趙彥軍，毛文亮

(甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

隨著先進制造技術(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，對增減材坐標協(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。

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

國外，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，通過增減材制造坐標系協(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 增減材坐標系協(xié)同

增減材復(fù)合制造中，增材制造時熔覆頭中心與機床主軸中心、激光聚焦點不重合，噴嘴處粉路堵塞，以及減材制造時對刀誤差等都會導(dǎo)致增材制造坐標系與減材制造坐標系之間存在偏差，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，需要對增材制造坐標系和減材制造坐標系進行協(xié)同。

以機床轉(zhuǎn)盤中心為基準，設(shè)增材制造坐標系為Oz1Xz1Yz1Zz1，減材制造坐標系為Oj1Xj1Yj1Zj1。第n次修正后，增材制造坐標系為OznXznYznZzn，減材制造坐標系為OjnXjnYjnZjn。增減材加工時，需要對坐標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床主軸中心坐標關(guān)系

圖2 增減材坐標系矢量關(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)

通過公式(3)，求解修正后的第n次減材加工坐標，設(shè)置評判標準，便實現(xiàn)了增減材復(fù)合制造中增材制造坐標系與減材制造坐標系的協(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關(guān)激光切換，同時，熔池受流體重力、氣體擾動及表面張力等影響，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，對三維模型按徑向螺旋進刀銑削方式進行五軸銑削刀具軌跡規(guī)劃，對獲得的五軸刀具軌跡，對相鄰層間輪廓面軸向刀位點坐標連線，使后一層軌跡中輪廓面軸向每個刀位點指向前一層相對應(yīng)的點，并進行矢量變換，生成五軸機床增材制造激光熔覆頭軌跡，如圖3所示。增材制造時，激光在熔覆開始時接通，在熔覆結(jié)束時斷開，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態(tài)變化，有效降低了臺階效應(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，機床刀具刀心位置點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)動態(tài)變化，從而使刀具刀心運動軌跡偏離理想插補軌跡，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，平頭立銑刀加工時產(chǎn)生的非線性誤差相對較大，球頭立銑刀加工時產(chǎn)生的非線性誤差相對較小，且刀具半徑增大時，非線性誤差也隨著增大。初始角變化對平頭立銑刀的非線性誤差影響較大，對球頭立銑刀的非線性誤差影響較小，且初始角為0時，平頭立銑刀非線性誤差最小，球頭立銑刀非線性誤差最大。刀具擺角變化對平頭立銑刀產(chǎn)生的非線性誤差影響較小，對球頭立銑刀產(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，小擺角進行加工。

4 試驗驗證

為驗證有效性，文中在SVW80C-3D增減材復(fù)合五軸加工中心上對葉輪增減材復(fù)合制造進行了試驗，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行了測量對比。結(jié)果顯示，采用增減材坐標協(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)合制造零件各測點輪廓精度平均提高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)對比 /mm

5 結(jié) 語

針對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，文中通過增減材制造坐標系協(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葉輪加工進行了驗證，實現(xiàn)了復(fù)雜零件低損耗、高精度增減材復(fù)合可控制造。