起滚珠，提高稳定性；同时给出了旋压机构可加工曲面的最大曲率公式，据此设计旋压头各部件尺寸，保证设计的旋压头可对大曲率范围的曲面加工。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例电弧增材制造‑旋压复合加工装置结构正视图；

[0027] 图2为本发明实施例电弧增材制造‑旋压复合加工装置结构俯视图；

[0028] 图3为本发明实施例旋压机构的结构和尺寸示意图；

[0029] 图4为本发明实施例在电弧增材制造过程中的总体示意图；

[0030] 图5中(a)、(b)为本发明实施例零件分层示意图和路径规划示意图；

[0031] 图6中(a)、(b)为本发明实施例可行性分析示意图；

[0032] 图7为本发明实施例碰撞分析示意图。

[0033] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11‑热源发生器，12‑旋压头，13‑主轴，14‑基体，23‑旋压座，24‑滚珠，41‑机床，42‑工作台，43‑机器人，431‑第一极限位置，432‑第二极限位置，433‑移动轨道。

具体实施方式

[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0035] 本发明实施例提供的一种电弧增材制造‑旋压复合加工装置，实现了电弧增材制造成形的同时，对形状不规则的焊道进行旋压加工，使零件获得更好的表面形貌和力学性能。形状不规则的焊道包括直线焊道或曲线焊道，其所处加工面可为平面或一定曲率的曲面(平面是一种特殊的曲面，以下统称曲面)。

[0036] 如图1和图2所示，该电弧增材制造‑旋压复合加工装置包括旋压机构和熔积成形机构，其中：

[0037] 所述旋压机构包括机床41和旋压头12，其中，所述旋压头12通过主轴13安装在所述机床41上，所述主轴13用于带动旋压头12旋转并实现X、Y、Z三个方向的移动；所述旋压头12包括旋压座23和滚珠24，所述滚珠24安装在所述旋压座23底部的圆弧槽内；

[0038] 所述熔积成形机构包括移动轨道433、机器人43和热源发生器11，其中，所述移动轨道433为环形或半环形，该移动轨道433围绕设置在所述机床41周围，具体布置方法需根据机床的尺寸、加工区域而定，所述机器人43活动安装在该移动轨道433上，移动轨道的两端分别为机器人可移动的第一极限位置432和第二极限位置2；所述热源发生器11安装在所述机器人43末端，该热源发生器11具体为焊枪。

[0039] 优选的，所述滚珠24共有三颗，且周向均匀安装在所述旋压座23底部，同时滚珠24一半安装在旋压座23底部的圆弧槽内，即滚珠24轴线与旋压座23底面平齐；所述旋压座23底面还安装有支承片，三颗滚珠24分别由支承片上的三个弧形槽托起，并置于旋压座23的圆弧槽内。

[0040] 进一步的，在进行电弧增材制造之前，应该对零件的三维模型分层处理，每层的高度即为电弧增材制造一层的高度(即焊高)；接着，逐层进行路径规划(即焊枪行走的路径)。采用平面分层时，焊枪与旋压头沿着平面路径运动，不会产生干涉。然而，采用曲面分层时，焊枪与旋压头沿着曲面路径运动，焊枪与旋压头可能与成形面发生碰撞。焊枪的碰撞问题可通过改变姿态来防止；对于旋压头，则需要预先判断旋压头与曲面分层可能出现的碰撞点，并据此对旋压头大小进行设计。

[0041] 基于旋压头的形状特征，曲面分层的凹陷处最有可能与旋压头发生干涉。如图5至图7所示，首先，找到曲面分层所有凹陷区域，对于路径Path经过的某凹陷区域Ω，区域最低点为P，在P点上方一定高度H作一个水平面，与Ω相交，得到一条闭合轮廓C，Path与轮廓C存在多个交点；在交点Q处，如果轮廓C内过Q的最小内切圆直径小于支承片的直径，则旋压头与成形面必然发生碰撞。因此，对于最小内切圆直径L，旋压座23的横截面半径R应满足L>2R。其中，所述高度H为滚珠在支承片下露出的部分的高度值加上一层焊道的高度，即H＝D/
2‑d+焊道高度。

[0042] 进一步的，为了保证所设计的旋压头12可对大曲率范围的曲面加工，如图3所示，所述旋压头12各部分尺寸满足如下关系式，从而使曲面与滚珠24相切且避免曲面与支承片的边缘碰到：

[0043]

[0044] 其中，θ为待加工曲面的最大曲率角度，D为滚珠直径，d为支撑片厚度，m为滚珠与旋压座边缘的距离，h为支撑片下端与旋压座边缘的距离。

[0045] 采用上述电弧增材制造‑旋压复合加工装置进行零件成形加工，如图4所示，包括如下步骤：

[0046] 机器人43沿移动轨道433运动，同时带动焊枪按预设加工路径在工作台42上进行熔融金属逐层堆积；旋压头12跟在热源发生器11的后面适当距离处并沿着热源发生器11的轨迹移动，由主轴13带动快速旋转，在焊枪堆积的金属材料还未完全凝固时，旋压头12快速旋转并碾轧熔融金属堆积处，使其晶粒更加细化并使零件的表面更光滑；增材制造得到的零件是打印在基体14上的，待加工结束后，使用线切割等技术将打印零件与基体14分离。

[0047] 具体的，如果旋压头与焊枪距离较远，焊道在被轧制时温度较低，此时焊道强度较大，轧制效果不明显；如果距离较近，容易发生干涉。为保证轧制效果且不发生干涉，需适当倾斜焊枪，倾斜方向为焊道的行走方向。对于直线焊道，只需在打印过程中保持焊枪的姿态；对于曲线焊道，焊接方向不断改变，为保持焊枪的倾斜方向与焊接方向的夹角，可通过改变六轴机器的姿态时时改变焊枪的姿态。如果曲线曲率较大，可能会超出机器人机器臂的行程范围，本发明通过采用围绕着机床的弧形移动轨道，机器人安装于移动轨道上，实现大范围移动，解决上述超程问题。

[0048] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。