数控复合成型工艺的创新与探究

　　现行的分层制造技术在不需要工装/夹具的情况下，能够直接从CAD模型快速地制造出任意复杂形状的三维实体原型，但也存在着可选用材料种类有限、可制造零件尺寸小、表面质量差、精度低等问题。而数控加工作为制造各种原型的非常有效的传统方法，比现行的分层制造技术具有可选用材料种类多、可制造零件尺寸大、表面质量好、精度高等优点，但也存在着可直接加工制造的形状结构有限、被加工工件需用夹具固定等问题。这就使得上述两种技术在快速原型制造领域的应用受到不同程度的。针对上述问题，本文把分层制造和数控加工的优势有机地结合起来，研究开发了基于三维层（3Dlayer）的复合快速成形技术。文中着重讨论了材料堆积成形与去除成形交替并行的复合成形工艺、三维层的生成方法和通过设置水平支撑快速固定被加工工件的方法。1复合快速成形技术1.1复合成形工艺研究复合成快速成形技术的关键问题是如何把分层制造和数控加工有机地结合起来，利用各自的优势取长补短，从而最大限度地提高成形效率。近年来，有一些在SLS、SLA、LOM、FDM等工艺中引入铣削加工，旨在提高制造精度的研究。但由于把铣削加工仅仅当作辅助的表面光整手段，其基本工艺仍然是“薄层叠加扇形冷冲模零件毕业设计，二维成形”方式，所以也就不可能根本上克服上述缺点。Broek和Lee研究开发了在不同的加工根据原型表面形状可调节形状的金属丝为切削工具的复合成形工艺，但难于制造具有复杂内腔结构或具有孔、槽等加工特征的原型。现行的分层制造，其实质是一种基于二维层（2Dlayer）的制造方法，即原型的形状是由各个二维层叠加而得到。因而若要提高成形精度，就必须减小层的厚度，然而层的厚度减小，效率就会降低。本文根据数控加工和分层制造的特点，充分利用数控加工的优势，研究开发了基于三维层的分层制造方法。它以叠加三维层的方式制造原型，即把所要制造的原型尽可能地分成大厚度的三维层、对各层进行三维铣削加工、通过材料堆积与去除交替并行而反复的过程，最终制造出原型。为有效地减少层的个数，同时提高刀具对复杂形状结构的接近性（accessibility），本工艺把三维层定义为最多从正/反两面进行两次三轴铣削加工而能够成形的形状。中，（a）、（b）、（c）均为满足本工艺要求的三维层，其中（a）为从正/反两面进行两次三轴铣削加工可成形的形状；（b）为从进行一次三轴铣削加工可成形的形状；（c）为从正面进行一次三轴铣削加工可成形的形状；而（d）为不符合本工艺要求的形状，它的一些表面刀具无法接近，需要对其进行分层处理。为实现该工艺，本研究以六轴并联机床为加工平台，增设如所示的板材移送/翻转装置建立了复合快速原型制造系统。该并联机床是在一次装夹下能够同时加工五个面的六轴机床，具有较高的柔性。在系统中，A工作台用于加工，B工作台用于叠层作业和正面加工。对于如（a）所示的三维层，先把板材装夹在A工作台上，A工作台沿着轨迹1移到并联机床进行加工；通过加工完成轮廓过度线（silhouettecurve）以下部分的形状后，A工作台沿着轨迹1回到原位，再把板材翻转并粘贴在B工作台上。B工作台沿着轨迹2移到并联机床进行正面加工；通过正面加工完成轮廓过渡线以上部分的形状后，B工作台沿着轨迹2回到原位。对于（b）层，把板材装夹在A工作台上并通过加工完成其形状后，将其翻转粘贴在B工作台的原型上即可，不需要正面加工。对于（c）层，可直接把板材粘贴在B工作台上并通过正面加工完成其形状而不需要加工。原型制作过程按照加工－翻转/叠加－正面加工的顺序交替并行地反复进行，直到最终制造出原型为止。整个工艺规划流程是，首先把原型的CAD模型分成若干个三维层，对需要固定的层设置水平支撑，然后生成正/反两面加工所需要的加工轨迹并进入实际成形加工过程，最后对成形的实体模型进行六轴后处理加工来去除水平支撑。1.2分层处理在复合成形工艺中，对CAD模型的分层处理是一个非常重要的环节，应各个层在给定的加工条件下能够被切削加工。分层时要考虑如下因素：（1）刀具的接近性，层的每一个表面至少应从正/反两个方向中的某一个方向能被刀具接近；（2）层的厚度，塑料开关底座模具设计。层的厚度不应超过刀具专业供应刀模）的可切削深度和现有板材的厚度；（3）层的个数，尽可能地减少层的个数，以缩短叠层时间；（4）切削量，分层要最少的切削量，以缩短切削时间。对CAD模型的分层处理可利用商用CAD软件或开发相应的专用分层软件来完成。1.3被加工工件的固定在B工作台进行正面加工和叠层作业时，需要把第一层板材固定在工作台上，而其他层板材由于粘贴在下一层板材上，所以不需要特别的固定措施。为了固定第一层，对分层处理生成的、第一层的CAD模型上，设置如所示的水平支撑。该水平支撑在铣削加工完成后，就能连接被加工成形的部分和板材的外壁，起到固定被加工工件的作用。所以只要在B工作台利用如所示的通用夹具把板材固定在工作台上即可冲压毕业设计，即便所要制造的形状很复杂，也无需使用专用夹具。在A工作台进行加工时，对于如所示的层，只要利用如通用夹具把板材固定在工作台上即可。但对于如（b）的层，由于其全部形状必须在A工作台上通过加工来成形，而在对板材进行加工后，已加工成形的部分和板材的外壁处于分离状态，因而必须设置水平支撑来连接已加工成形的部分和板材的外壁，以防止已加工成形的部分发生脱落现象。经加工后实际生成的水平支撑和装夹在工作台上的实际板材。设置的水平支撑经过板材翻转/粘贴在B工作台的原型上后，通过正面加工去除。2实验为验证该方法的可行性，本文以化学木材（chemicalwood）为造型材料、以复杂曲面组成的汽车手把为对象，进行了原型制作实验。实验中，以朱虎的方法生成了数控加工轨迹。该零件的CAD模型。（b）、（c）分别显示了水平支撑去除前、后的实际制作的汽车手把，其制造精度为0.05mm，整个制作过程大约需要5h.3结论本文研究开发了旨在利用分层制造和数控加工优势而取长补短的复合快速成形技术。实验表明，该技术能够从CAD模型直接制造出复杂的形状而不需要专用夹具，况且具有精度高、可选用材料种类多、可制造尺寸大、效率高等优点。