微束等離子選區熔化成形系統設計

婁昊, 陳星良, 林明皇, 耿海濱

(1. 福州大學機械工程及自動化學院, 福建 福州 350108; 2. 廈門億聯網絡技術股份有限公司, 福建 廈門 361008)

0 引言

增材制造是20世紀80年代中期開始發展起來的一種制造技術[1-2]. 相較于傳統的減材加工方法, 增材制造技術不僅可以快速、 精準地制造出結構復雜的零部件, 同時還可以極大地降低材料浪費[3]. 金屬增材制造是增材制造技術的重要組成部分, 主要包括電子束選區熔化(electron beam selective melting, EBSM)、 激光選區熔化(selective laser melting, SLM)、 電弧熔絲增材等. 這些技術能夠制造出結構復雜的高性能金屬零件, 被廣泛應用于航空航天、 汽車、 生物醫療等高端制造領域[4-7]. SLM技術由德國的Wilhelm等[8]提出. 在航空領域, 美國通用電氣公司利用激光選區熔化設備與工藝, 制造出發動機葉輪和燃料噴嘴; 在醫療領域, 薩拉曼卡大學利用SLM設備將鈦合金材料制造成胸骨和肋骨. EBSM技術由麻省理工學院的Dave等[9]提出. 瑞典Acram公司的Morgan[10]于2001年申請利用電子束進行選區熔化的專利, 并于2003年推出全球第一臺商用的電子束選區熔化裝備. 電弧增材技術主要包括熔化極氣體保護焊(gas metal arc welding, GMAW)、 鎢極氣體保護焊和等離子弧焊3大類電弧增材制造方法[11-14]. Zhang等[15]系統地研究基于GMAW的金屬增材方法, 并采用不同工藝參數進行實驗, 得到不同形貌的堆垛件, 驗證GMAW金屬增材技術用于復雜結構件制備的可能性. Nikam等[16-17]研究微束等離子弧工藝參數對熔覆道幾何形貌的影響, 通過理論模型預測熔覆道的幾何形貌, 對4層金屬沉積中的溫度和熱循環進行有限元模擬, 并通過相關實驗, 證明模型的可靠性.

上述各種金屬增材技術的優缺點并存. 由于熱源光斑直徑很小, 激光和電子束選區熔化技術能制備結構較為復雜的零件, 且成形精度較高. 但是, 這兩種技術在實際成形過程中, 對球形粉末尺寸和球形度一致性要求很高, 原材料成本居高不下, 且只能采用等厚分層, 工藝性較差. 電弧熔絲增材制造技術利用電弧熔化焊絲, 從而形成熔覆層. 與激光和電子束選區熔化技術相比, 該技術成形速度快、 能量利用率高、 設備成本較低, 但其成形精度較低, 往往需要二次加工.

微束等離子不但弧熱影響區小、 成形速度快、 精度高, 而且具有類似于激光、 電子束等熱源溫度高、 集束性好的特點. 在實際成形過程中, 該技術對粉末的要求較低, 可節約成本, 并且可根據成形件的結構復雜性調整分層策略. 因此, 本研究提出一種微束等離子選區熔化增材制造方法, 旨在將微束等離子選區熔化工藝應用于實際, 搭建微束等離子選區熔化實驗平臺, 探索成形參數與熔覆道形貌之間的關系, 并開發應用于該實驗平臺的切片軟件, 實現對三維模型的加載顯示、 切片分層、 路徑規劃、 焊縫預測等功能.

1 微束等離子選區熔化實驗平臺的搭建

實驗平臺的基本原理是使用微束等離子弧焊作為熱源, 使焊槍按照預定的軌跡運動, 并同時熔化基體和基體上的金屬. 本研究所設計的微束等離子選區熔化實驗平臺由3部分組成, 包括微束等離子熱源系統、 三自由度移動系統和工作臺運動控制系統.

熱源系統由微束等離子弧焊電源、 微束等離子焊槍和氬弧焊水箱組成. 電源選用成都電焊機研究所的LHM8-50A/DL型數字化直流脈沖等離子焊弧電源; 焊槍選用該研究所的16A型微束等離子焊槍; 水箱選用中國華遠松下公司的WRC-300A型氬弧焊機水箱.

在三自由度移動系統設備選型前, 需要先確定其運動、 傳動和連接方式. 在運動方式的選擇上, 由于焊槍的重量較輕, 實現其在Z軸方向的升降較為簡單, 成本也較低, 故采用直角坐標系機器人的結構來實現焊槍在X、Y、Z這3個方向上的運動. 在傳動方式的選擇上, 考慮到進行選區熔化時X、Y軸需要頻繁換向, 且設備的水平傳動跨距較大, 故X、Y軸采用同步帶傳動方式.Z軸的傳動機構主要負責焊槍升降和焊槍高度固定, 焊槍高度位置的精度會影響層與層之間的成形精度, 故Z軸采用精度較高的滾珠絲桿傳動方式. 在連接方式的選擇上, 通過帶有加強筋的連接部件將輔助導軌上的滑塊與X軸模組相連, 使得Y軸帶動X軸進行往復運動.Z軸與X軸模組的滑臺通過連接件連接, 焊槍與Z軸模組殼體連接, 使得Z軸帶動焊槍一起運動. 設備框架材料選用工業鋁型材, 該材料承載能力較強, 型號規格齊全, 只需要使用連接件就可以進行快速組裝, 可大幅縮短設計周期[18]. 采用SoildWorks三維軟件進行零部件設計和整機虛擬裝配, 在確認各機構運動不會互相干涉后, 進行實物搭建. 三自由度移動系統包含直線模組、 步進電機、 步進電機驅動器和設備框架.X、Y軸選用深圳四斗秋公司的GBT100-L90型全密閉同步帶直線模組, 由深圳雷賽智能公司的86CM45型步進電機提供動力, 并搭配該公司的MA860C型驅動器進行驅動;Z軸選用深圳四斗秋公司的GB86-L5型全密閉絲桿直線模組, 為防止直線模組掉落, 選用深圳雷賽智能公司的86CM85BZ型帶抱閘功能的步進電機提供動力, 并搭配該公司的MA860C型驅動器進行驅動. 設備框架選用OB4040L和OB40120L兩種型號的工業鋁型材作為搭建材料.

運動控制系統采用上位機和下位機相組合的結構. 選用工業控制計算機作為上位機, 由研華610L機箱、 研華AIMB-705VG主板和1塊型號為Intel i5-6500的CPU組成. 選用研華PCI-1245E運動控制卡作為下位機, 為便于運動控制卡與外部設備連接, 使用研華ADAM-3952端子板進行輔助接線, 連接X、Y和Z軸的步進電機驅動器.

整個微束等離子選區熔化實驗平臺搭建完成后, 使用Windows 10操作系統作為開發平臺, 選用Visual Studio 2019作為開發環境, 運用微軟基礎類庫框架來進行控制軟件的開發, 結合江蘇研華公司提供的動態鏈接庫來實現運動控制卡與下位機的通訊和指令操作. 使用上述實驗平臺對不銹鋼薄板進行小電流刻蝕, 在其表面留下刻蝕痕跡, 如圖1所示. 結果表明, 實驗平臺運行平穩, 符合使用要求.

2 成形尺寸與工藝參數的映射關系

2.1 實驗設計

選擇自身濕潤角較小的鐵粉作為實驗材料[19-21], 以45號鋼作為基體材料. 在成形過程中, 為防止金屬粉末被吹飛, 采用質量分數為10%的PVA水溶液作為粘結劑, 將粉末壓制成薄板狀. 根據薄片壓制效果, 確定鐵粉與PVA水溶液的最佳質量比為8∶1. 在微束等離子焊接過程中, 影響焊道幾何形貌尺寸的因素主要為成形電流和成形速度, 故在實驗中將二者作為實驗變量. 微束等離子選區熔化的工藝特點, 使得焊道厚度與薄片厚度相同. 因此, 僅測量焊道寬度, 即可獲得焊道的幾何形貌. 本實驗平臺焊機的電流范圍為1～50 A. 熱輸入較大會導致鐵粉氣化, 而熱輸入過小又會出現無法焊透的問題. 經初步實驗, 確定電流以0.5 A作為增量, 分為2.5、 3.0、 3.5、 4.0 A這4種情況; 掃描速度以0.5 mm·s-1作為增量, 分為3.0、 3.5、 4.0、 4.5、 5.0 mm·s-1這5種情況. 分別將上述不同電流與掃描速度進行參數組合, 共得到20組實驗. 當掃描速度為3.0 mm·s-1時, 成形效果如圖2所示.

圖2 不同成形電流下的成形效果Fig.2 Forming effect under different forming currents

2.2 多項式回歸焊道模型的探索

為便于后續填充路徑規劃, 需要建立成形幾何形貌與工藝參數之間的映射關系. 多項式回歸是研究一個因變量與一個或多個自變量間多項式的回歸分析方法, 在回歸分析中占有重要地位[22].

一元m次多項式回歸方程為

f(x)=a0+a1x+a2x2+…+amxm

(1)

式中:a0,a1, …,am表示該多項式的系數;x表示自變量. 本研究的自變量為成形電流和成形速度, 故采用二元多項式回歸. 二元二次多項式回歸方程為

(2)

式中:x1和x2在本實驗中分別表示成形電流和成形速度.多項式系數a0,a1, …,a5是需要求出的值. 將20組數據作為輸入, 使用Matlab工具對數據進行多項式回歸, 得到成形寬度與成形電流、 成形速度之間的關系, 如圖3所示.

圖3 成形寬度與成形電流、 成形速度關系擬合圖Fig.3 Fitting diagram of forming width versus current and speed

求解得到的具體多項式為

(3)

為驗證上述多項式回歸的準確性, 在樣本取值區間內隨機選取新數據, 通過實驗獲得驗證樣本. 驗證樣本的具體數據如表1所示.

表1 驗證樣本工藝參數和成形寬度Tab.1 Process parameters and bead width of verify sample

將多項式回歸結果與實際寬度進行對比, 如圖4所示. 由圖4可知, 預測寬度和實際寬度曲線幾乎重合, 二者的最大絕對誤差為0.05 mm, 此時的相對誤差為2.48%, 出現在3號實驗. 所有預測結果的相對誤差均在3.00%以下, 證明該多項式模型具有較高的準確度. 為實現實驗平臺對復雜模型的打印, 自主開發切片軟件, 以實現對三維模型的導入顯示、 分層切片、 路徑規劃、 焊縫預測等功能, 最終導出G代碼, 并與上位機軟件配合進行打印. 在單層熔覆實驗中, 選用厚度為1.25 mm的金屬薄板, 采用電流為2.5 A、 掃描速度為5.0 mm·s-1、 搭接率為30%的工藝參數, 可得到理想的實驗效果, 如圖5所示, 不但打印層表面平整, 其輪廓精度也較高.

圖4 預測結果與實際結果對比Fig.4 Comparison between predicted and actual results

圖5 單層熔覆成形效果圖Fig.5 Effect diagram of single-layer cladding forming

在多層熔覆實驗中, 下層金屬熔覆成形后, 在上層鋪設一層金屬粉末, 再次熔覆上層金屬并與下層熔合. 在此過程中, 往往會出現兩種情況. 一種情況是上層金屬成形效果好但未與下層熔合; 另一種情況是上下層金屬熔合但表面成形效果較差. 由于厚度為1.25 mm的金屬薄板在實驗中易出現燒穿缺陷, 故需要增大板材厚度, 選用厚度為2.40 mm的金屬薄板. 經實驗確定, 采用電流為12.0 A、 掃描速度為2.0 mm·s-1、 搭接率為20%的工藝參數, 能夠得到較為良好的成形效果, 如圖6(a)所示. 通過制取橫截面試樣并觀察金相, 判斷上下層是否熔合. 結果表明, 上下層交界處的熔合效果較好, 并未出現明顯缺陷, 如圖6(b)所示.

圖6 多層熔覆成形結果Fig.6 Results of multi-layer cladding forming

在15 ℃室溫下, 對試樣的橫截面進行表面硬度測量, 通過壓痕面積計算, 得到熔覆后金屬材料的平均硬度為195.1 HV. 截取部分成形金屬, 進行室溫拉伸實驗, 測得其平均抗拉強度為218.5 MPa. 純鐵的硬度為130.0 HV、 抗拉強度在170.0～270.0 MPa. 使用鐵粉作為原材料, 經上述工藝熔覆后, 成形金屬表面硬度有較為明顯的提升, 且具有不錯的抗拉強度.

3 結語

結合選區熔化技術和電弧增材技術的特點, 提出微束等離子選區熔化新工藝, 并搭建出微束等離子選區熔化實驗平臺. 在單層實驗中, 利用多項式回歸, 證明成形電流、 成形速度與成形寬度呈正相關分布. 利用自主開發的切片軟件, 實現復雜單層金屬的打印, 打印出的金屬具有較好的表面平整度和輪廓精度. 在多層實驗中, 厚度為2.40 mm的金屬薄板, 在電流為12.0 A、 掃描速度為2.0 mm·s-1、 搭接率為20%的工藝參數下, 能夠得到較好的成形效果, 其成形金屬硬度與純鐵相比有明顯提升, 證明微束等離子選區熔化工藝的可行性和優越性.