[发明专利]一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法

说明书

本发明公开了一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法，属于增材和减材复合制造技术领域，该装置包括冷却槽、电化学减材装置、增材装置、Y轴方向运动平台、X轴方向运动平台、升降运动机构和控制系统，升降运动机构位于冷却槽内部，沿冷却槽高度方向实现升降，与Y轴方向运动平台、X轴方向运动平台实现X、Y、Z轴三个方向的移动，在Y轴方向运动平台上摆放打印样件，电化学减材装置、增材装置位于冷却槽上方，冷却槽内部盛装有冷却液；本发明实现在同一加工装置内交替进行电弧增材和电化学减材，提高工件尺寸精度和表面质量，另一方面，利用电化学溶液对工件进行均匀有效冷却，降低工件内部残余应力，提高成型质量。

技术领域

本发明属于增材和减材复合制造技术领域，尤其涉及一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法。

背景技术

电弧增材制造，是指采用金属丝材作为原料，利用电弧作为热源，通过电弧高温融化并逐层堆积金属形成特定形状的零件的增材制造方法，也叫电弧3D打印。这种方法具有原材料成本低、材料利用率高、打印成型效率高、工件致密度高等优点。是一种高堆积速率、高材料利用率、低成本、具有潜力的增材制造工艺，在航空航天、船舶等领域有广泛应用。然而，电弧增材制造的工件表面较粗糙，必须辅以其他的工艺对工件表面进行少量材料去除，提高工件尺寸精度和表面质量。

目前，较常见的方法是在基板上通过电弧增材直接堆积出三维结构，再辅以少量的铣削减材提高其成型精度和表面质量，此方法能够大幅度提高加工效率和降低成本，为复杂三维结构的制造提供了一条高效高质、低耗低成本的工艺途径。尽管铣削减材在很大程度上弥补了电弧增材在几何尺寸和表面质量方面的固有不足，但电弧增材属于热加工工艺，铣削减材属于冷加工工艺，在冷、热加工工艺循环交替中存在着较明显的宏、微观误差传递过程，从而制约了该复合制造工艺向高精度、高性能的方向发展。并且该方法需要先后用到电弧增材与铣削两套装置，工序较复杂。

由于电弧增材制造在加工过程释放出大量的热，并且在加工中工件会受到反复加热-冷却过程，导致工件内部残余应力大且分布不均，工件易变形。因此必须在加工中对工件进行有效冷却。针对该方面有人提出了一种基于外部热电辅助制冷的成型调控手段来增强热扩散能力，研究表明外部热电辅助制冷能够显著改变熔池的拘束状态，避免高层处熔池因过热而发生流淌，使得高层和底层保持较一致的成型形貌。这种控制方案不需要改变工艺参数，不会降低沉积效率，但因为需要额外的外部制冷设备而增加了系统复杂度。也有学者提出了采用冷却基板的方法，即对基板做冷却水道以带走焊接产生的热量。随着电弧堆焊高度的不断增加，距离基板较大的高处的堆焊部分的热量很难传输到底部基板，最终导致打印工件的冷却效果较差。

针对电弧增材制造中需要对工件表面进行减材修整及工件冷却的问题，本发明提供的电弧电化学增减材复合加工方法及装置将电弧增材和电化学减材两套系统有效地集成在一起。在电弧增材制造过程中，利用电化学减材可对工件的粗糙表面实时进行电化学修整，高效地提高尺寸精度和加工表面质量，此外，将工件浸泡在电化学溶液中，可起到降温冷却效果。有效地解决了电弧增材加工过程中产生的热对工件内应力及形貌的影响。该复合加工方法的增材和减材交替进行，极大地提高了加工效率。

但是在电弧增材制造时，焊缝道与道之间不能充分接合，会出现明显的搭接痕迹，致使增材制造工件的表面粗糙，表面质量和尺寸精度较差；且电弧增材制造时，一般在预制的金属基板上进行堆焊，随着堆焊高度的增加，工件内部热积累，自然冷却速度较慢，从而导致工件残余应力大，易变形，降低了成形工件的形状精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧增材与电化学减材复合制造装置及方法，实现在同一加工装置内交替进行电弧增材和电化学减材，提高工件尺寸精度和表面质量，另一方面，利用电化学溶液对工件进行均匀有效冷却，降低工件内部残余应力，提高成型质量。