电弧与机械加工集成的增/减材复合成型系统的研发

陈森昌，张李超 ，史玉升 ，张 平，王红云，贾和平

（1.广东技术师范学院，广东 广州 510665；2.华中科技大学，湖北 武汉 430074；3.江苏九钰三维技术有限公司，江苏昆山215300）

0 前言

用增材制造方法直接成型金属材料功能零件是当今研究的一大热点[1]，其研究主要集中在SLM方法[2]，该方法优点突出[3]，但成本高、效率低[4-5]，目前只有航空航天、军工领域有少量应用[6-8]。弧焊增材制造是一种低成本成型金属零件的方法[9-10]，其成型速度快，但成型件的精度低[11-12]，一些研究者尝试将弧焊成型与机械加工结合，开发试验装置[12]，并利用这些装置进行材料、工艺研究[13-15]。本研究将弧焊增材与加工中心的减材集成在一台设备上，开发出既能满足低成本、快速制造，又可以保证零件高精度的增/减材复合成型系统，为一般工业企业运用增材技术提供了一种新的选择。

1 增/减材复合成型系统的体系设计

增/减材复合成型系统需要增材和减材2套机构，为减少重复结构，将增材和减材机构中的共有部分独立出来集成一套，以供增材和减材需求时使用。共用机构包括运动机构和数控系统，构成了系统加工运动的执行部分，加上设备的机架、刀具库等机械机构，组成了设备的基础部分。

增材部分：以电弧焊接方法作为增材手段，增材控制部分根据切片软件生成好的成型路径规划，指挥、协调数控系统、焊接电源和送丝机构，控制电弧按照预定运动轨迹完成堆焊任务，从而达到增材的目的。

减材部分：减材部分由常用的加工中心控制与进给机构组成，接受主控制器的信息，运动机构、数控系统和进给机构配合，完成机械加工减材的任务。

换刀机构：利用加工中心成熟的换刀机构开展换刀功能；在控制上将焊炬设置在一个专用框架上，将焊炬定义为一个指定的刀具，主控制器发出特定指令，由换刀机构像换切削刀具一样进行更换。

辅助设备：由加工中心的辅助设备和焊接系统的辅助设备组成，提供支持、服务等工作。

主控部分：是设备的主控制和信息交流部分，读取切片信息，设置参数，然后将指令发送给相应机构去执行。

增/减材复合成型系统结构示意如图1所示。其硬件系统由主控部分、增材机构、减材机构、换刀机构、设备基础部分和辅助机构6部分组成。

2 增/减材复合成型系统的组成

2.1 弧焊增材系统的选择

图1 增/减材复合成型系统结构示意

选取原则为成型效率高、应用范围宽。从成型效率出发，应选择连续自动电弧焊，满足该要求的有钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，由于不需要更换或修理钨电极，熔化极气体保护焊的效率更高；从应用范围考虑，为了使得增材部分具有成型复杂形状、修复报废零件及其适应多种材料的广泛能力，选用奥地利Fronius公司具有CMT Advanced功能的焊接电源[12]。该电源的特点是在短路过渡时，控制系统自动检测到短路信号，迅速将焊接电流降低至很小值，电弧几乎熄灭，同时控制焊丝回抽，利用惯性使熔滴脱离焊丝端头，完成熔滴过渡，避免了普通短路过渡方式易引起的飞溅。该电源可广泛应用于各种不锈钢、低中高碳合金钢、铝合金、铜合金、铸铁等材料的堆焊成型。

该系统由交流380 V供电；焊接电流范围为3～400A；焊接电源质量为35.2kg；与电源配套的送丝机构选择配备6种焊丝直径（0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm，1.6 mm，1.8 mm和2.0 mm），以适应各种成型和修复加工的需要。

2.2 设备基础部分和减材加工部分

这两部分相加即为常用的加工中心，选用功能较全的立式数控加工机床结构。将铣削、钻削、攻螺纹等功能集中在一起，使其具有多种机械加工手段。加工中心设置有刀库，存放刀具20把。该部分的主要尺寸和参数如表1所示。

2.3 自动换刀机构

为使设备可更换焊炬，设计一矩形支架在动力头与刀库相对的另外一侧，将焊炬固定在其上。将支架和焊炬作为一个单独刀具，在加工过程中，由程序自动选用和更换焊炬或者任何一把刀具进行预定加工。其结构如图2所示。

2.4 主控制部分

选用工控机，其配置为Intel双核E5300，250G硬盘，1G RAM，17”液晶显示器。工作过程为：读入切片好的数据信息，设置好加工参数，选择“开始”，则系统开始自动工作。工作流程如图3所示。

表1 加工中心机械部分主要尺寸和参数

图2 刀具库（左侧）、动力头（中间）和焊炬支架（右侧）照片

图3 增/减材复合成型系统工作流程

2.5 辅助机构

加工中心的辅助设备有冷却机构、润滑机构、排屑机构和液压机构，焊接系统的辅助设备有供气系统和冷却系统，为各自的主系统提供保障和支持。

增/减材复合成型系统的外观照片如图4所示。

图4 增/减材复合成型系统的外观照片

3 增/减材复合成型系统的应用

为验证开发系统的性能，利用增/减材复合成型系统进行形状成形和报废零件的修复。

3.1 金属零件的直接成型

在Q235低碳钢钢板上，选用直径φ1.2 mm的H08Mn2SiA焊丝，用增/减材复合成型系统成型出的空心“工”字状样件（见图5），其优化的成型工艺参数为：送丝速度3.9 m/min，焊速0.006 m/min，电流136A，电压 14.2V，层间温度 50～70℃，氩气保护，气体流量15 L/min，成型样件的硬度为189～215 HV，略高于基材板Q235的硬度。成型件设计尺寸为65 mm×35 mm×20 mm，由于是规则形状，增材一次成型后，再用铣削加工。

图5 增/减材复合成型系统制作的样件

3.2 报废零件的修复

用增/减材复合成型系统修复发动机缸盖零件。缸盖为铝硅合金，压铸成型，使用中一角损坏。经过试验，修复材料选用直径φ1.0 mm的5356铝合金焊丝，优化后的工艺参数为：焊接模式为CMT，电流109A，电压10.1V，焊接速度0.0045m/min，送丝速度8 m/min，焊丝干伸长14 mm，保护气为纯氩气，保护气流量20 L/min，堆焊层厚2 mm。堆积成型的最大尺寸为92 mm×35 mm，加工后壁厚10 mm；修复加工方法为：先堆积成型，然后用铣削加工出表面，再加工横向孔和垂直方向的螺纹孔。由于该零件是压铸件，一次快速铣削可满足表面粗糙度要求，横向孔和螺纹孔则需要精加工。修复后的发动机缸盖照片如图6所示。

图6 修复的发动机缸体零件照片

4 结论

（1）研发了增/减材复合成型加工设备。开发工控机为主的控制系统；将运动机构和数控系统集成来执行增材、减材加工的运动轨迹；将焊炬设置为一把刀具，由换刀系统更换；选用具有CMT功能的电源设备和具有多种焊丝直径的送丝机构；整台设备由主控部分、增材部分、减材部分、换刀机构、设备基础部分和辅助机构6部分组成。

（2）增/减材复合成型能力。通过加工样件和修复报废零件，研发的增/减材设备具有复合加工能力，可以满足广泛的要求。