智能制造

大型艦船、航空航天、高層建筑等國家重大工程領(lǐng)域中有許多高性能大型金屬構(gòu)件，如艦船艉軸架、運載火箭過渡端框架、高層建筑多向鋼節(jié)點。高性能大型金屬構(gòu)件一旦失效，易引起重大工程整體結(jié)構(gòu)損傷或破壞，從而導(dǎo)致嚴重事故，造成巨大經(jīng)濟損失，對高性能大型金屬構(gòu)件的綜合性能提出了很高的要求。多電弧協(xié)同增材制造具有效率高、成本低的特點，小熔池冶煉與鑄造，通過控制多電弧相對位置，可調(diào)控金屬構(gòu)件熱流場與組織轉(zhuǎn)變，使晶粒細化，降低應(yīng)力與變形，實現(xiàn)高性能大型金屬構(gòu)件的形性一體化制造。但許多高性能大型金屬構(gòu)件采用電弧增材整體制造時，面臨如下幾方面的難題：

1、堆積效率較低，制造大型金屬構(gòu)件周期長；

2、成形金屬構(gòu)件表面精度低，加工量較大；

3、成形金屬構(gòu)件的晶粒粗大，各相異性明顯。

本項目采用五電弧協(xié)同增材制造，提高成形構(gòu)件的堆積效率；利用激光約束電弧，提高成形金屬構(gòu)件的表面精度，減小加工余量；構(gòu)筑出融合五電弧協(xié)同增材制造、激光穩(wěn)定電弧、高速攝像監(jiān)測、構(gòu)件成形尺寸三維測量、工藝數(shù)字化監(jiān)控等功能的多電弧協(xié)同增材制造裝備。

1、 形成復(fù)雜空間曲面構(gòu)件分區(qū)原則、切片方法與路徑規(guī)劃策略，建立五電弧協(xié)同增材制造高性能大型金屬構(gòu)件工藝方法、模型與窗口；

2、 研制出多電弧協(xié)同增材制造工藝規(guī)劃與系統(tǒng)總控軟件；

3、 開發(fā)了專用于高性能大型金屬構(gòu)件多電弧協(xié)同增材制造的專用金屬絲材。

實現(xiàn)大型艦船艉軸架、運載火箭過渡端框架與高層建筑多向鋼節(jié)點的高質(zhì)量、高效率、低成本增材制造，并進行組織與性能預(yù)測。

圖1 多電弧協(xié)同增材制造設(shè)備圖

圖2 多電弧協(xié)同增材制造典型產(chǎn)品

項目成果有效解決了高性能大型金屬構(gòu)件采用電弧增材整體制造時，面臨的堆積效率較低，制造大型金屬構(gòu)件周期長；成形金屬構(gòu)件表面精度低，加工量較大；成形金屬構(gòu)件的晶粒粗大，各相異性明顯的難題，將目前大型金屬構(gòu)件電弧增材制造的效率提高到了新高度。

五束電弧協(xié)同增材制造裝備：

1）裝備包括 CMT電源5臺、六軸機器人系統(tǒng)3臺、激光系統(tǒng)、工藝數(shù)字化系統(tǒng)、三維測量系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)與缺陷除去系統(tǒng)；

2）三維測量系統(tǒng)的測量范圍在300mm以內(nèi)，可測量金屬構(gòu)件壁厚最大尺寸不低于250mm，測量誤差在±1.0mm以內(nèi)；

3）可成形高度大于2m、長度大于5m、寬度大于3.5m的金屬構(gòu)件，變形控制在0.2mm/100mm以內(nèi)；

4）堆積效率≥1800cm3/h，連續(xù)工作時間不低于360小時；

五束電弧協(xié)同增材制造工藝總體軟件：

1）具有模型解析重構(gòu)、子模型選擇、分區(qū)切片與9軸工藝路徑規(guī)劃、曲面切片、G代碼及機器人離線編程代碼生成、多電弧協(xié)同增材制造系統(tǒng)控制功能與工藝數(shù)據(jù)庫；

2）可實現(xiàn)金屬構(gòu)件組織、性能預(yù)測及成形質(zhì)量主動控制，并顯示構(gòu)件材料 CCT圖；

3）模型解析、拓撲重構(gòu)時間低于10分鐘，切片輪廓精度優(yōu)于±0.1mm，單層切片時間＜2s。

4）支持2000萬以上三角形面片、尺寸4m以上STL模型；

5）支持任意空間曲面模型的路徑規(guī)劃，成形尺寸≥4000mm；

6）支持 6軸機器人+3軸龍門式床身協(xié)同控制的9軸工藝路徑規(guī)劃，成形效率達 1800cm3/h，全程誤差≤0.5%，路徑輸出方式為G代碼、機器人離線編程代碼；

7）工藝數(shù)據(jù)庫覆蓋控制系統(tǒng)參數(shù)及工藝及材料參數(shù)，并建立典型工藝參數(shù)，加工誤差范圍≤0.5%；

2017年國家重點研發(fā)計劃項目。

已有樣品/樣機。

市場當(dāng)前已局部應(yīng)用。

國家重大工程領(lǐng)域中高性能大型金屬構(gòu)件的制造，如大型艦船艉軸架、航空航天領(lǐng)域運載火箭過渡端框架、高層建筑多向鋼節(jié)點等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本成果已申請8項中國發(fā)明專利。

專利轉(zhuǎn)讓