一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法

技术领域

本发明属于旋压加工和增材制造技术领域，具体涉及一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法。

背景技术

带筋薄壁筒体是航天器和导弹等圆筒形主体结构件，其整体化制造结构是提升大型装备轻量化水平的有效途径，是典型的复杂薄壁结构。通常具有筋高腹薄特征，几何形状复杂，对精度、性能和重量要求苛刻，是一类难加工产品。流动旋压作为一种近净成形工艺方法，具有载荷小、工艺柔性高的优点。旋压工件在加工过程中经历了强塑性变形，在力学性能方面的优势突出。因此流动旋压工艺适合大直径薄壁筒结构整体成形。由于旋压成形过程中材料在局部强加载下产生明显的不均匀变形，内筋填不满等现象，导致加强筋成形高度受限，对交叉筋筒段尤为突出。另外对于每一种筋条结构更改均需要制造相应的旋压原胚模具，成本高、周期长，较难制造复杂多级筋。

直接能量沉积作为一种快速高效的增材制造手段，因其成形效率高、材料利用率高、成形复杂结构、制造周期短等优势，成为复杂构件快速制造的重要选择。

因此可以对旋压工艺无法完成的复杂局部特征进行增材制造，能够对薄壁筒高内筋形状进行设置，完成高内筋的无模制造，使复杂高内筋薄壁筒形结构的力学性能更好，重量更轻。

CN114082825A公开了一种带网格筋筒形件反向流动旋压成型装置及控制方法。通过适当约束金属坯料轴向流动，促进金属材料向筋槽流入，增加了网格内筋高度，并且使已成型筋体不再受轴向拉力作用，摆脱了因正旋轴向拉应力过大带来的开裂风险。但是该方法仅从工艺角度考虑旋压问题，对于旋压成型后的残余应力分布以及如何控制并未说明。且该工艺对内筋高度提升有限，对不同的内筋形状仍需要加工不同的模具，效率较低，制造流程和周期并未缩短。

CN201910306894公开了一种制备镁合金带内筋筒型件的预热强旋成型方法。通过单道次大减薄率一次性旋压成型和表面修整，可有效获得符合尺寸要求的高成形质量带内筋筒形件，避免带内筋筒形件多道次旋压成形过程的不利因素。但是该方法仅适用于简单形状内筋，对于通过拓扑优化手段得到的复杂高内筋的制造仍然存在很多制约条件。

综上所述，在高内筋薄壁筒形结构制造方面缺乏一种将旋压-增材制造相结合的具有普适性的方法。现有的部分设备较为笨重，成本高昂，具有较大局限性。流动旋压工艺制造高内筋薄壁筒形结构力学性能好，但是无法制造高内筋，增材制造技术在制造形状复杂的高内筋方面优势明显，因此发展基于旋压-增材复合制造工艺制造复杂高内筋薄壁筒形结构的方法是必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，通过流动旋压和增材制造这种等材-增材复合成形新工艺实现复杂航天薄壁构件的整体制造，既满足了这类构件严苛的力学性能的要求，又兼顾了筋高和筒段外形的高精度的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，对筒形结构分为旋压成形和增材制造成形两部分，即先通过旋压成形出筒体结构，再在筒体结构内腔中增材制造成形出内筋结构。

进一步地，以筒形结构的筒体厚度为依据，对工件分为旋压制造成形和增材制造成形两部分，x为筒形结构的筒体厚度阈值，当筒形结构的筒体厚度h＞x时，旋压成形的筒体结构为不带内筋的筒体，增材制造成形的内筋结构为全部的内筋；当筒体厚度h≤x时，旋压成形的筒体结构为筒体+矮筋，增材制造成形的内筋结构为高筋，矮筋+高筋为全部内筋；其中，矮筋高度Δh要小于h；

其中，

进一步地，所述旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，包括以下步骤：

(1)对工件整体数据建模后，以筒形结构的筒体厚度为依据，将数据模型分为旋压成形的筒体结构模型和增材制造成形的内筋结构模型两部分；

(2)根据筒体结构数据模型，通过旋压设备对工件原胚进行旋压加工，完成筒体结构的制造；

(3)将内筋结构数据模型进行分层切片，规划成形轨迹，生成增材制造数据文件；

(4)将旋压成形得到的筒体结构装夹至增材制造装置上，将步骤(3)得到的增材制造数据文件导入增材制造装置执行机构中；

(5)对装夹好的筒体结构预热至设定温度，到达设定温度后，采用增材制造执行机构在旋压得到的筒体结构的内腔中进行内筋结构的增材制造；

(6)依据步骤(3)中的增材制造数据文件，最终完成筒形结构的制造。

进一步地，所述的步骤(1)中增材制造材料为可进行直接能量沉积的金属，旋压成形的筒体结构和增材制造成形的内筋结构所用材料属于同类型合金，包括但不限于铝合金、不锈钢、钛合金。

进一步地，所述的步骤(1)中增材制造为直接能量沉积工艺，具体为激光沉积制造、电弧熔丝增材制造中的一种。

进一步地，所述的步骤(1)中旋压成形为预热强旋、单向多道次流动旋压中的一种。

进一步地，所述的步骤(4)中，在增材制造开始前对旋压得到的筒体结构的内表面进行打磨并采用丙酮对其进行清洗，并烘干增材制造原料(电弧增材焊丝材料、激光增材粉末材料)，为后续增材制造做好准备；

进一步地，所述的步骤(4)中还包括装夹限制高内筋筒形结构热变形的工装夹具，所述的工装夹具可以通过内、外部拘束夹紧的方式限制筒形结构再增材过程中产生的热变形。

进一步地，所述的步骤(4)中增材制造装置装夹筒体结构所用的装夹机构，包括三抓卡盘、四爪卡盘、C型支架、特定的工装夹具。

进一步地，所述的步骤(5)中，预热采用的装置为感应线圈、履带式陶瓷电热毯、电阻式加热棒、环形乙炔焊枪补热装置中的一种。

进一步地，所述的步骤(6)增材制造过程中，筒体结构做圆周运动，增材制造执行机构沿筒体轴线做平移运动。

进一步地，所述的圆周运动采用变位机，增材制造执行机构为六轴机器人、三坐标机床中的一种。

进一步地，所述的步骤(6)中还包括用测温装置检测工件温度，当达到增材层间温度阈值上限后，散热降温，直至层间温度冷却至温度阈值下限。

进一步地，所述的测温装置为红外测温仪、热电偶、金属接触式测温仪中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在旋压制造筒体结构的基础上，进行复杂内筋的增材制造，一方面通过壁厚划分出旋压区域和增材区域，既保证了复杂内筋薄壁筒形结构的快速制造，又解决了旋压制造高内筋填充不足的难题，另一方面通过流动旋压和增材制造这种等材-增材复合成形新工艺实现复杂高内筋壁构件的整体制造，既满足了这类构件严苛的力学性能的要求，又兼顾了筋高和筒段外形的高精度的要求，为等材-增材复合制造提供了较为成熟的案例。

本发明先通过旋压成形制造出筒体结构增加原胚刚度，并且在增材制造过程开始前装甲抵抗热变形的工装夹具，极大的减小了薄壁筒形结构在复杂内筋的增材制造过程中产生的热应力过大导致的变形问题，获得力学性能更优，重量更轻，精度更高的结构件。

附图说明

图1为一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法的流程图；

图2为实施例1经过拓扑优化的复杂内筋筒形结构模型；

图3为实施例2经过拓扑优化的复杂内筋筒形结构模型；

图4为增材制造装置；

图中：1-散热风扇，2-装夹机构，3-筒体，4-矮筋，5-工装夹具，6-加热装置，7-增材制造执行机构，8-增材制造执行机构升降装置，9-轴向移动装置，10-温度探头，11-C型支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，包括以下步骤：

1)对工件整体数据建模后，以筒形结构的筒体厚度为依据，将数据模型分为旋压成形和增材制造成形两部分：

其中，以带内筋筒形结构的筒体厚度(圆筒壁厚)为依据，对工件分为旋压成形和增材制造成形两部分，x为筒形结构的筒体厚度阈值，当筒形结构的筒体厚度h＞x时，旋压成形的筒体结构为不带内筋的筒体，增材制造成形的内筋结构为全部的内筋，即直接旋压成形出较厚的不带内筋的筒体，再通过增材制造的方式制造出全部的复杂高内筋；当筒体厚度h≤x时，旋压成形的筒体结构为筒体+矮筋，增材制造成形的内筋结构为高筋，矮筋+高筋为全部内筋，矮筋高度Δh要小于筒体厚度h，为防止增材制造热输入产生的大变形，即先通过旋压成形出较薄的筒体+矮筋，然后通过增材制造在旋压筒体内腔的矮筋上进一步制造出高度更高的筋条结构；

其中，

2)根据筒体结构数据模型，通过旋压设备对工件原胚进行旋压加工，完成筒体结构的制造；

3)将内筋结构数据模型进行分层切片，规划成形轨迹，生成增材制造数据文件；

4)将旋压成形得到的筒体结构装夹至增材制造装置上，所用的装夹机构，包括三爪卡盘、四爪卡盘、C型支架、特定的工装夹具，并装夹限制高内筋筒形结构热变形的工装夹具，所述的工装夹具可以通过内、外部拘束夹紧的方式限制筒形结构再增材过程中产生的热变形，将步骤3)得到的增材制造数据文件导入增材制造装置执行机构中；

5)对旋压得到的筒体结构的内表面进行打磨并采用丙酮对其进行清洗，并烘干增材制造原料(电弧增材焊丝材料、激光增材粉末材料)，为后续增材制造做好准备；

6)对装夹好的筒体结构预热至设定温度，到达设定温度后，预热采用的装置为感应线圈、履带式陶瓷电热毯、电阻式加热棒、环形乙炔焊枪补热装置中的一种；

7)用测温装置检测工件温度，当达到增材层间温度阈值上限后，散热降温，直至层间温度冷却至温度阈值下限；所述的测温装置为红外测温仪、热电偶、金属接触式测温仪中的一种；

8)采用增材制造运动执行机构在旋压得到的筒体结构的内腔中进行内筋结构的增材制造；

9)依据增材制造数据文件，最终完成筒形结构的制造。

其中，所述的步骤1)中增材制造材料为可进行直接能量沉积的金属，原则上旋压工艺和增材工艺使用材料应属于同类型合金，包括但不限于铝合金、不锈钢、钛合金。

其中，所述的步骤1)中增材制造为直接能量沉积工艺，具体为激光沉积制造、电弧熔丝增材制造中的一种。

其中，所述的步骤1)中旋压成形为预热强旋、单向多道次流动旋压中的一种。

其中，所述的步骤8)增材制造过程中，筒体结构做圆周运动，增材制造执行机构沿筒体轴线做平移运动。

其中，所述的圆周运动采用变位机，增材制造执行机构为六轴机器人、三坐标机床中的一种。

实施例1：

如图1所示，一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，包括以下步骤：

1)依据复杂高内筋筒形结构模型筒体厚度分为旋压成形的筒体结构模型和增材制造成形的内筋结构模型两部分；以航空用2219铝合金为例，筒体厚度h为5mm，增材产生的最大径向应力值σ为150MPa，工件长度2l为500mm，弹性模量E为67000MPa，a为10mm，b为80mm，最大径向变形量[ω]为10mm。经计算，筒体厚度h＝5mm＜厚度阈值x＝54.73mm，因此旋压成形的筒体结构包括薄壁筒(即筒体)+矮筋；增材制造成形的内筋结构为复杂高筋，矮筋+复杂高筋为全部内筋；

复杂高内筋筒形结构模型如图2所示，图2中(a)为旋压制造薄壁筒(即筒体)+矮筋，(b)为增材制造复杂高筋，(c)为整体复杂高内筋筒形结构，(d)为(a)、(b)、(c)侧视图；

2)以图2为例，通过预热强旋工艺造出

3)通过3dAM-Planner2023切片软件对内筋结构模型进行分层切片，并划分相应成形轨迹，将程序代码导入到KUKA六轴机器人中；

4)如图4所示，使用内筋结构增材制造装置的四爪卡盘采用外卡的方式装夹带有旋压成形的筒体结构(薄壁筒+矮筋)，并在工件外部装夹限制热变形的环形夹具；

5)打磨筋条内表面，去除氧化层后采用丙酮清洗，将直径为1.2mm的2319供给丝进行烘干处理；

6)如图4所示，采用履带式陶瓷电热毯，使用红外测温仪测温，预热工件至150℃；

7)使用红外测温装置测温，控制层间温度在80℃～100℃之间，启动风扇1的闭环控制；

8)如图4所示，打印头采用电弧热源，对送料系统中的2319供给丝进行熔化焊接，在保护气体作用下形成熔池，并通过打印头移动，形成层高为2mm的沉积层，机器人与焊机的相应参数为：电流160A，电压14V，送丝速度8m·min

9)以步骤8)的工艺参数为基础，完成复杂高内筋筒形结构的增材制造。

实施例2：

如图1所示，一种基于旋压-增材复合制造带内筋筒形结构的方法，包括以下步骤：

1)依据复杂高内筋筒形结构模型筒体厚度分为旋压成形的筒体结构模型和增材制造成形的内筋结构模型两部分；以316L不锈钢为例，筒体厚度h为25mm，增材产生的最大径向应力值σ为180MPa，工件长度2l为400mm，弹性模量E为200000MPa，a为10mm，b为100mm，最大径向变形量[ω]为15mm。经计算，筒体厚度h＝25mm＞厚度阈值x＝24.33mm，因此采用旋压成形的筒体结构为无筋筒体；增材制造成形的内筋结构为复杂高筋，复杂高筋为全部内筋；

复杂高内筋筒形结构模型如图3所示，图3中(a)为旋压制造无筋筒，(b)为增材制造复杂高筋，(c)为整体复杂高内筋筒形结构，(d)为(a)、(b)、(c)侧视图；

2)以图3为例，通过单向多道次流动旋压工艺制造出

3)通过LDM-Planner切片软件对内筋结构模型进行分层切片，并划分相应成形轨迹，将程序代码导入到LDM-800激光增材制造系统中；

4)如图4所示，无筋旋压筒体使用三爪卡盘通过内卡的方式装夹至内筋结构增材制造装置中，并在工件外部装夹限制热变形的环形夹具；

5)打磨筒体内表面，将粒径为44～149μm的316L不锈钢粉末进行烘干处理；

6)如图4所示，采用电磁线圈进行感应加热，预热工件至240℃；

7)使用热电偶测温，控制层间温度在180℃～200℃之间，启动风扇1的闭环控制。

8)如图4所示，打印头采用激光热源，对送粉筒中的316L进行激光同轴送粉增材制造，在保护气体作用下形成熔池，并通过打印头移动，形成层高为1mm的沉积层；机床与激光器的相应参数为：光纤直径800μm，激光波长1064nm，激光器功率800W，激光光斑直径2mm，扫描速度600mm·min

9)以步骤8)的工艺参数为基础，完成复杂高内筋筒形结构的增材制造。

实施例1、2的增材制造系统如图4所示，其中旋压制造的筒体3(实施例1+矮筋4)通过装夹机构2装夹至增材制造装置的卡盘上，并采用C型支架11作为支撑，筒体外壁上装夹限制筒体结构热变形的工装夹具5，增材制造执行机构(打印头)置于筒体内，增材制造执行机构(打印头)7在升降装置8的作用下进行升降运动，并在轴向移动装置9作用下进行平移运动，执行机构上还设有用于加热的预热装置6，筒体外壁上还设置有测温装置的温度探头10，筒体一端还设有用于散热降温的散热风扇1。

以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。