電弧增材制造與銑削復合加工系統與工藝研究

夏然飛，樊建勛，李新宇，高　亮

（華中科技大學，武漢 430074）

電弧增材制造與銑削復合加工系統與工藝研究

夏然飛，樊建勛，李新宇，高亮

（華中科技大學，武漢 430074）

針對目前電弧增材制造過程中存在的設備成本高和零件成形效果較差等問題，設計出一種電弧增材制造與銑削的復合加工系統與工藝。該工藝結合了電弧增材制造和銑削加工的特點，通過對成形工藝和機械運動的研究，有效地避免了干涉問題。同時，采用自主開發的專用軟件對路徑規劃和焊接參數進行控制，簡化了機械運動的控制方法。實例分析表明，該系統能夠很好地實現復合銑削的電弧增材制造，為提高零件增材制造效率和成形質量提供了一種新的有效途徑，驗證了該項工藝技術的可行性和有效性。

電弧增材制造；復合銑削加工；路徑規劃；焊接參數

0　引言

在資源節約和高效制造的背景下，發展增材制造技術能很好地滿足現代制造業對零件快速設計與加工制造的要求。而隨著船舶、航天、航空和汽車等關鍵技術領域對金屬零件的制造要求越來越高，金屬增材制造技術受到了國內外研究學者的廣泛關注。而為了解決金屬增材制造中生產效率低、能量利用率低和成本高等問題，電弧增材制造金屬零件成為新的研究趨勢。

電弧增材制造技術（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧作為熱源，根據三維模型，由線-面-體的路徑逐層堆積出金屬件的先進制造技術。與其他金屬增材制造技術相比，電弧增材制造成形件由全金屬焊縫組成，致密度高、冶金結合性能好、化學成分均勻、力學性能好。既可以在大氣環境下進行，也可以在受控的環境下進行，特別是其占用空間小、運行穩定、沉積速度快、絲材利用率高，可用于各種金屬件的修復與再制造。

目前，電弧增材制造的研究主要集中在焊縫成形尺寸控制方面，除了采用控制焊接參數的方法，通過后續的機械加工的方法來提高零件的精度。英國的Cranfield大學、印度理工學院孟買校區和韓國機械材料研究院（KIMM）的研究小組也對電弧增材制造進行了研究并取得一定的進展。但是，由于堆焊過程的復雜性，零件質量與實際情況還是有很大差距，主要體現在設備結構復雜、投資成本高和不易改裝等方面。

針對上述問題，本文研究開發了一種復合銑削的電弧增材制造系統，并通過同一套數控代碼進行控制。根據自主開發的專用軟件，采用了一種起弧位置的循環切換方法。另外，設計的復合銑削裝置容易改裝，實現了焊槍和銑刀自動調節，適用于現有的數控銑床或加工中心，方便維護，運行穩定，而且制造加工過程更為簡便，驗證了該項工藝技術的可行性和有效性。

1　實驗平臺的總體設計

1.1實驗平臺的組成

如圖1所示，實驗平臺主要采用華中數控的HED-8系列數控銑床、NBC 200 GW熔化極氣體保護焊機、純度為99.999%的氬氣、PC機和計算服務器等設備，搭建成一套電弧增材制造與銑削的復合加工系統。實驗平臺包括硬件系統和軟件系統。硬件系統主要由焊接系統和數控銑削系統組成。軟件系統主要由電焊機、送絲機構的控制和數控銑床與計算機的通信組成。

圖1　實驗平臺

在該實驗平臺中，電弧增材系統完成金屬件的堆積成型，數控銑削系統完成銑削加工。通過銑削加工來提高零件的成形質量，既能在堆焊結束后對其進行銑削，也能在堆焊完一層或多層后就進行銑削。整個實驗過程的控制采用同一套數控代碼，電弧增材制造作為加法，銑削加工作為減法，從而滿足金屬零件制造高效率和高精度的要求。

1.2實驗裝置的設計

該實驗平臺采用熔化極氣體保護焊（GMAW），氬氣作為保護氣體，連續等速地送進焊絲，利用焊絲與基板間的電弧作為熱源，通過熔化焊絲逐層堆焊出零件。其優點在于采用焊絲作為電極，焊接過程參數穩定，質量穩定可靠，最適于焊接鋁、銅、鈦等有色金屬。

在堆焊過程中，為了保證焊槍與銑刀在機床中X、Y方向坐標不變，只需改變焊槍相對于銑刀的Z軸坐標。因此，在確定零件在機床工作臺上堆積成型的工件坐標系后，還需要確定焊槍與銑刀的相對位置坐標。

為了避免焊槍與銑刀在整個工藝流程中與成形件產生位置干涉，設計了一種能夠實現焊槍和銑刀相對高度自主調節的裝置。焊槍固定于一個絲杠軸上，即為C軸，并通過步進電機來控制進絲機構，使其相對于Z軸上下自由移動，如圖2所示。

圖2　復合銑削裝置圖

本裝置主要由步進電機、聯軸器、絲杠、滑塊和焊槍等組成，將電弧增材制造模塊通過支撐板固定于三軸數控平臺Z軸上，焊槍固定于滑塊上。同時，固定在滑塊上的焊槍可以手動拆裝并調節位置。步進電機通過聯軸器帶動絲杠轉動，使得絲杠上的滑塊進行上下運動，進而控制焊槍的上下自由運動。

如圖3所示，當堆積一定層數后，金屬零件的高度誤差達到閥值，焊槍通過C軸抬高，轉為銑削加工來消除誤差，避免了可能產生的相互干涉。

圖3　復合銑削實驗

同時，氬氣等惰性氣體在焊槍的周圍形成保護氣體，焊絲和基板（或上一層）金屬被電弧熱源熔化后形成熔池，隨著焊槍繼續向前移動，步進電機將熔化的焊絲等速地送入熔池。同時，熔池不斷冷卻凝固成焊縫軌跡，相鄰的兩條焊縫軌跡相互搭接，從而堆焊出一層金屬面。如此循環往復，從而實現金屬件的堆積。

其中，在數控系統原有控制的基礎上，增加步進電機對送絲的驅動控制以及電焊機的起弧和熄弧控制，指令分別為M40和M41。

2　實驗平臺的工作原理

如圖4所示，實驗平臺主要采用基于MFC自主開發的專用上位機軟件，包括STL文件的讀入模塊、路徑規劃生成模塊、NC代碼生成模塊和成形過程仿真模塊。主要包括焊槍掃描路徑和銑削路徑的NC代碼，兩部分由同一套數控代碼進行控制。

圖4　WAAM軟件

在三維軟件中畫出實體件模型，通過開發的WAAM軟件，將該模型按一定的厚度自下而上進行分層切片，生成能夠控制整個工藝流程的NC代碼。其中，合理的路徑規劃方法和焊接參數直接影響到零件成形效率及成形質量，因此需要對該實驗平臺進行成形實驗研究。

2.1路徑規劃方法

由于工藝過程分為電弧增材和銑削減材兩部分，其中增材部分由焊槍完成，減材部分由銑刀完成。因此，針對電弧增材與銑削減材一體的路徑規劃方法研究將分兩部分進行，即焊槍的路徑規劃和銑刀的路徑規劃，如圖5所示。

圖5　焊槍路徑策略（左）和銑削路徑策略（右）

對于簡單模型主要采用輪廓偏移的路徑規劃方法，通過調節輪廓掃描線的密度，獲得不同密度的輪廓坐標點集，從而調整路徑逼近輪廓的精度。采用復合銑削裝置，控制焊槍沿著輪廓方向進行運動，同時配合起弧點進行循環切換，實現零件的堆積。

對于實體填充模型焊槍的路徑規劃主要采用經典的平行線掃描（Zigzag）方式，通過控制焊槍做直線往復運動，在提高堆焊效率的同時，也提高了金屬填充的致密度。同時，考慮到層片間焊槍起弧、熄弧引起的堆積效應，應避免在同一個平面坐標點下進行起弧、熄弧。

如圖6所示，當起始層面為第i層，則隨后每增加一層，起弧點順時針旋轉90°，分別對應于平行橫縱坐標軸的掃描線與輪廓切點的最小和最大坐標點，實現對起弧點循環切換以及相鄰兩個層面間路徑十字交叉堆積，有利于保證金屬堆積的均勻性和致密性。對于變截面模型，上述方法同樣適用。

圖6　起弧點循環切換方法

銑削的路徑規劃則主要采用螺旋線掃描的方式，掃描路徑由外向內進行輪廓偏移，對零件的頂面和側面進行銑削，消除金屬件成形過程中累積高度誤差。

2.2焊接參數設置

根據上述復合路徑規劃方法，可以自主選擇工藝流程中銑削工序，同時銑削的參數也可自動調節。通過讀入STL文件獲取點位信息，結合路徑規劃方法，生成能夠綜合控制焊機、焊槍運動和銑削運動整個工藝流程的數控代碼，并將其寫入系統的TXT文件中，從而實現復合銑削的電弧增材制造。

如圖7所示，在WAAM軟件中設置工藝參數，包括坐標系校準、機床運動速度、銑削速度、主軸轉速、堆焊間隔時間、銑削間隔時間和每層抬升高度等。通過對每一層的銑削來消除缺陷，并去除氧化層，以獲得良好的表面質量，達到預計的層厚。

圖7　復雜模型參數設置框

考慮到基礎實驗的需要，軟件系統增加了簡單模型模塊，包括單壁、四方殼體、圓柱殼體、圓錐殼體等，無需讀入模型文件，直接輸入相應的參數信息，即可快速生成數控代碼，如圖8所示。

圖8　簡單模型參數設置框

另外，本軟件系統在讀入模型的情況下可根據路徑規劃策略提供相應的仿真模塊，以提前發現因模型缺陷或其他原因導致的控制代碼錯誤，從而保證實驗平臺的安全運行。軟件在生成數控代碼的同時亦可通過體積計算模塊近似計算模型體積，進而進行成本預估，并采集一些能夠反映路徑規劃優劣的統計量，生成統計報告如圖9所示。

圖9　統計報告

2.3實驗平臺的工藝流程

由于電弧增材制造技術是復雜的機電一體化體系，該實驗平臺將焊接工藝和多軸CNC加工單元結合在一起，實現起弧、熄弧、送絲和停絲的自動控制，且電源工作穩定，夾持牢靠，送絲均勻，三軸運動與焊槍的運動協調一致，滿足成形系統穩定、高效、柔性的要求。復合銑削的電弧增材制造實驗平臺的工藝流程如圖10所示。

圖10　工藝流程

3　實例分析

事實上，“增材”和“減材”并不是對立的，增材制造出的部分金屬零件，往往還需要后續的銑削加工才能達到最終的尺寸精度。因此，通過實驗來驗證復合銑削的電弧增材制造金屬件的可行性。

3.1連續堆焊后銑削實驗

如圖11所示，在實驗平臺上進行典型的多層堆焊實驗，焊接速度為250mm/min，送絲速度為3000mm/ min，電弧電壓為17V。設定焊槍逐層自動抬高且每層工藝參數不變，共堆焊20層。

圖11　堆焊后的零件

可以看出，在初始過程中，焊接余熱使得零件仍保持一段時間的紅熱狀態。冷卻后焊縫的熔敷路徑清晰可見，每一層各個焊縫相互搭接。而且，在該焊接參數下，零件整體成形良好，沒有出現明顯的缺陷。

由圖12可知，焊縫高度和層數呈良好的線性關系，隨著堆焊的層數增加，高度也隨之增加。而且，每層高度變化也不大，而是趨近一個定值，實驗表明該實驗平臺能很好地實現圓柱殼體件的堆焊。

圖12　堆焊層數和高度之間的關系

由于焊接過程中溫度高，使得零件的表面都有一層氧化皮，通過數控銑削加工去除，從而提高零件的表面質量，圖13表示銑削后的零件。

圖13　銑削后的零件

3.2復合銑削的成形實驗

通過復合銑削的電弧增材制造實驗平臺，來實現增減材一體的復合制造。電弧增材系統對金屬件進行堆積，數控銑削系統進行銑削加工。在專用軟件WAAM的控制下，根據零件的截面輪廓信息，金屬焊絲受熱熔融冷卻形成堆積層，在堆積完一層或若干層后，數控系統適時地對堆積層進行銑削加工，如此反復直到加工完成。

綜合分析，選擇合適的復合銑削加工條件。焊接工藝參數：焊接速度為250mm/min，送絲速度為3000mm/ min，電弧電壓為17V；銑削工藝參數：主軸轉速為3000r/min，由于單層焊縫的厚度較薄，使得銑削速度較小，銑削的加工余量也不大。采用上述的工藝條件進行金屬零件的增減材實驗，復合銑削的電弧增材制造過程如圖14所示。

圖14　復合銑削過程

如圖15所示，當堆焊高度尺寸超過了模型設定值，則進行銑削加工，即銑刀在Z軸的控制下轉為銑削加工，以便消除累積的尺寸誤差，反之則繼續進行電弧增材制造。

圖15　復合銑削的電弧增材制造

針對空心殼體等曲面零件，由于傳統的機械加工不能在堆焊完成后再對其進行內表面加工。因此，該實驗平臺綜合考慮電弧增材制造與銑削加工的復合工藝，可以邊堆焊邊銑削來保證殼體內部的表面光潔。另外，電弧增材制造與數控銑削之間可以實現工位自由轉換，且均由同一套數控代碼來完成，驗證了該項工藝技術的可行性和有效性。

4　結束語

1）設計了一套電弧增材與銑削減材的復合工藝系統，優化了加工工藝，并通過實驗驗證了焊接-銑削方法制造金屬零件的可行性。

2）設計了一套能夠自動控制路徑規劃方法的軟件系統，便于實際焊接參數的選擇，簡化了機械運動的控制方法，為實驗平臺提供了軟件支撐。

3）通過實例分析，說明該實驗平臺能夠實現電弧增材和銑削復合制造，驗證了成形工藝的可行性和有效性，具有比較重要的工程應用價值。

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Research on a hybrid machining system and process based on wire arc additive manufacturing and milling

XIA Ran-fei，FAN Jian-xun，LI Xin-yu，GAO Liang

TP242

A

1009-0134（2016）09-0079-05

2016-06-01

夏然飛（1990 -），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事電弧增材制造方向的研究。