电弧增材制造成形系统设计及成形规律研究

发布时间：2019-09-22 06:34

【摘要】：电弧增材制造技术的出现和发展为模具修复及再制造提供了新思路,采用该技术修复及再制造模具能够实现修复过程自动化,提高生产效率,同时节约大量焊材。但目前该技术仍停留在基础理论研究和初步实验探索阶段,尚无法真正运用于生产实践。为实现该技术的成功运用,本文针对电弧增材制造成形系统设计及成形规律等方面进行了研究。首先基于冷金属过渡技术,设计搭建了电弧增材制造成形系统。系统以KUKA机器人及Fronius数字化焊机为主要硬件设备,实现焊接成形过程稳定、高效、柔性的总体要求;以Mastercam及3D Automate集成软件系统,采用“反铣削法”实现了电弧增材制造成形路径的快速生成。同时开发相应的机器人程序转换模块,通过离线编程的方式控制机器人的运动。进一步基于Mastercam进行多层单道、单层多道及多层多道焊缝堆积路径规划研究,得到其各自的路径生成方式及相关成形策略。对于多层单道非封闭路径和封闭路径,分别采用两侧抬升和倾斜抬升的方式来提高成形零件在抬升处的平整度;对于单层多道焊缝,采用单向切削和双向切削生成的路径所成形的焊缝平面较为平整。采用不同材料对不同结构的金属零件进行电弧增材制造成形实验,验证了路径生成方式的有效性及路径规划结果的可行性。通过分析不同工艺条件下的焊缝成形形貌,得到了热作模具钢单道焊缝合理工艺参数区间。进而研究焊接工艺参数对焊缝尺寸的影响,结果表明:在其他条件一定的情况下,随着焊接电流的增加,成形宽度显著增加,成形高度略微增加;随着焊接速度的增加,熔宽和成形高度均减小。此外,通过二次通用旋转组合设计方法建立了焊接工艺参数和焊缝成形尺寸之间的二次回归方程,为电弧增材制造过程中零件造型分层切片及路径生成提供依据。最后,采用模具修复专用药芯焊丝分别对长方体零件、梯形体零件及曲轴模拟件进行电弧增材制造实验,零件整体成形与设计预期基本相符,但表面精度总体较低。成形件在拉伸强度、冲击韧性、硬度等方面均不低于手工堆焊成形件的90%,基本满足使用要求,验证了采用电弧增材制造修复及再制造失效模具的可行性。
【图文】：

增材制造技术,基本流程

器人加以计算机程序辅助进行增材制造可以精确控制成形精度和焊接过程自动化、快捷化、智能化，同时节约大量焊接材料，提高生产效率。材制造成形系统搭建是采用该技术进行失效模具修复的前提条件，成形究则是保证堆积金属成形质量良好的关键。为此，本文针对电弧增材制路径规划方面进行探索研究，同时采用模具堆焊专用药芯焊丝进行电弧。本文研究成果将为实现采用电弧增材制造技术修复热作模具提供理论金属材料电弧增材制造的实际应用。制造技术造技术的出现最早可以追溯到 20 世纪 80 年代，主要运用于原型制造形理念上突破了以往采用锻压、铣削等“减材”方式生产制造零件的局众多的研究机构和科学研究者的广泛关注。作为一种新兴的先进制造技种先进技术的集成，涉及到包括材料科学、精密机械、激光技术、计算增材制造技术基本的工作流程如图 1.1 所示。

形貌,快速成形系统,金属零件

图 1.2 金属零件快速成形系统[32]外，该校的 Wang Huijun 等[33]则基于变极性钨极惰性气体保护焊设计了一种金属成形系统。该系统将焊枪固定在变位机附属轴上进行焊接，操作简单且成本较低过 CCD 摄像机实现对零件成形过程中电弧弧长的在线监控，通过反馈实时调节丝速度等工艺参数。实验表明，通过对焊接电弧的监控作出相应工艺参数的调整程更稳定，成形件的精度也更高。98 年，韩国的 Song 等为提高零件的成形精度，，同时采用 CNC 加工系统和熔化极备，设计了焊接与铣削相结合的快速成形系统，具体装置如图 1.3 所示。此方法势，在加工过程中同时兼顾成形效率与成形精度。此外他们还进行了焊接工艺的究了不同焊接工艺参数对焊道成形形貌的影响[35~36]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG444;TH16

【参考文献】