基于分層制造思路下的數(shù)控加工復(fù)合高速成形思路研究

摘要：為彌補(bǔ)現(xiàn)有分層制造技術(shù)在精度、尺寸、材料方面的缺陷與限制，同樣為了克服傳統(tǒng)數(shù)控加工技術(shù)在制造形狀復(fù)雜、固定性較差的工件方面存在的問題，將數(shù)控加工技術(shù)與分層制造思路有效結(jié)合起來，形成復(fù)合高速成形工藝。本文首先概述了基于分層制造思路下的數(shù)控加工復(fù)合高速成形思路，然后為驗(yàn)證其可靠性，進(jìn)行了成形實(shí)驗(yàn)研究，旨在探討將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于工件制造中的具體優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：分層制造；數(shù)控加工；復(fù)合；高速成形；技術(shù)

目前在工件制造中常用的分層制造技術(shù)能夠在無工裝準(zhǔn)備的前提下，直接將模型制造成復(fù)雜的三維實(shí)體。但同樣有其材料品種有限、零件制造尺寸大小一定、工件表層質(zhì)量較差、整體精度較低等劣勢。相較而言，傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)雖然在制造品種、尺寸、質(zhì)量、精度方面有其一定的優(yōu)勢，但在制造工件的形狀結(jié)構(gòu)、固定性方面同樣有其缺陷。導(dǎo)致兩種不同的技術(shù)在快速制造領(lǐng)域的應(yīng)用均受到了不同程度的制約?；诖耍疚囊苑謱又圃熳鳛樗悸?，在快速工件制造中將兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢有效結(jié)合起來，開發(fā)了新型的復(fù)合高速成形技術(shù)。

1.復(fù)合高速成形工藝介紹

最近幾年來，在制造領(lǐng)域，為提高所制造工件的精度，大量工藝被引入銑削加工程序。由于銑削基本工藝依然是采取疊加、二維成形等傳統(tǒng)方式，僅僅在保障工件表面光滑與完整方面起到輔助作用，因此，根本無法達(dá)到提高制造精度的目的。而早期外國研究者所報(bào)道的基于不同工位的、以工件表面形狀作為切入調(diào)整思路的金屬絲切削處理工具復(fù)合成形技術(shù)，在對內(nèi)腔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的制造工件處理方面較難體現(xiàn)其效果。當(dāng)前所推廣的分層制造方法主要是遵照二維理念的制造方法，在精度與厚度提升方面僅能選其一，不能達(dá)到雙向作用的目的。而基于分層制造思路下的數(shù)控加工復(fù)合高速成形技術(shù)屬于三維層的制造方案，它將疊加的三維層作為其原型，將所有待制造的工件分為厚度相當(dāng)?shù)娜S層，通過銑削加工、材料處理等程序制造出工件模型。同時(shí)為提升刀具對形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)的接近率，有效降低所分設(shè)的層次，可將三維層簡要概括為從工件雙面實(shí)施正反兩次銑削加工后所成形的形狀表現(xiàn)。

為使其成為現(xiàn)實(shí)，體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。本研究將六軸并聯(lián)機(jī)床作為加工開發(fā)的中介，通過將板材翻轉(zhuǎn)及移送設(shè)施添加于機(jī)床中的方式來構(gòu)建聯(lián)合分層制造與數(shù)控加工的復(fù)合高速成形系統(tǒng)。該機(jī)床能夠通過一次裝夾操作同時(shí)實(shí)現(xiàn)五個(gè)不同面的機(jī)床加工，具備較強(qiáng)的柔性特征。此復(fù)合高速成形系統(tǒng)主要由并聯(lián)機(jī)床、A、B兩個(gè)工作臺、板材等部分構(gòu)成，B工作臺主要用于正面及疊層作業(yè)的加工，而A工作臺則主要起到反面加工的作用。為實(shí)現(xiàn)加工操作，首先需將板材裝置夾裝于A工作臺上，然后以并聯(lián)機(jī)床與A工作臺的軌跡作為途徑實(shí)現(xiàn)反面加工，完成加工操作后，沿過渡線回歸于初始位置，而后將板材置于B工作臺進(jìn)行正面加工，將并聯(lián)機(jī)床與B工作臺的軌跡線路作為運(yùn)作軌跡路線，加工完畢后通過過渡線回歸原位。一般工件原型的制造工程主要為加工后翻轉(zhuǎn)與疊加，然后進(jìn)行正面加工，如此往復(fù)交替處理，直到制造出具體模型。整個(gè)工藝具體分為三個(gè)流程，首先將模型分為不同的三維層，設(shè)置對應(yīng)的水平支撐。其次，對加工面進(jìn)行加工，最后對模型實(shí)施六軸處理，解除其支撐。

2.基于分層制造思路下加工工件的固定處理

在對加工工件實(shí)施疊層操作與正面加工時(shí)，首先需要將工件的第一層板材固定于B工作臺面上，剩余層板材則將其粘貼于下一部分板材上。同時(shí)為了達(dá)到固定第一層的目的，對三維分層處理所生成的第一層的模型部分，匹配對應(yīng)的水平支撐范圍。以便在銑削工藝完畢后，板材的外部部分與工件加工形成的范圍能夠起到固定支撐作用。在對工件反面進(jìn)行加工時(shí)，則需應(yīng)用夾具將其固定于A工作臺便可。此外，為防止少部分加工成形的工件與板材的外壁部分產(chǎn)生分離現(xiàn)象，同樣還需設(shè)置水平支撐層，避免加工部分脫落。

3.基于分層制造思路下加工工件分層處理及實(shí)踐

在復(fù)合高速成形工藝中，對模型的分層制造處理屬于其中較為關(guān)鍵的部分，必須保障工件的各層能夠在既定加工條件下完成切削處理。因此，在進(jìn)行分層時(shí)需要考慮不同的因素。第一，切削道具的接近性，確保所分層面至少能有一個(gè)對應(yīng)方向能保持與刀具接近。第二，保障層厚不會超過刀具所切削的深淺程度與板材的厚度。第三，盡最大可能縮減分層的個(gè)數(shù)，以便降低切削所需時(shí)間。第四，每層所配置最佳切削量，以少為準(zhǔn)，旨在縮短切削工藝時(shí)間。

為探討復(fù)合高速成形思路在高速制造應(yīng)用中的可行性，本研究將造型材料設(shè)定為化學(xué)木材，將有其復(fù)雜曲面特征的汽車把手作為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)施了原型的制造探究。并按照早期研究者所報(bào)道的方案生成了數(shù)控加工軌跡，建立了汽車把手的CAD模型。對比制造前后，水平支撐去除前后，與最終制造成形的汽車把手，制造精度高達(dá)0.05mm，完成所有制造程序僅耗時(shí)5h。

4.結(jié)束語

在對基于分層制造思路下的數(shù)控加工復(fù)合高速成形技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究后，證實(shí)此項(xiàng)技術(shù)充分體現(xiàn)了分層制造與數(shù)控加工的不同優(yōu)勢，是通過兩者取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)所形成的復(fù)合成形高速技術(shù)。且實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果表明，此種復(fù)合高速成形技術(shù)能夠從基本CAD模型中較為簡單、直接地制造出形狀、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模具，且無需夾具等專業(yè)化固定工具，可選擇的材料范圍比較廣，所制造的產(chǎn)品尺寸不會受到限制，耗時(shí)短、效率高，且精度較高，值得在高速制造領(lǐng)域推廣。

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作者姓名：程勝文 （1969.9-）男， 漢， 籍貫：湖北孝感 學(xué)歷：碩士研究生 職稱：副教授 研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及相關(guān)專業(yè)教學(xué)研究。