电弧增材制造轨迹及工艺规划研究进展

电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术,凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展,总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略,介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略,最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展,指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。     

单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

传统轮廓偏置路径规划方法具有较高几何还原度,适合电弧增材制造中等尺寸的复杂零件,但轮廓连续偏置过程中的退化现象易形成欠填充区域,进而导致缺陷,形成待优化区. 针对上述问题,提出了基于布尔运算的待优化区域精确识别方法. 将原始多边形与经过正反两次等距偏置的回溯多边形进行布尔差运算,可获得需要优化的缺陷区域,将待优化区域过滤与合并,重新构建为骨架填充区. 结合最小矩形框确定每个骨架填充区的最优填充方向并生成往复直线路径,最后将轮廓偏置路径重新分类分区连接为连续成形路径,并按照骨架填充区成形路径优先打印原则输出为机器代码. 后续成形试验采用机器人电弧增材制造系统打印了螺旋桨零件,结果表明,零件成形尺寸达到预期,且表面不存在传统轮廓偏置法中的成形缺陷,证明文中方法具有较高的可行性与适用性.     

基于空间轨迹规划与切片的GTAW填丝增材制造成形控制

增材制造是基于3D模型逐层堆积以制造产品的过程。当前复杂零件的加工制造相对较难,文中提出了路径轨迹与切片联合的方法自动控制成形。通过建立模型,并对模型进行切片处理。试验以钨极气体保护焊为热源,6轴机器人为控制端。将基底坐标变换至钨极坐标,以模型切片后生成的路径轨迹为钨极坐标运动轨迹,实现最终的堆垛成形。基于路径规划与切片联合使用和传统钨极气体保护焊填丝增材制造试验表明：采用切片与路径规划对成形有较好的控制效果。比较实体结构件与三维模型之间的差异发现：实体结构件与模型的边长尺寸精度相同,壁厚较模型大1 mm,结构件与模型长度和厚度的精度较高,总体的高度较模型的高度低5 mm。     

大型钢结构多向钢节点电弧增材制造工艺

多向钢节点作为连接大型钢结构的关键构件,承载钢结构建筑各方向的力,对其安全性起至关重要的作用。基于七向钢节点结构特点,文中研究了电弧增材制造钢结构建筑的七向钢节点,采用分区成形、平曲面切片及摆动填充的路径规划方法,将其分为直臂圆管区、相贯区和支管延长区3个区域,相贯区包括两管相贯、三管相贯和四管相贯3种类型。直臂圆管区和支管延长区采用摆动工艺进行堆积,两管相贯、三管相贯和四管相贯区分别采用曲面切片的路径规划进行堆积。对堆积完成的构件进行成形精度检测、微观组织的观测和力学性能的测量。结果表明,七向钢节点构件成形尺寸偏差为±1.32 mm,成形精度较高。微观组织为铁素体和珠光体,构件的抗拉强度和屈服强度相对于同成分铸件分别提高了约30%和105%,电弧增材制造的七向钢节点满足使用要求。     

双丝电弧增材制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金工艺与组织性能

为改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金电弧增材过程中出现的工艺和缺陷问题,利用双丝电弧增材技术,制备了Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金. 根据电弧增材过程中的工艺以及成形情况,对该工艺中的送丝位置,送丝速度以及变极性频率等工艺参数进行分析. 通过工艺试验得到气孔含量较少和成型情况较好的参数并进行双丝电弧增材制造. 分析了不同扫描速度下的制备的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金组织以及力学性能,对微观组织和试样失效区域进行观察,确认了断裂类型和组织特点. 最终得到双丝电弧增材技术制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的工艺区间,明确了沉积态Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的基本组织特点.     

大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究

整体式闭式叶轮因其性能优越、稳定高效、寿命长等优势在工业上应用越来越广泛。大倾角环形结构是整体式闭式叶轮的关键组成,其倾角变化大,不同倾角条件下,增材过程中熔滴过渡形式不同,造成逐层增材时层高层宽各异,层间焊道搭接亦不同,为电弧熔丝增材高质量近净成形带来了极大挑战。鉴于此,文中进行了大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究,分析了其结构特征并形成了增材路径策略,即每层由2条环形轨迹搭接而成,同时轨迹法向与倾角相适应,还进行了进给速度、搭接率等工艺参数对成形质量影响的研究,在此基础上确定了合理的增材工艺参数,即送丝速度7 m/min,进给速度500 mm/min,搭接率50%。最终实现了大倾角环形结构毛坯的高质量近净成形。     

CMT电弧增材制造Inconel 718高温合金成形工艺研究

Inconel 718高温合金具有组织稳定、抗热腐蚀、高温下强度高的特点,可以应用于高温、复杂应力等苛刻环境。文中以CMT电弧增材制造技术为研究对象,以Inconel 718高温合金为成形材料,探索工艺参数影响成形形貌的内在机理,采取电流电压信号采集、高速CCD拍摄熔滴过渡行为的方法,通过控制变量法研究不同工艺参数下的熔滴过渡行为,在此基础上分析工艺参数对单层焊道成形的影响。研究发现：较大的送丝速度成形质量更好,且利于搭接,同时伴随着大量的飞溅;当焊丝伸出长为10 mm时,可获得最小的单道熔宽;对单层单道熔覆层成形影响的大小顺序为送丝速度大于焊丝伸出长。     

摆动电弧熔丝增材技术研究现状及应用

传统的电弧熔丝增材技术在大型构件生产中容易形成残余应力影响构件性能,而摆动电弧熔丝增材技术可以有效改善残余应力,因此针对摆动电弧熔丝增材技术,综述了摆动电弧熔丝增材技术残余应力形成机理、消除或控制残余应力的研究和工艺方法;阐述了摆动电弧熔丝增材技术的工艺参数及增材路径对温度场及残余应力的影响,最后简要介绍了摆动电弧熔丝增材技术的应用案例,以期为提高电弧熔丝增材构件力学性能提供引导。     

电弧增材制造金属点阵结构研究进展

金属点阵结构是一种轻质多功能结构,具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势,在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而,迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限,主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状,从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述,并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘,重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足,指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。     

矿用链轮链窝电弧增材制造路径规划

针对曲率较大的链窝表面的增材制造,提出了曲面分层的方案。对即将增材的区域进行分层设计和施焊路径规划,得到的路径点平滑连续,能够很好地适应链窝曲面。结果表明,施焊时机器人各轴运动平缓,焊枪行走平稳,不存在速度突变。堆敷层表面均匀平整,与链窝曲面吻合度高,边缘焊道与周围轮廓相适应好,未出现缺肉及超出轮廓边缘的情况,表明路径规划算法能较好地适用于链窝曲面增材制造过程。     

板料激光成形技术

介绍了一种利用激光作为热源使金属板料在无模具下发生热塑性变形的新的成形方法。综述了在激光加工条件下板料的成形机理,有关研究结果,可能的应用及国内外发展现状。     

基于SolidWorks平台的板料成形参数化模拟技术

基于SolidWorks平台,开发了板料成形同步模拟系统StampingWorks/Forming Analysis Xpert(SW-FAX)。采用SolidWorks软件的参数化造型技术,在冲压成形工艺中引入CAE驱动设计思想,基于三角面片的参数化工具网格模型,实现了坯料网格与工具网格的参数化关联、工艺参数之间的参数化关联和设计模型与分析模型的参数化关联,保证了产品设计、工艺设计与成形模拟模型同步更新,实现了参数化的CAE分析和真正意义上的CAD/CAE无缝集成。该系统通过建立统一的设计与模拟模型,避免了传统CAE软件与CAD平台之间模型数据交换所引起的曲面丢失和精度损失。通过某企业生产的烤箱上盖的成形模拟的参数化应用,以及模拟结果与实验结果的对比,验证了系统的实用性和准确性。     

叠层钢板成形模快速制造技术研究

研究了叠层制造工艺的分层处理技术,提出了一种基于EUCLID软件系统的CAD模型直接分层方法,采用等离子切割方法对板材进行切割,板件依序叠合起来后通过胶粘实现层间的粘接。实例表明该工艺为金属模具低成本快速制造提供了有益参考。     

基于计算机仿真的复杂薄板冲压成形工艺研究

采用非线性有限元分析软件对飞机内蒙皮成形过程进行计算机模拟。涉及到如何构建复杂薄板零件的有限元模型,分析压边圈的设计对冲压成形的影响,2种坯料外形方案的仿真结果比较。所做的研究对相似零件冲压仿真有一定的指导作用。     

金属成形工艺在航空紧固技术上的应用

结合航空紧固件的制造工艺,介绍了挤压、镦粗和滚压强化等成形技术在紧固件制造上的应用。同时,介绍了利用残余压应力提高寿命的干涉连接和孔强化技术以及二者结合的应用。指出了金属成形技术是保证紧固件及相关结构性能的重要关键技术,强调了加强其研究的重要性和必要性。     

Mechanical servo press technology for metal forming

Recently several press builders developed gap and straight-sided metal forming presses that utilise the mechanical servo-drive technology. The mechanical servo-drive press offers the flexibility of a hydraulic press (infinite slide (ram) speed and position control, availability of press force at any slide position) with the speed, accuracy and reliability of a mechanical press. Servo drive presses have capabilities to improve process conditions and productivity in metal forming. This paper reviews the servo press designs, servo-motor and the related technologies, and introduces major applications in sheet metal forming and bulk metal forming.     

复动成形的金属冷挤压方法

介绍了复动成形的金属冷挤压的原理、分类与模具结构,并介绍了复动成形的应用以及带芯轴交换的齿轮复动成形过程。     

板料点压渐进成形的成形性能研究

板料渐进成形技术作为柔性制造技术,其研究已经取得相当进展。但是在进给轨迹连续的普通渐进成形中,材料在成形过程容易产生沿轨迹方向的推挤,而产生不必要的变形,影响加工能力和加工质量。通过圆弧沟槽实验,对比点压渐进成形和连续渐进成形,发现点压渐进成形可获得的沟槽长度为60.5 mm,大于连续渐进成形中48.9 mm的沟槽长度;破裂位置最大主应变分别为1.212和0.982,说明板料点压渐进成形时的成形性能比连续渐进成形好。通过改变点压渐进成形中正弦波的波长和振幅,说明两参数对成形性能的影响。采用成形性能更好的点压渐进成形,可减少多道次渐进成形的成形道次,拓展渐进成形所能成形的零件结构类型。     

三明治板成形技术研究

基于三明治板在未来车型规划应用的需求,开展三明治板冲压成形的技术研究,通过CAE仿真分析和现场试压,与普通钢板冲压成形进行对比分析,完成了三明治板冲压工艺设计技术储备,掌握了三明治板冲压成形模具调试技术。     

悬空特征结构件电弧增材制造成形及算法优化

将增材制造技术与弧焊机器人相结合,针对具有悬空特征预制件增材制造焊接工艺进行研究. 首先针对预制件成形尺寸预测进行算法优化,实现对成形高度及宽度预测;针对悬空焊缝下淌现象,研究焊枪倾斜角度对焊缝成形影响,确定最优焊枪倾斜角度范围,并设计试验对成形方法进行验证,有效改善悬空焊缝表面成形质量,然后在此基础上提出焊枪倾斜角度预测算法,实现对悬空焊过程中焊枪倾斜角度的预测. 最后焊制具有悬空特征预制件验证预测算法及成形方法的准确性. 结果表明,预制件表面成形质量较好,成形尺寸误差小于1 mm.