南極クマの徹底分析 - ロボットによる表面処理に基づく付加製造プロセスと方法の研究

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-4-22 13:13 に最後に編集されました。

今日の製造市場におけるますます激化する競争に適応するために、企業は消費者の個々の要求を満たす製品を可能な限り短い時間で設計、加工、製造する必要があります。付加製造は「ボトムアップ」製造方法として、部品の迅速な設計と製造、柔軟な加工プロセスに対する製造業界の要件を満たすことができるため、近年、業界から広く注目されています。サーフェシングは、SLS、FDM、LOMなどの他のいくつかの積層造形技術と比較して、低コストで緻密な構造と優れた機械的特性を生み出すという特徴があり、民間市場で大量生産用の積層造形技術として発展することが期待されています。

しかし、サーフェシングに基づく積層造形技術に関する現在の研究は十分に深くなく、形成された部品と実用化の要件の間には依然として大きなギャップがあり、それは主に次の 2 つの点に反映されています。
1) クラッディング工程中のアーククレーターの崩壊により成形寸法が不正確になる。
2) 成形部品の表面が粗く、使用要件を満たすことができません。
クラッディング時のアーククレーター崩壊の問題は、主に成形経路を最適化することによって解決されます。このうち、表面形成パスは、溶接プロセス中の溶接のアーク開始位置と停止位置、および溶接間の空間位置と時間順序を記述します。現在、国内外の多くの学者がクラッディング成形の経路計画について研究を行っています。例えば、米国ケンタッキー大学の張玉明氏らは、スライス輪郭の円形スキャンと内部充填のための往復「Z」字型スキャンを使用し、溶接プロセス中のアーク開始とアーク破壊によって引き起こされる溶接欠陥と不連続性を排除し、層内の溶融溶接蓄積を一度に完了しました。英国ノッティンガム大学の JD Spencer 氏らは、溶接中に溶接部が再溶融することで生じる部品の輪郭への損傷を排除するための「二重螺旋蓄積」経路計画法を開発しました。部品の表面が粗いという問題に対しては、加工中に他の加工方法を導入して部品の表面を滑らかにする必要があります。

研究者らは、アーク溶接ロボット、CNCフライス盤、ショットブラスト機、および支持材積み重ねシステムで構成される複合4ステーションラピッドプロトタイピングシステムを設計しました。作業工程では、アーク溶接ロボットが溶接を完了するたびに、余分な部分を削り取り、ショットブラストして応力を緩和し、サポート材を積み重ねた後に次の層の表面処理が行われます。この方法の利点は、部品の成形精度が高く、表面品質が良好で、生産効率が高いことです。本論文の実験的研究では、著者は完全な一連のサーフェシング成形プロセスを提案し、ロボットサーフェシングに基づいて完成部品を製造しました。肉盛成形の面では、肉盛成形の経路計画方法を最適化し、アークピットの崩壊の問題を解決し、単層壁部品を肉盛溶接し、この方法の成形効果を検証しました。成形後の部品の後処理の面では、この実験では電解処理を採用して部品の精密な成形を行い、肉盛溶接で成形した部品の表面が粗すぎて使用要件を満たさないという問題を解決しました。

1 実験条件と手順
1.1 実験条件この実験のクラッディング成形システムは図1に示されており、主な機器モデルはMOTOMAN HP6アーク溶接ロボット、NX100ロボットコントローラ、TPS400デジタル溶接機、および専用のロボットインターフェースROB5000です。さらに、実験設備には部品の後加工を行うための自家製電解加工装置も含まれています。実験材料は、直径1.2mmのH08Mn2Si溶接ワイヤ、直径1.2mmの5356アルミニウム合金溶接ワイヤ、シールドガス、Arガス、20％塩化物電解液、Q235鋼板/チューブ、および6061-T6アルミニウム合金板/チューブです。 󰀔 󰀕󰀖󰀗 󰀘
1.2 実験方法まず、溶接プロセスパラメータが成形に及ぼす影響を実験的に研究し、低炭素鋼とアルミニウム合金の表面加工に適したプロセスパラメータをそれぞれ取得します。次に、所定の低炭素鋼およびアルミニウム合金部品を適切なプロセスパラメータで表面加工し、異なるパス計画が成形効果に与える影響を比較しました。最後に、部品は電気化学加工によって精密に成形され、滑らかな表面を持つ部品が得られます。

2 結果と分析
2.1 溶接プロセスパラメータがシングルパス溶接の幾何学的パラメータに与える影響 この実験で使用した溶接方法の主なプロセスパラメータは、溶接電流、アーク電圧、溶接速度です。実験で使用した溶接機は電流と電圧の調整が統一されているため、溶接形状パラメータと溶接電流および溶接速度の関係のみが観察されます。 Q235鋼とアルミニウム合金に対して、それぞれシングルパス溶接肉盛実験を実施しました。図2は、低炭素鋼のガスシールド溶接中の溶接部形成と溶接電流および溶接速度の関係を示しています。溶接電流の増加に伴い、溶融高さと溶接幅がほぼ直線的に増加していることがわかります。理論的には、溶接電流が増加すると、溶融高さが増加し、溶接幅は変化しません。溶接速度が増加すると、溶接幅は直線的に減少しますが、溶接高さはほとんど変化しません。
サーフェシング成形の場合、アーククレーターの崩壊は部品の成形精度に重大な影響を与えるため、回避するようにしてください。クレーターの崩壊の影響は、次の 3 つの方法で軽減できます。
1) 溶接時の入熱を減らす。過剰な入熱により溶接溶融高さが増加し、アーククレーター範囲が拡大し、最終的に溶接のアーククレーター崩壊が顕著になります。
2) ロボットの指示にクレーターを埋めるアクションを追加して、クレーターを埋めます。アークが閉じる瞬間に、ロボットを一定時間停止するように制御することで、アークピットを埋める効果が得られます。これは、MotoMan 命令に Timer ステートメントを追加することで実現できます。
3) 合理的な経路計画によりアークピットの影響を軽減します。クラッディングプロセス中に、パスプランニングを使用して、溶接のアーク開始点とアーク終了点を相互に補正し、アーク開始点とアーク終了点が部品形成に与える影響を軽減できます。さらに、アークが消える可能性のある溶接の両端で溶接ガンが長く留まるように、またはわずかなパスの重なりが生成されるようにパスを計画して、最終的に平らな表面が堆積されるようにすることもできます。

図3は、低炭素鋼ガスシールド溶接の通常の溶接部と、上記方法でプロセスを改善した後のシングルパス溶接部の成形効果の比較を示しています。上側の溶接部は、溶接電流173Aで成形したシングルパス溶接部であり、下側の溶接部は、アークピット充填作用を追加し、両端のパスが一致する条件で82Aの電流で成形した溶接部です。改善されたプロセス後の溶接形成は対称的であり、滑らかな表面が表面仕上げの形成に役立っていることがわかります。上記の規則は、アルミニウム合金のクラッディング溶接の形成にも適用されます。

2.2 表面形成実験 上記の成形法則実験から得られた肉盛成形に適した工程パラメータに基づいて、部品の肉盛成形実験を実施した。実験では、主に最適化プロセス後の被覆形成プロセス中にクレーター崩壊の問題があるかどうかをテストするために、ミサイル尾翼モデルを設計および準備しました。ガスシールド溶接によるQ235鋼板へのH08Mn2Si溶接ワイヤの表面処理のプロセスパラメータは、溶接電流80A、溶接速度6.67mm/s、ワイヤの伸び10〜15mm、シールドガス流量12L/分です。 DCリバースMIG溶接による6061アルミニウム合金板への5356溶接ワイヤの表面処理のプロセスパラメータは、溶接電流145A（ジェット遷移）、溶接速度16.67mm/s、ワイヤの伸び10〜15mm、シールドガス流量20L/分です。成形効果は図 4 に示されており、最適化されたプロセスによりアークピットの崩壊の問題を効果的に解決できることがわかります。図5は、低炭素鋼製品の肉盛溶接の全工程を示しています。各層が適切に形成されており、アーククレーターの崩壊による肉盛工程の不安定性がないことがわかります。
2.3 成形品の後処理実験 クラッディングにより形成された製品の表面は粗く、そのまま使用に供することが難しいため、クラッディング部品の後処理方法を検討する必要があります。この実験では、滑らかな表面を得るために、部品を電解加工によって後処理しました。使用した電解液は20% NaCl溶液であり、電圧20V、電流32A、デューティサイクル70%、カソードとワークピースのギャップ0.5mmで3分間電気分解を行った。処理後の最終製品の効果を図6に示します。電解処理後の部品の表面は滑らかで、使用要件を満たしていることがわかります。
2.4 成形品の微細構造と機械的特性の試験
2.4.1 微小硬度試験 低炭素鋼試験片を母材からクラッドの多パス溶接部まで、下から上に向かって0.5mm間隔で上部、中部、下部に分割し、マイクロビッカース硬さ試験を実施しました。結果を図7に示します。微小硬度の試験結果から、マトリックス Q235 の硬度は比較的低く、多層溶接部の硬度は比較的高く、一定の範囲内で変動していることがわかります。サンプルの上部 2 ～ 3 mm 付近では、針状のマルテンサイト構造により、サンプルの微小硬度が急激に増加します。

2.4.2 微細構造検査 低炭素鋼製品を縦断面に切断して金属組織試験片を作製し、その微細構造を図8に示す。低炭素鋼サンプルの内部構造は、上部の粗い柱状樹枝状結晶は溶接構造に似ており、中央の微細な等軸結晶は正規化構造に似ており、サンプル下部の溶接部と母材の接合部の混合構造の3種類に分けられます。 H08Mn2Si 溶接ワイヤは炭素当量が高いため、単パス溶接は針状マルテンサイトになります。単層マルチパス溶接プロセスでは、後続の溶接によって以前の溶接が再加熱され、焼き戻しと再結晶化が起こり、焼き戻し処理後と同様の細粒構造になります。
結論は
1) クラッド形成中のアーククレーター崩壊の問題は、入熱量の低減、アーククレーター充填作用の追加、溶接パスの重複などの最適化されたプロセス対策を採用することで十分に解決されました。実験中、肉盛溶接の各層は基本的に安定していることが保証され、低炭素鋼およびアルミニウム合金製品の肉盛積層造形を実現できます。

2) 部品モデリング→表面形成→電解加工という、表面形成積層造形のための完全な一連のプロセス方法が提案されています。最終完成部品は表面が滑らかで、使用要件を満たしています。
3) クラッディングにより形成された製品は緻密な組織と均一な硬度分布を有し、冶金電極ガスシールド溶接法の堆積効率が高いため、クラッディングは金属部品の効率的で低コストの積層製造方法である。

編集者: Antarctic Bear 著者: Zhang Yu (南京航空航天大学材料科学技術学院)、Wang Shilong (Capital Aerospace Machinery Company)、Luo Zhen、Ao Sansan (天津大学材料科学工学学院)

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