一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法技术

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，并公开了一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，该方法包括：建立构件三维模型并设立基准坐标系；将所有纵内筋板随同壳体一同进行切片；对每个切片轮廓路径进行初始化处理；提取壳体及各个纵内筋板的主形状路径；对壳体及各个纵内筋板的主形状路径进行重排；依照各个纵内筋板的主形状路径进行堆积路径规划；首尾有序联接壳体与所有规划后的纵内筋板路径，形成最终的闭环堆积路径；以及按照该闭环堆积路径执行电弧增材制造。通过本发明专利技术，能够大幅减少电弧增材制造过程中的断弧次数，同时有效避免了先成形壳体，再在壳内堆积筋板时出现的电弧枪干涉、壳体易熔穿等问题，显著提高构件成形质量与效率。成形质量与效率。成形质量与效率。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法


[0001]本专利技术属于增材制造相关
，更具体地，涉及一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法。

技术介绍

[0002]航空航天、汽车、石油化工等领域广泛存在铝合金薄壁壳体构件，该类构件受系统装配与结构稳定性需求，普遍须在内壁上设置多个与端面垂直、沿壳体母线分布的不规则纵内筋板。目前制造含纵内筋板的薄壁壳体构件主要采用铸造与焊接装配的方法，铸造时存在晶粒粗大、易产生缩松与裂纹缺陷、组织成分不均匀、力学性能不高等问题；在壳体内壁焊接装配纵内筋板时焊枪易干涉，可焊到性差，同时焊接应力不均易引起筋板与薄壁壳体变形，降低构件结构尺寸精度。
[0003]现有技术中已经提出采用电弧增材工艺制造含纵内筋板铝合金薄壁壳体的一些工艺方案。具体而言，电弧增材制造通过电弧热源熔化金属丝材，按规划路径层层堆积成形三维金属构件，小熔池熔炼与冶金，减小晶粒尺寸，提高构件成分均匀性，避免缺陷产生，保证构件力学性能；基于三维数模逐点、逐域、层层堆积成形，确保构件结构尺寸精度，避免了铸造、焊接等方法的不足，因此是制造含纵内筋板铝合金薄壁壳体的一种有效方法。
[0004]然而，电弧增材制造金属构件的成形质量很大程度上取决于制定的堆积工艺方法与策略，现有技术中的解决方案并不能很好地适用于铝合金含纵内筋板薄壁壳体之类的应用对象。更具体进行分析，首先，含纵内筋板的薄壁壳体由多个不规则内筋板与壳体组成，为典型的多单元复杂结构，对该类构件现有技术中通常采用了分区增材的工艺方法，即先对构件分区，再对各区域逐个堆积成形。例如，检索获得的早期专利CN108971699A、CN110802302A分别公开了典型多单元复杂构件大型舰船艉轴架、高层建筑多向钢节点的分区增材制造方法，将大型舰船艉轴架分为艉轴毂、横臂和支撑臂3个区域依次增材，针对不同区域切片的几何形状分别规划堆积路径；将多向钢节点分为主管与多个支管并分别编号，之后先成形主管，再按编号顺序依次成形各支管，每个管体的分层切片均建立在已成形管体的基础上。然而，对于含纵内筋板的薄壁壳体，壳体为结构主体，分区增材后需首先成形，若先堆积成形壳体，再将电弧枪伸入壳内堆积纵内筋板，则电弧枪易与壳体干涉碰撞，引发事故；同时，由于壳体为薄壁结构，在其上堆积纵内筋板时易受热严重引起熔穿，降低制造质量与构件合格率。
[0005]其次，若将纵内筋板与壳体视为一整体，对构件整体切片并堆积成形的工艺方法，可避免分区增材的不足，但该工艺方法须对每个堆积层切片内的堆积路径采用合适的规划策略。例如，检索获得的早期专利CN110834133A提出了一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，对大壁厚块体构件的切片提取线型特征组合，形成线型路径，沿路径采用摆动填充，消除道间搭接，提高成形效率与质量，然而，该路径规划方法的设计基于大壁厚块体的截面形状，无法适用于薄壁壳体构件，同时该方法是对实心切片进行全局摆动填充，对壳体的环形薄壁切片进行填充时需将路径分为不相连的多段，大幅增加起熄弧次数，降低成
形质量。
[0006]又如，检索获得的早期专利CN113695709A公开了一种设计尾坯的航天承力结构电弧熔丝增材路径规划方法，对于构件模型上应力分布较为集中的转角或温度梯度较小的圆弧特征处，在其外侧设计与构件主体相连的尾坯筋板，通过堆积路径的环状分布，将起熄弧点处的部分路径交叉置于筋板上，保证构件主体无起熄弧段。然而该路径规划方法无法应用于含纵内筋板的薄壁壳体构件，若将起熄弧段全部置于纵内筋板上，则筋板处堆积缺陷增多，应力分布不均匀，严重降低成形件尺寸精度与力学性能。
[0007]此外，检索获得的早期专利CN111890061A提出了一种含外部筋板单元的过渡端框架壳体构件电弧增材制造方法，筋板随壳体共同切片，每个切片内具有不相连的多条堆积路径，先堆积成形壳体内外轮廓，再在内外轮廓间堆积壳体中轴线路径，之后沿壳体周向堆积筋板外轮廓，最后在筋板轮廓外轮廓内偏置填充。然而，由于堆积路径各自独立，堆积时须反复起熄弧，壳体至少起熄弧2次，每个筋板至少起熄弧4次，断弧次数较多，引起应力集中导致构件变形，同时断处堆积缺陷增多，降低构件成形质量。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或需求，本专利技术的目的在于提供一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其中通过采用纵内筋板随壳体沿构件轴线方向切片、整体一次堆积成形的策略，同时通过提取切片内壳体与各纵内筋板主形状轮廓路径，再规划轮廓内填充路径，最后分次重排各路径位置点集，使每个切片内的多条独立路径首尾有序联结，实现堆积层环向一次堆积成形，相应不仅能够大幅减少电弧增材制造过程中的断弧次数，而且有效避免了先成形壳体，再在壳内堆积筋板时出现的电弧枪干涉、壳体易熔穿等问题，显著提高了构件成形质量与效率。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
[0010](a)建模及设立基准坐标系步骤
[0011]在此步骤中，针对待加工制造的铝合金含纵内筋板薄壁壳体，建立对应的构件三维模型，同时设定包含XYZ三轴的基准坐标系；
[0012](b)纵内筋板随壳体的整体切片步骤
[0013]在此步骤中，将所有纵内筋板连同壳体一同沿着Z轴方向也即平行于壳体轴线的方向进行切片，并获得由外轮廓与内轮廓共同组成的切片轮廓；
[0014](c)切片轮廓路径的初始化步骤
[0015]在此步骤中，针对所述外、内轮廓各自所对应的外、内轮廓路径，对其所包含的位置点集合分别进行X轴坐标最小值的遍历排序，同时依照顺时针方向排列，由此获得初始化后的外、内轮廓路径；
[0016](d)主形状路径的提取步骤
[0017]在此步骤中，对于壳体，将初始化后的外轮廓路径向内偏置一定距离，提取出新外轮廓即为壳体的主形状路径；
[0018]对于各个纵内筋板，将初始化后的内轮廓路径向外偏置对应的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交，交点之间的非封闭区域即为各个纵内筋板的主形状路
径；
[0019](e)主形状路径的重排步骤
[0020]在此步骤中，壳体的主形状路径被所述交点分割成多个部分，将这多个部分依照顺时针方向排列，同时将各个纵内筋板的主形状路径分别依照顺时针方向进行封闭，由此完成主形状路径的重排处理；
[0021](f)纵内筋板的填充路径规划步骤
[0022]在此步骤中，沿着顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径，并依照这些主形状路径进行堆积路径规划，由此获得各个纵内筋板的堆积路径；
[0023](g)形成闭环堆积路径及电弧增材制造步骤
[0024]在此步骤中，将经过步骤(e)处理后的壳体的主形状路径，与所有纵内筋板规划后的堆积路径沿着顺时针方向首尾联接，并获得最终的闭环堆积路径；
[0025]基于该最终的闭环堆积路径，采用电弧增材制造工艺对每本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)建模及设立基准坐标系步骤在此步骤中，针对待加工制造的铝合金含纵内筋板薄壁壳体，建立对应的构件三维模型，同时设定包含XYZ三轴的基准坐标系；(b)纵内筋板随壳体的整体切片步骤在此步骤中，将所有纵内筋板连同壳体一同沿着Z轴方向也即平行于壳体轴向的方向进行切片，并获得由外轮廓与内轮廓共同组成的切片轮廓；(c)切片轮廓路径的初始化步骤在此步骤中，针对所述外、内轮廓各自所对应的外、内轮廓路径，对其所包含的位置点集合分别进行X轴坐标最小值的遍历排序，同时依照顺时针方向排列，由此获得初始化后的外、内轮廓路径；(d)主形状路径的提取步骤在此步骤中，对于壳体，将初始化后的外轮廓路径向内偏置一定距离，提取出新外轮廓即为壳体的主形状路径；对于各个纵内筋板，将初始化后的内轮廓路径向外偏置对应的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交，交点之间的非封闭区域即为各个纵内筋板的主形状路径；(e)主形状路径的重排步骤在此步骤中，壳体的主形状路径被所述交点分割成多个部分，将这多个部分依照顺时针方向排列，同时将各个纵内筋板的主形状路径分别依照顺时针方向进行封闭，由此完成主形状路径的重排处理；(f)纵内筋板的填充路径规划步骤在此步骤中，沿着顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径，并依照这些主形状路径进行堆积路径规划，由此获得各个纵内筋板的堆积路径；(g)形成闭环堆积路径及电弧增材制造步骤在此步骤中，将经过步骤(e)处理后的壳体的主形状路径，与所有纵内筋板规划后的堆积路径沿着顺时针方向首尾联接，并获得最终的闭环堆积路径；基于该最终的闭环堆积路径，采用电弧增材制造工艺对每个堆积层环向一次成型，直至获得所需的铝合金含纵内筋板薄壁壳体。2.如权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，初始切片高度优选设置为0.2mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：余圣甫，禹润缜，王志敏，何智，
申请(专利权)人：北京航星机器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：