1.一种大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:其包括增材制造单元、温度控制单元、包络剪切轧制单元、在线热处理单元、表面清理单元、托辊架、轧制变位单元以及弧形架退出单元;增材制造单元设置在待修复轧辊上侧,包络剪切轧制单元设置在工作台第一侧,温度控制单元与包络剪切轧制单元相邻设置,在线热处理单元设置在工作台第二侧,表面清理单元与在线热处理单元相邻设置;增材制造单元包括X方向位移组件、Y方向位移组件、Z方向位移组件以及增材组件;增材组件通过X方向位移组件、Y方向位移组件或Z方向位移组件分别进行X方向、Y方向或Z方向的移动;包络剪切轧制单元包括弧形架、滑轨、限位器和N个沿圆周方向分布的包络剪切轧制组件;包络剪切轧制组件安装在滑轨上,包络剪切轧制组件通过滚轮导向并通过限位器进行位置固定;包络剪切轧制组件包括轧制机构、偏转变更机构、辗轧变更机构和位置变更机构;轧制机构设置有包络轧辊,包络轧辊与待修复轧辊之间的偏转角α由偏转变更机构调节;包络轧辊与待修复轧辊之间的辗轧角β由辗轧变更机构调节,包络轧辊与待修复轧辊之间的距离由位置变更机构调节;
N个沿圆周方向分布的包络剪切轧制组件的包络轧辊与待修复轧辊之间的距离依次逐渐减小:;
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其中, 为第n道次覆层金属压下量; 为第n‑1个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离; 为第i个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离; 为第n个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离,即覆层金属目标厚度, 为初始覆层金属的厚度;
覆层金属经过n道次轧制,每一道次的轧辊轮廓部分覆盖目标形状,多道次叠加形成完整轮廓。
2.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:N个沿圆周方向分布的包络剪切轧制组件的包络轧辊彼此之间的距离能够调节并进行等间距或变间距布置。
3.根据权利要求2所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:通过包络剪切轧制组件的滚轮在滑轨上滑动调整第i个和第i+1个包络轧辊之间的圆心角γ,从而调整相邻包络轧辊之间的距离。
4.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:温度控制单元包括感应加热模块以及第一测温模块;在线热处理单元包括加热模块、冷却模块以及第二测温模块。
5.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:包络轧辊与待修复轧辊之间具有辗轧角时,第i个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离 的计算公式为:;
其中, 为第i个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离, 和 分别为辗轧时包络轧辊和待修复轧辊之间的最大距离和最小距离。
6.根据权利要求5所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:包络轧辊与待修复轧辊之间的偏转角为α,|α|≤30°;包络轧辊与待修复轧辊之间的辗轧角为β,|β|≤30°;包络轧辊与待修复轧辊之间的偏转角和辗轧角分别根据下式确定:;
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其中, 为包络轧辊偏转后与覆层金属的接触线宽度;为覆层金属宽度即包络轧辊未偏转时两者的接触线宽度;为包络轧辊长度。
7.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:大型轧辊增材轧制的成形极限载荷根据峰值应力和动态接触面积确定,轧制力理论计算模型如以下公式所示:;
其中,F为轧制力,单位为N; 为平均单位压力,单位为MPa;S为接触面积,单位为mm²;
平均单位压力 求解公式为:
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其中, 及 分别为材料入口及出口处覆层材料变形抗力,与温度T和应变速率 相关,采用Arrhenius本构方程计算;
接触弧长 求解公式为:
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其中,R为待修复轧辊半径;r为包络轧辊半径; 为包络剪切轧制前厚度, 为包络剪切轧制后增材厚度;
接触面积S求解公式为:
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其中,b为单道次增材宽度。
8.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:包络轧辊的中间构型段的外表面具有空间构型。
9.根据权利要求1所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备,其特征在于:轧制变位单元设置在弧形架底部,通过轧制变位单元中的丝杆驱动弧形架在滑轨上水平移动实现包络轧辊的轴向位置调整。
10.一种大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型方法,所述方法基于权利要求1‑9任一所述的大型复合轧辊包络剪切轧制增材成型设备实现,其特征在于:所述方法包括以下步骤:S1、轧前准备:拉动弧形架使弧形架退出轧制区域,将待修复轧辊移入修复区域,再将弧形架推回轧制区域并进行位置固定;通过包络剪切轧制单元上的滑轨,调整包络剪切轧制组件位置并用限位器固定;调整轧制变位单元和增材制造单元使两者位于同一修复平面;
S2、增材制造:覆层金属在热源作用下熔化为液态金属液滴,熔覆在待修复轧辊表面;
S3、轧前加热:第一测温模块实时检测熔覆金属的温度,感应加热模块对熔覆金属进行加热,达到温度T1;
S4、包络轧制:调整包络剪切轧制组件中的偏转变更机构和辗轧变更机构,使包络轧辊具有不同的偏转角和辗轧角,实现包络剪切轧制;通过位置变更机构调整包络轧辊与待修复轧辊之间的距离,并使N个包络轧辊与待修复轧辊之间的距离呈减小趋势;
S5、在线热处理:第二测温模块实时监测轧制后金属温度T2,若温度低于目标轧制温度,加热模块通过感应加热升温;若温度高于目标轧制温度,冷却模块通过喷嘴喷出冷却介质降温;
S6、表面清理:利用激光束照射工件表面焊渣使焊渣破碎脱落;
S7、连续近终成形:重复步骤S1‑S6,继续在预设路径上熔覆,完成近终成形,熔覆过程中调整Z方向位移组件,使焊枪与熔覆金属之间保持预设高度,增材修复待修复轧辊时在径向方向上每层覆层金属高度为 ,修复P圈后高度 ;
S8、轧辊退出:轧辊修复完成后,将弧形架拉出,并将修复完成后的待修复轧辊移出。