[发明专利]一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法

说明书

本发明属于定向能量沉积领域，并公开了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法。该方法包括下列步骤：(a)对于基体结构上的待成形悬臂结构，将待成形悬臂结构进行切片，对每个切片层进行轨迹填充，获得熔积轨迹；(b)对熔积轨迹上每个点进行五轴空间变换，使得每个点均处于焊枪可达到的位置，以此获得每个点的终止变换点,计算每个终止变换点的进给速度，以此获得所有终止变换点的进给速度；(c)对熔积轨迹进行尖角处理，对尖角处理后的轨迹进行焊接顺序的规划,以此确定待成形悬臂结构的五轴熔积成形工艺。通过本发明，使五轴熔积焊道表面形貌良好,降低了电弧增材悬臂结构的成形难度，提高成品率，减少了材料与能源的浪费。

技术领域

本发明属于定向能量沉积领域，更具体地，涉及一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法。

背景技术

悬臂结构是指，在指定零件工装底面后，基体结构存在工装底面且与该结构连接，而该结构悬空处于基体结构表面而没有与工装底面直接连接。这种带有悬臂特征的结构由于成形特点不同，如果仍然按照正常的工艺参数加工经常导致成形件的形状精度、尺寸精度不能达到要求，严重时零件产生形变加工失败导致零件报废，甚至对设备造成损坏。

电弧熔积增材制造与大功率激光和电子束增材制造技术相比，弧柱直径大，成型效率高，冶金过程充分，易得到致密组织，设备运行和维护成本低。但在加工具有悬臂结构特征的零件时，由于温度梯度较大，更容易形成挂渣和翘曲变形，从而影响形状和尺寸精度。所以在一定程度上悬臂结构的成功成形一直都是定向能量沉积工艺面临的一大难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，通过采用五轴空间变换使得熔积轨迹上的每个点均处于焊枪可到达的位置，减少焊接后熔池流淌，使五轴熔积焊道表面形貌良好，降低电弧增材悬臂结构的成形难度，提高成品率，减少材料与能源的浪费。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，该方法包括下列步骤：

(a)对于基体结构上的待成形悬臂结构，将所述待成形悬臂结构的三维模型沿垂直其特征曲面的方向进行切片，获得多个平行于所述特征曲面的切片层，对每个切片层进行焊接轨迹的填充，以此获得每个所述切片层中的熔积轨迹，其中，所述特征曲面是所述悬臂结构与基体结构的相交面；

(b)对所述熔积轨迹上的每个点进行五轴空间变换，使得每个点均处于焊枪可达到的位置，以此获得所述熔积轨迹上每个点对应的终止变换点,利用所述五轴空间变换中的几何关系计算每个所述终止变换点处焊枪的进给速度，以此获得所有终止变换点处焊枪的进给速度；

(c)对所述熔积轨迹进行尖角处理，对尖角处理后的轨迹进行焊接顺序的规划,以此确定所述待成形悬臂结构的五轴熔积成形工艺。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述五轴空间变换优选按照下列步骤进行：

(b1)将所述基体结构放置在五轴联动系统中的二轴转台上，以所述转台底面为水平面，焊枪方向为Z轴方向建立三维坐标系，设定所述熔积轨迹上的点P₁，该点的初始向量和该点所在的终止向量，以及五轴变换中心点；

(b2)利用几何关系求解获得点P₁与其终止点P′₁之间的五轴空间变换的转换关系。

进一步优选地，在步骤(b1)中，所述初始向量的方向为所述点P₁所在切片层的法向方向，所述终止向量的方向沿所述Z轴方向，所述五轴变换中心点为所述二轴转台的中心点。

进一步优选地，在步骤(b1)中，对于所述熔积轨迹最外侧的一道轨迹上的轨迹外侧点Q，其初始向量为将Q点所在切片层的法向量n向该点所在熔积轨迹的外侧偏移预设角度λ获得的向量n′，其中，所述轨迹外侧点是：相对于与Q所在切片层相邻的已成形的切片层而言，所述点Q是悬空的。