本發(fā)明涉及電弧熔絲增材制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，適用于鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料的電弧熔絲增材制造。
背景技術(shù)：
：電弧熔絲增材制造技術(shù)隸屬于“3D打印”
技術(shù)領(lǐng)域：
，具有成形效率高、材料利用率高、設(shè)備成本低、制造周期短、產(chǎn)品近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，非常適宜在航空航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用。航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品重量有嚴(yán)格要求，為保證強(qiáng)度往往采用各種形式的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，其中的網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)。網(wǎng)格加強(qiáng)筋有菱形、方形等不同的網(wǎng)格形式。分析這些網(wǎng)格形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)可知，網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)由大量一定交叉角度的交叉結(jié)構(gòu)按規(guī)則排列組合而成，不同網(wǎng)格的區(qū)別在于基本單元的交叉角度不同。利用電弧熔絲增材制造技術(shù)成形網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)是在交叉處易出現(xiàn)凸起、縮頸、塌陷等多種缺陷。缺陷形成原因如下：在利用電弧熔絲增材制造技術(shù)進(jìn)行交叉結(jié)構(gòu)成形時(shí)，往往采用直接交叉策略成形，即先沿水平方向成形一道成形層，再沿垂直方向疊加一道成形層。由于電弧本身的特性，在垂直的成形層接近第一條成形層時(shí)，電弧往往被凸起的第一條成形層所吸引，在交叉點(diǎn)前方和交叉點(diǎn)后方的熱輸入量不足，導(dǎo)致成形層出現(xiàn)寬度減小，同時(shí)高度降低的現(xiàn)象；以及在凸起處熱輸入量加大，導(dǎo)致成形層出現(xiàn)寬度增加，高度增加的現(xiàn)象。此現(xiàn)象一旦形成，后續(xù)的成形過(guò)程會(huì)加劇這種現(xiàn)象，而導(dǎo)致上述缺陷的產(chǎn)生。這些缺陷的存在將影響成形后網(wǎng)格加強(qiáng)筋的機(jī)械加工。由于電弧熔絲增材制造技術(shù)是近凈成形技術(shù)，需要后期機(jī)械加工。加工余量的控制很重要，預(yù)留的加工余量越大，越有利于加工到預(yù)期的產(chǎn)品尺寸，但是會(huì)降低成形效率，浪費(fèi)原材料，增加成本；若預(yù)留的加工余量不足，達(dá)不到預(yù)期尺寸。理想的預(yù)留加工余量是在保證加工尺寸的同時(shí)，盡可能少。對(duì)于交叉結(jié)構(gòu)而言，機(jī)械加工后理想的交叉結(jié)構(gòu)是在交叉處形成圓角，以避免或減少應(yīng)力集中，提高產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，如圖1a所示。對(duì)于電弧熔絲增材制造的交叉筋結(jié)構(gòu)而言，若在交叉處存在縮頸、塌陷等缺陷，將難以加工出尺寸滿(mǎn)足使用需求的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)如圖1b所示的交叉處凹陷的問(wèn)題。因而，交叉處缺陷的控制是電弧熔絲增材制造技術(shù)能否應(yīng)用于成形網(wǎng)格加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，該方法采用的成形層路徑間沒(méi)有相互跨越關(guān)系，不會(huì)出現(xiàn)交叉結(jié)構(gòu)的塌陷、縮頸和凸起等缺陷，可以形成無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋，可以滿(mǎn)足后續(xù)機(jī)械加工和使用需求，成形工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)且適用性強(qiáng)。本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)：一種交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，包括以下步驟：(1)、在基板上成形第一層成形層網(wǎng)格，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：(1a)、在基板上沿設(shè)定成形方向設(shè)置N個(gè)點(diǎn)，依次記為點(diǎn)A1、A2、…、AN，N為正整數(shù)；然后采用電弧熔絲增材制造工藝在點(diǎn)A1～AN之間形成第一類(lèi)單道成形層路徑，所述成形層路徑以點(diǎn)A1為起弧點(diǎn)、以點(diǎn)AN為熄弧點(diǎn)、以點(diǎn)A2～AN-1為拐點(diǎn)；其中：排序?yàn)槠鏀?shù)的拐點(diǎn)分布在同一直線(xiàn)上，而排序?yàn)榕紨?shù)的拐點(diǎn)分布在另一直線(xiàn)上，兩條直線(xiàn)相互平行，且成形層路徑上相鄰三個(gè)點(diǎn)連接構(gòu)成的角度均為α；α為設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度；(1b)、在基板上沿設(shè)定成形方向設(shè)置N個(gè)點(diǎn)，依次記為點(diǎn)B1、B2、…、BN，N為正整數(shù)；然后采用電弧熔絲增材制造工藝在點(diǎn)B1～BN之間形成第二類(lèi)單道成形層路徑，所述成形層路徑以點(diǎn)B1為起弧點(diǎn)、以點(diǎn)BN為熄弧點(diǎn)、以點(diǎn)B2～BN-1為拐點(diǎn)；其中：排序?yàn)槠鏀?shù)的拐點(diǎn)分布在同一直線(xiàn)上，而排序?yàn)榕紨?shù)的拐點(diǎn)分布在另一直線(xiàn)上，兩條直線(xiàn)相互平行，且成形層路徑上相鄰三個(gè)點(diǎn)連接構(gòu)成的角度均為α；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的奇數(shù)拐點(diǎn)相交，或者第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的偶數(shù)拐點(diǎn)相交，且交點(diǎn)的連線(xiàn)與各單道成形層路徑中的奇數(shù)拐點(diǎn)連線(xiàn)、偶數(shù)拐點(diǎn)連線(xiàn)相互平行；(1c)、重復(fù)步驟(1a)和(1b)在基板上成形第一層成形層網(wǎng)格，所述成形層網(wǎng)格由交替出現(xiàn)的第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑構(gòu)成；(2)、重復(fù)步驟(1a)至步驟(1c)，在第一層成形層網(wǎng)格上成形第二層成形層網(wǎng)格，然后在第二層成形層網(wǎng)格上成形第三層成形層網(wǎng)格，依次類(lèi)推，共成形M層成形網(wǎng)格，以達(dá)到設(shè)定的網(wǎng)格高度，M為正整數(shù)。上述的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，在步驟(1)中，第一類(lèi)單道成形層路徑與第二類(lèi)單道成形層路徑的成形方向相同或相反；所述成形方向包括沿橫向由右至左、沿橫向由左至右、沿縱向由上至下、沿縱向由下至上；其中：沿橫向由右至左和沿橫向由左至右互為反方向；沿縱向由上至下和沿縱向由下至上互為反方向。上述的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，在步驟(1)中，如果第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的相鄰拐點(diǎn)間的距離均相等，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為菱形網(wǎng)格。上述的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，在步驟(1)中，如果第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的相鄰拐點(diǎn)間的距離均相等，且設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度α＝90°，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為正方形網(wǎng)格。上述的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，在步驟(1)中，如果在第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑中，各拐點(diǎn)與相鄰兩個(gè)拐點(diǎn)間的距離分別為d1和d2，d1與d2不相等，且設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度α＝90°，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為矩形網(wǎng)格。上述的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，在各成形層網(wǎng)格成形后，通過(guò)機(jī)械加工在網(wǎng)格單元交叉處形成圓角。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)、本發(fā)明采用的成形層路徑間沒(méi)有相互跨越關(guān)系，不會(huì)出現(xiàn)交叉結(jié)構(gòu)的塌陷、縮頸和凸起等缺陷，可以形成無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋，可以滿(mǎn)足后續(xù)機(jī)械加工和使用需求；(2)、本發(fā)明的網(wǎng)格交叉結(jié)構(gòu)角度可控，適應(yīng)多種形式網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋的加工需求，適用性強(qiáng)且成形工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。附圖說(shuō)明圖1a為機(jī)械加工后理想的交叉結(jié)構(gòu)示意圖，其在交叉處形成圓角；圖1b為現(xiàn)有技術(shù)中電弧熔絲增材制造的交叉接結(jié)構(gòu)的示意圖；其在交叉處存在缺陷；圖2a為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的第一類(lèi)單道成形層路徑示意圖；圖2b為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)成形層路徑對(duì)比示意圖；圖3a為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的成形層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑均采用橫向分布形式且路徑方向相反；圖3b為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的成形層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑均采用橫向分布形式且路徑方向相同；圖3c為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的成形層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑均采用縱向分布形式且路徑方向相反；圖3d為采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法成形的成形層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑均采用縱向分布形式且路徑方向相同。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：采用本發(fā)明的交叉結(jié)構(gòu)的電弧熔絲增材制造方法，可以在基板上形成多層成形層網(wǎng)格，以達(dá)到設(shè)定的網(wǎng)格高度。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)、在基板上成形第一層成形層網(wǎng)格，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：(1a)、在基板上沿設(shè)定成形方向設(shè)置N個(gè)點(diǎn)，依次記為點(diǎn)A1、A2、…、AN，N為正整數(shù)；然后采用電弧熔絲增材制造工藝在點(diǎn)A1～AN之間形成第一類(lèi)單道成形層路徑，所述成形層路徑以點(diǎn)A1為起弧點(diǎn)、以AN為熄弧點(diǎn)、以A2～AN-1為拐點(diǎn)；其中：排序?yàn)槠鏀?shù)的拐點(diǎn)分布在同一直線(xiàn)上，而排序?yàn)榕紨?shù)的拐點(diǎn)分布在另一直線(xiàn)上，兩條直線(xiàn)相互平行，且成形層路徑上相鄰三個(gè)點(diǎn)連接構(gòu)成的角度均為α；α為設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度。例如：如圖2a所示的第一類(lèi)單道成形層路徑，其中，A1為起弧點(diǎn)，A7為熄弧點(diǎn)，A2、A4、A6分別為偶數(shù)拐點(diǎn)，A1、A3、A5分別為奇數(shù)拐點(diǎn)，圖中偶數(shù)拐點(diǎn)所在的直線(xiàn)與奇數(shù)所在的直線(xiàn)平行，如果邊緣網(wǎng)格也是完整網(wǎng)格，則起弧點(diǎn)A1和熄弧點(diǎn)A7也在上述平行直線(xiàn)上，如果邊緣網(wǎng)格為部分網(wǎng)格，則起弧點(diǎn)A1和熄弧點(diǎn)A7位于兩條平行直線(xiàn)之間。另外∠A1A2A3＝∠A2A3A4＝∠A3A4A5＝∠A4A5A6＝∠A5A6A7＝90°，其中設(shè)定的網(wǎng)格角度α＝90°。(1b)、在基板上沿設(shè)定成形方向設(shè)置N個(gè)點(diǎn)，依次記為點(diǎn)B1、B2、…、BN，N為正整數(shù)；然后采用電弧熔絲增材制造工藝在點(diǎn)B1～BN之間形成第二類(lèi)單道成形層路徑，所述成形層路徑以點(diǎn)B1為起弧點(diǎn)、以BN為熄弧點(diǎn)、以B2～BN-1為拐點(diǎn)；其中：排序?yàn)槠鏀?shù)的拐點(diǎn)分布在同一直線(xiàn)上，而排序?yàn)榕紨?shù)的拐點(diǎn)分布在另一直線(xiàn)上，兩條直線(xiàn)相互平行，且成形層路徑上相鄰三個(gè)點(diǎn)連接構(gòu)成的角度均為α；其中，第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的奇數(shù)拐點(diǎn)相交，或者第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的偶數(shù)拐點(diǎn)相交，且交點(diǎn)的連線(xiàn)與各單道成形層路徑中的奇數(shù)拐點(diǎn)連線(xiàn)、偶數(shù)拐點(diǎn)連線(xiàn)相互平行。例如：如圖2b所示的第二類(lèi)單道成形層路徑，其中，B1為起弧點(diǎn)，B7為熄弧點(diǎn)，B2、B4、B6分別為偶數(shù)拐點(diǎn)，B1、B3、B5分別為奇數(shù)拐點(diǎn)，圖中偶數(shù)拐點(diǎn)所在的直線(xiàn)與奇數(shù)所在的直線(xiàn)平行，如果邊緣網(wǎng)格也是完整網(wǎng)格，則起弧點(diǎn)B1和熄弧點(diǎn)B7也在上述平行直線(xiàn)上，如果邊緣網(wǎng)格為部分網(wǎng)格，則起弧點(diǎn)B1和熄弧點(diǎn)B7位于兩條平行直線(xiàn)之間。另外∠B1B2B3＝∠B2B3B4＝∠B3B4B5＝∠B4B5B6＝∠B5B6B7＝90°，其中設(shè)定的網(wǎng)格角度α＝90°。另外，圖中第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑在偶數(shù)拐點(diǎn)處相交，相交點(diǎn)所在直線(xiàn)分別與兩條路徑的奇數(shù)拐點(diǎn)所在直線(xiàn)平行，如果網(wǎng)格單元為正方形或菱形，則兩條路徑對(duì)于相交點(diǎn)所在直線(xiàn)成鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系。(1c)、重復(fù)步驟(1a)和(1b)在基板上成形第一層成形層網(wǎng)格，所述成形層網(wǎng)格由交替出現(xiàn)的第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑構(gòu)成。如果將圖2b的第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑交替出現(xiàn)，則可以形成如圖3b所示的第一層成形層網(wǎng)格。其中，兩條路徑的方向相同，均為橫向自左向右。在成形過(guò)程中，第一類(lèi)單道成形層路徑與第二類(lèi)單道成形層路徑的成形方向也以相同，也可以相反。該成形方向包括沿橫向由右至左、沿橫向由左至右、沿縱向由上至下、沿縱向由下至上；其中：沿橫向由右至左和沿橫向由左至右互為反方向；沿縱向由上至下和沿縱向由下至上互為反方向。圖3a～3d分別給出了四種網(wǎng)格路徑方向示意圖。其中如果第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的成形路徑方向相反時(shí)，相當(dāng)于連續(xù)加工形成兩個(gè)路徑，電弧的持續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，熱累積較大，在網(wǎng)格尺寸較小時(shí)可能會(huì)造成基板或成形層變形。而且這種方式會(huì)造成起弧位置和熄弧位置重復(fù)，因而在同一點(diǎn)累計(jì)起弧誤差和熄弧誤差，從而造成累積性缺陷。因此可以根據(jù)網(wǎng)格大小選擇不同的路徑方案進(jìn)行交替使用。(2)、重復(fù)步驟(1a)至步驟(1c)，在第一層成形層網(wǎng)格上成形第二層成形層網(wǎng)格，然后在第二層成形層網(wǎng)格上成形第三層成形層網(wǎng)格，依次類(lèi)推，共成形M層成形網(wǎng)格，以達(dá)到設(shè)定的網(wǎng)格高度，M為正整數(shù)。該步驟中，各層成形層網(wǎng)格中的第一類(lèi)單道成形層路徑與第二類(lèi)單道成形層路徑的成形方向設(shè)定可以根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行設(shè)定，每層均可在8種成形路徑方向方案中進(jìn)行選擇，其中，這8中成形路徑方向方案如表1所示。方案序號(hào)第一類(lèi)單道成形層路徑方向第二類(lèi)單道成形層路徑的成形方向1橫向自右向左橫向自右向左2橫向自右向左橫向自左向右3橫向自左向右橫向自右向左4橫向自左向右橫向自左向右5縱向自上向下縱向自上向下6縱向自上向下縱向自下向上7縱向自下向上縱向自上向下8縱向自下向上縱向自下向上(3)、在各成形層網(wǎng)格成形后，通過(guò)機(jī)械加工在網(wǎng)格單元交叉處形成如圖1a所示的圓角。在以上的交叉網(wǎng)格成形過(guò)程中：如果第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的相鄰拐點(diǎn)間的距離均相等，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為菱形網(wǎng)格；如果第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑的相鄰拐點(diǎn)間的距離均相等，且設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度α＝90°，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為正方形網(wǎng)格。如果在第一類(lèi)單道成形層路徑和第二類(lèi)單道成形層路徑中，各拐點(diǎn)與相鄰兩個(gè)拐點(diǎn)間的距離分別為d1和d2，d1與d2不相等，且設(shè)定的網(wǎng)格交叉角度α＝90°，則成形層網(wǎng)格中的網(wǎng)格單元為矩形網(wǎng)格。以上所述，僅為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3