電弧與機(jī)械加工集成的增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的研發(fā)

陳森昌，張李超 ，史玉升 ，張 平，王紅云，賈和平

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；3.江蘇九鈺三維技術(shù)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(dāng)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(yōu)點突出[3]，但成本高、效率低[4-5]，目前只有航空航天、軍工領(lǐng)域有少量應(yīng)用[6-8]?；『冈霾闹圃焓且环N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(jī)械加工結(jié)合，開發(fā)試驗裝置[12]，并利用這些裝置進(jìn)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(shè)備上，開發(fā)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(fù)合成型系統(tǒng)，為一般工業(yè)企業(yè)運用增材技術(shù)提供了一種新的選擇。

1 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的體系設(shè)計

增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)需要增材和減材2套機(jī)構(gòu)，為減少重復(fù)結(jié)構(gòu)，將增材和減材機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)包括運動機(jī)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成了系統(tǒng)加工運動的執(zhí)行部分，加上設(shè)備的機(jī)架、刀具庫等機(jī)械機(jī)構(gòu)，組成了設(shè)備的基礎(chǔ)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(jù)切片軟件生成好的成型路徑規(guī)劃，指揮、協(xié)調(diào)數(shù)控系統(tǒng)、焊接電源和送絲機(jī)構(gòu)，控制電弧按照預(yù)定運動軌跡完成堆焊任務(wù)，從而達(dá)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(jìn)給機(jī)構(gòu)組成，接受主控制器的信息，運動機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)配合，完成機(jī)械加工減材的任務(wù)。

換刀機(jī)構(gòu)：利用加工中心成熟的換刀機(jī)構(gòu)開展換刀功能；在控制上將焊炬設(shè)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(fā)出特定指令，由換刀機(jī)構(gòu)像換切削刀具一樣進(jìn)行更換。

輔助設(shè)備：由加工中心的輔助設(shè)備和焊接系統(tǒng)的輔助設(shè)備組成，提供支持、服務(wù)等工作。

主控部分：是設(shè)備的主控制和信息交流部分，讀取切片信息，設(shè)置參數(shù)，然后將指令發(fā)送給相應(yīng)機(jī)構(gòu)去執(zhí)行。

增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其硬件系統(tǒng)由主控部分、增材機(jī)構(gòu)、減材機(jī)構(gòu)、換刀機(jī)構(gòu)、設(shè)備基礎(chǔ)部分和輔助機(jī)構(gòu)6部分組成。

2 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的組成

2.1 弧焊增材系統(tǒng)的選擇

圖1 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

選取原則為成型效率高、應(yīng)用范圍寬。從成型效率出發(fā)，應(yīng)選擇連續(xù)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(hù)焊，由于不需要更換或修理鎢電極，熔化極氣體保護(hù)焊的效率更高；從應(yīng)用范圍考慮，為了使得增材部分具有成型復(fù)雜形狀、修復(fù)報廢零件及其適應(yīng)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(tǒng)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(yīng)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(tǒng)由交流380 V供電；焊接電流范圍為3～400A；焊接電源質(zhì)量為35.2kg；與電源配套的送絲機(jī)構(gòu)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(yīng)各種成型和修復(fù)加工的需要。

2.2 設(shè)備基礎(chǔ)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(shù)控加工機(jī)床結(jié)構(gòu)。將銑削、鉆削、攻螺紋等功能集中在一起，使其具有多種機(jī)械加工手段。加工中心設(shè)置有刀庫，存放刀具20把。該部分的主要尺寸和參數(shù)如表1所示。

2.3 自動換刀機(jī)構(gòu)

為使設(shè)備可更換焊炬，設(shè)計一矩形支架在動力頭與刀庫相對的另外一側(cè)，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(jìn)行預(yù)定加工。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4 主控制部分

選用工控機(jī)，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(shù)據(jù)信息，設(shè)置好加工參數(shù)，選擇“開始”，則系統(tǒng)開始自動工作。工作流程如圖3所示。

表1 加工中心機(jī)械部分主要尺寸和參數(shù)

圖2 刀具庫（左側(cè)）、動力頭（中間）和焊炬支架（右側(cè)）照片

圖3 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)工作流程

2.5 輔助機(jī)構(gòu)

加工中心的輔助設(shè)備有冷卻機(jī)構(gòu)、潤滑機(jī)構(gòu)、排屑機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)，焊接系統(tǒng)的輔助設(shè)備有供氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，為各自的主系統(tǒng)提供保障和支持。

增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的外觀照片如圖4所示。

圖4 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的外觀照片

3 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)的應(yīng)用

為驗證開發(fā)系統(tǒng)的性能，利用增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)進(jìn)行形狀成形和報廢零件的修復(fù)。

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(fù)合成型系統(tǒng)成型出的空心“工”字狀樣件（見圖5），其優(yōu)化的成型工藝參數(shù)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(hù)，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(shè)計尺寸為65 mm×35 mm×20 mm，由于是規(guī)則形狀，增材一次成型后，再用銑削加工。

圖5 增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)制作的樣件

3.2 報廢零件的修復(fù)

用增/減材復(fù)合成型系統(tǒng)修復(fù)發(fā)動機(jī)缸蓋零件。缸蓋為鋁硅合金，壓鑄成型，使用中一角損壞。經(jīng)過試驗，修復(fù)材料選用直徑φ1.0 mm的5356鋁合金焊絲，優(yōu)化后的工藝參數(shù)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(hù)氣為純氬氣，保護(hù)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(fù)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(fù)后的發(fā)動機(jī)缸蓋照片如圖6所示。

圖6 修復(fù)的發(fā)動機(jī)缸體零件照片

4 結(jié)論

（1）研發(fā)了增/減材復(fù)合成型加工設(shè)備。開發(fā)工控機(jī)為主的控制系統(tǒng)；將運動機(jī)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)集成來執(zhí)行增材、減材加工的運動軌跡；將焊炬設(shè)置為一把刀具，由換刀系統(tǒng)更換；選用具有CMT功能的電源設(shè)備和具有多種焊絲直徑的送絲機(jī)構(gòu)；整臺設(shè)備由主控部分、增材部分、減材部分、換刀機(jī)構(gòu)、設(shè)備基礎(chǔ)部分和輔助機(jī)構(gòu)6部分組成。

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