復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造精度控制研究*

趙彥軍，毛文亮

(甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，增減材制造在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。由于增減材制造中，零件輪廓精度受增減材工藝坐標(biāo)協(xié)同、增材激光熔履頭軌跡、減材非線性誤差等影響。因此，在增減材制造中，對(duì)增減材坐標(biāo)協(xié)同、增材激光熔履頭軸向矢量控制、減材非線性誤差控制等研究，對(duì)提高復(fù)雜零件低損耗、高精度增減材可控制造具有重要意義。

國(guó)內(nèi)，武漢理工大學(xué)的彭二寶等[1]對(duì)FDM薄壁樣件的增減材復(fù)合制造加工進(jìn)行了研究。大連理工大學(xué)的黃鑫等[2]對(duì)鈦合金增減材制造工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。廈門(mén)大學(xué)的高凱[3]等對(duì)中空離心葉輪增減材復(fù)合制造工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的李聰聰?shù)萚4]對(duì)激光熔覆路徑生成進(jìn)行了優(yōu)化。天津大學(xué)的吳蜀魏等[5]對(duì)增減材復(fù)合制造的幾何仿真進(jìn)行了研究。

國(guó)外，Ren等[6]提出了一種增減材復(fù)合制造工藝規(guī)劃系統(tǒng)。Joshi等[6]提出了一種最優(yōu)零件分解的復(fù)合制造工序規(guī)劃方法。Zhu等[7]提出了內(nèi)腔棱狀零件的混合制造工序規(guī)劃方法。Kerbrat等[8]提出了一種根據(jù)制造零件復(fù)雜性原則來(lái)確定工序規(guī)劃的方法。Chen等[9]提出了一種刀具可加工分層高度的優(yōu)化方法。Karunakaran等[11]提出了增減材分層制造方法。

筆者針對(duì)復(fù)雜零件增減材制造中，增材制造成形精度差，減材制造非線性誤差大等現(xiàn)象，通過(guò)增減材制造坐標(biāo)系協(xié)同，激光熔履頭噴嘴軸向矢量控制，刀具非線性誤差控制，提高了復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造精度，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件低損耗、高精度增減材可控制造。

1 增減材坐標(biāo)系協(xié)同

增減材復(fù)合制造中，增材制造時(shí)熔覆頭中心與機(jī)床主軸中心、激光聚焦點(diǎn)不重合，噴嘴處粉路堵塞，以及減材制造時(shí)對(duì)刀誤差等都會(huì)導(dǎo)致增材制造坐標(biāo)系與減材制造坐標(biāo)系之間存在偏差，影響零件加工精度，為提高復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造精度，增減復(fù)合制造加工前，需要對(duì)增材制造坐標(biāo)系和減材制造坐標(biāo)系進(jìn)行協(xié)同。

以機(jī)床轉(zhuǎn)盤(pán)中心為基準(zhǔn)，設(shè)增材制造坐標(biāo)系為Oz1Xz1Yz1Zz1，減材制造坐標(biāo)系為Oj1Xj1Yj1Zj1。第n次修正后，增材制造坐標(biāo)系為OznXznYznZzn，減材制造坐標(biāo)系為OjnXjnYjnZjn。增減材加工時(shí)，需要對(duì)坐標(biāo)Oz1Xz1Yz1Zz1與OjnXjnYjnZjn、Oj1Xj1Yj1Zj1與OznXznYznZzn協(xié)同，如圖1所示。

圖1 激光熔履頭中心與機(jī)床主軸中心坐標(biāo)關(guān)系

圖2 增減材坐標(biāo)系矢量關(guān)系

(Xj(n+1)-Xzn,Yj(n+1)-Yzn)=(Xjn-Xz(n+1),Yjn-

Yz(n+1))

(1)

變換后得：

(2)

(n+1)次迭代后得：

(3)

通過(guò)公式(3)，求解修正后的第n次減材加工坐標(biāo)，設(shè)置評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，便實(shí)現(xiàn)了增減材復(fù)合制造中增材制造坐標(biāo)系與減材制造坐標(biāo)系的協(xié)同。

2 增材熔覆頭軸向矢量控制

激光增材一般采用平行分層堆積材料制造，對(duì)于復(fù)雜零件，由于激光熔覆頭噴嘴與刀軸矢量在熔覆位置不變，層間提升需要不斷開(kāi)關(guān)激光切換，同時(shí)，熔池受流體重力、氣體擾動(dòng)及表面張力等影響，致使成形件輪廓粗糙、塌邊、沉積缺陷。

為獲得較高的激光熔覆成形精度，增材制造時(shí)，對(duì)三維模型按徑向螺旋進(jìn)刀銑削方式進(jìn)行五軸銑削刀具軌跡規(guī)劃，對(duì)獲得的五軸刀具軌跡，對(duì)相鄰層間輪廓面軸向刀位點(diǎn)坐標(biāo)連線，使后一層軌跡中輪廓面軸向每個(gè)刀位點(diǎn)指向前一層相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并進(jìn)行矢量變換，生成五軸機(jī)床增材制造激光熔覆頭軌跡，如圖3所示。增材制造時(shí)，激光在熔覆開(kāi)始時(shí)接通，在熔覆結(jié)束時(shí)斷開(kāi)，熔覆頭噴嘴軸向矢量方向始終與包絡(luò)層切面平行，且隨理論模型曲面曲率變化動(dòng)態(tài)變化，有效降低了臺(tái)階效應(yīng)、塌邊現(xiàn)象及搭接不良等的產(chǎn)生。

圖3 相鄰層熔履頭軸向矢量

3 減材非線性誤差控制

在減材制造中，隨著零件曲面曲率的變化，機(jī)床刀具刀心位置點(diǎn)和刀軸矢量需要不斷變化，而刀軸矢量的變化將引起刀具姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化，從而使刀具刀心運(yùn)動(dòng)軌跡偏離理想插補(bǔ)軌跡，產(chǎn)生非線性誤差。

非線性誤差的產(chǎn)生與減材制造時(shí)刀具半徑、刀具初始角、刀具擺角等有關(guān)。相同刀具半徑下，平頭立銑刀加工時(shí)產(chǎn)生的非線性誤差相對(duì)較大，球頭立銑刀加工時(shí)產(chǎn)生的非線性誤差相對(duì)較小，且刀具半徑增大時(shí)，非線性誤差也隨著增大。初始角變化對(duì)平頭立銑刀的非線性誤差影響較大，對(duì)球頭立銑刀的非線性誤差影響較小，且初始角為0時(shí)，平頭立銑刀非線性誤差最小，球頭立銑刀非線性誤差最大。刀具擺角變化對(duì)平頭立銑刀產(chǎn)生的非線性誤差影響較小，對(duì)球頭立銑刀產(chǎn)生的非線性誤差影響較大，刀具擺角增大，非線性誤差隨著增大。

為減小非線性誤差，提高加工質(zhì)量，在減材平面精加工中，選擇半徑較小的平頭立銑刀，以0初始角，小擺角進(jìn)行加工。在減材曲面精加工中，選擇半徑較小的球頭立銑刀，以大的初始角，小擺角進(jìn)行加工。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證有效性，文中在SVW80C-3D增減材復(fù)合五軸加工中心上對(duì)葉輪增減材復(fù)合制造進(jìn)行了試驗(yàn)，熔覆材料為鈦合金粉末，并將工藝優(yōu)化前后的試件輪廓尺寸進(jìn)行了測(cè)量對(duì)比。結(jié)果顯示，采用增減材坐標(biāo)協(xié)同，增材熔覆頭軸向矢量控制，減材非線性誤差控制后，增減材復(fù)合制造零件各測(cè)點(diǎn)輪廓精度平均提高3%～6%。復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造增材制造如圖4所示，復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造工藝優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所列。

圖4 葉輪增減材復(fù)合制造增材制造

表1 復(fù)雜零件增減材復(fù)合制造工藝優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比 /mm

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)增減材制造中增材制造成形精度差，減材制造非線性誤差大等現(xiàn)象，文中通過(guò)增減材制造坐標(biāo)系協(xié)同，增材制造熔覆頭軸向矢量控制，減材制造刀具非線性誤差控制的方法提高了復(fù)雜零件“增材-減材”閉環(huán)制造加工精度，并在SVW80C-3D增減材復(fù)合五軸加工中心上通過(guò)葉輪加工進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件低損耗、高精度增減材復(fù)合可控制造。