[发明专利]一种机器人等材制造超声多头冲击装置及方法

说明书

本发明涉及一种机器人等材制造多头超声波冲击装置及方法。为顺应近年来基于“加法”加工模式，本发明提供了针对在复杂形状薄壁件进行的增等减材一体化复合制造中等材超声冲击装置及其安装方法。采用超声冲击与增减材制造相结合，能够消除焊缝残余应力，获得表层纳米晶及损坏件修复，改变内部组织以实现性能的优化。本发明装置，与工业机器人末端手臂连接，通过编程控制机器人手部按预定轨迹运行，同时通过超声冲击枪对增材后零件不同侧面同时冲击，一次性完成薄壁墙体零件的顶面和双向侧面的锤锻冲击等材控形工艺过程。本发明简便、成本较低，对被加工构件可以实现消除残余应力和细化表面晶粒等作用。

技术领域

本发明涉及一种机器人等材制造多头超声波冲击装置及方法，属于机械加工的热加工锤锻工艺，用于增等减材一体化复合制造中控制增材后构件表层及内部组织细化的装置。

背景技术

近年来，在资源节约及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技术在复杂形状薄壁件的制造上呈现出广阔的应用前景。增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累积的方法制造实体零件的技术。在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。

电弧增材制造技术成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈，这是由于其本身离散化过程中采用STL格式和二维分层技术，从而造成尺寸的误差和阶梯效应。增材制造复合减材去除平整加工并辅以等材控性工艺成为增材制造发展趋势，具有广阔的应用前景。

电弧增材制造的高效率使其成为制造钛合金大型结构件的优良选择。然而，电弧增材制造钛合金构件中容易形成粗大柱状晶，导致力学性能各向异性。为了解决这一问题，学者对超声冲击参数对电弧增材制造TC4钛合金零件组织性能的影响规律和作用机理进行了大量研究。英国Cranfield大学在电弧增材方面做了很多研究，其采用的主要热源有GMAW、Pulsed-TIG、等离子焊PAW等，研究工艺参数对成形件外形、组织及性能的影响，探索了脉冲对组织内部性能的影响。研究表明，电弧增材制造钛合金组织中，有垂直于基板与基板成一定夹角的粗大柱状晶，柱状晶的存在导致了性能上的各向异性，提出焊一道轧制一道的联合制造工艺，实现了柱状晶等轴晶的转变。通过试验发现钛合金零件的粗大柱状晶转变为等轴晶，各向异性减弱，主要原因是轧制力使晶粒破碎，形核质点增多，新增形核质点改变了形核环境，提高了变形储能，在后续沉积层的热作用下发生回复再结晶和相变形成了等轴晶组织。但是，由于轧辊形状的限制，只能实现一维轧制，难以实现工程化应用。

比利时和英国学者对以激光和TIG为热源进行钛合金构件的直接制造进行了研究，表明组织中同样有粗大的柱状晶，不同方向和位置的力学性能不同，不同沉积效率下强度、硬度和断裂应变等不同。对于国内电弧增材的研究包括，哈尔滨工业大学以多层单道GMA-AM为对象，对金属构件的工艺特性、表面质量进行了深入研究，为保证成形质量和精度，又对视觉传感器超声系统进行了研究。西安交通大学和新疆大学对Ti-6Al-4V等离子弧焊快速成形工艺参数进行了研究，指出脉冲电流强度、送丝速度和占空比等工艺参数对成形截面宽高比的影响规律。

超声波冲击作为一种焊后处理技术，在消除焊缝残余应力、获得表层纳米晶及损坏件修复上有着广泛应用，主要是基于超声能量的引入能使金属发生变形，且冲击头较小，没有空间的限制，可以实现全位置冲击，很好地解决了轧辊应用中的工程化难题。