基于快速成型技術(shù)的數(shù)控機(jī)械制造措施

摘 要：作為制作領(lǐng)域的最新研究成果，快速成型技術(shù)是及分層制造技術(shù)、材料科學(xué)、CAD等為一體的制作技術(shù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，數(shù)控機(jī)械制造也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。數(shù)控機(jī)械制造中引入快速成型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工程師設(shè)計(jì)思想向零件的轉(zhuǎn)化，有利于縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低數(shù)控機(jī)械制造成本，為數(shù)控機(jī)械制造提供了必要的技術(shù)支持。研究介紹了快速成型技術(shù)原理及特點(diǎn)、工藝流程，并提出了快速成型技術(shù)下數(shù)控機(jī)械制造措施，以期為相關(guān)行業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù);數(shù)控機(jī)械制造;CAD;分層實(shí)體制造;措施

快速成型技術(shù)最早興起于20世紀(jì)80年代，其作為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)構(gòu)想或方案直接、快速通過模型的構(gòu)建、切片處理等，轉(zhuǎn)變?yōu)榱慵停踔林苯又谱鞒蔀榱慵?，具有高效、低成本等?yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)制造方法的改進(jìn)與升級(jí)。近年來數(shù)控機(jī)械制造生產(chǎn)力水平得到了一定的提升，但也存在產(chǎn)品生產(chǎn)效率低、耗時(shí)長、費(fèi)用高等問題[1]。在快速成型技術(shù)支持下，數(shù)控機(jī)械制造應(yīng)抓住發(fā)展機(jī)遇，積極進(jìn)行創(chuàng)新改革，注重對(duì)快速成型技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化機(jī)械制造技術(shù)工藝及措施，提升機(jī)械制造整體效率及產(chǎn)品質(zhì)量，這不僅是數(shù)控機(jī)械制造發(fā)展的內(nèi)部要求，同時(shí)也是提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)多元化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.快速成型技術(shù)相關(guān)概述

1.1快速成型技術(shù)原理

作為國際新型技術(shù)，快速成型技術(shù)主要核心內(nèi)容為計(jì)算機(jī)與材料，該方法也是當(dāng)前獲取數(shù)據(jù)模型最常用的方法。隨著反向工程技術(shù)的發(fā)展，反求所得到的模型精度越來越高，且方法簡(jiǎn)便、快速，應(yīng)用反向工程反求模型具有較高的可行性。快速成型技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械加工方法，根據(jù)CAD技術(shù)生成零件的幾何信息，然后在三維數(shù)控成型系統(tǒng)下，采用激光束對(duì)材料進(jìn)行堆積形成零件。利用快速成型技術(shù)制作零件耗費(fèi)時(shí)間短，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模具及工具等的精細(xì)化制造。在具體操作環(huán)節(jié)，僅需要借助計(jì)算機(jī)將相應(yīng)參數(shù)輸入后，在設(shè)備中加入材料，生成零件[2]。快速成型技術(shù)的應(yīng)用一方面能夠促進(jìn)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的提升，另一方面有利于提升制造柔性。常見快速成型技術(shù)包括立體平板印刷法、激光分層燒結(jié)及熔化堆積法等，各具特色，工藝流程基本一致，為數(shù)控機(jī)械制造提供了技術(shù)支持。

快速成型技術(shù)除在制造思想及方法方面有一定的創(chuàng)新與改進(jìn)外，還實(shí)現(xiàn)了零件制作質(zhì)量、尺寸及速度等方面的重大突破。利用激光、新材料等進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要采用的是離散-堆積原理，其流程如圖1所示。先采用具有較高性能的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)零件模型或三維曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過模型轉(zhuǎn)化，采用STL的格式輸出，結(jié)合工藝實(shí)際需求對(duì)厚度進(jìn)行設(shè)定，選擇Z軸或其他方向切片分層CAD模型，確保二維平面信息在每個(gè)截面層都能夠得到顯示。在工藝處理環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合從層面信息對(duì)加工參數(shù)作出相應(yīng)的選擇。系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成刀具移動(dòng)軌跡與數(shù)控加工的代碼，經(jīng)過對(duì)加工過程的仿真能夠防止代碼錯(cuò)誤[3]。數(shù)控裝置可輔助精確運(yùn)動(dòng)，選擇輪廓掃描將設(shè)計(jì)的截面形狀進(jìn)行加工，并將成型材料正確鋪設(shè)，最終將零件加工完成。

1.2快速成型技術(shù)特點(diǎn)

快速成型技術(shù)在提升技術(shù)應(yīng)用柔性方面有著突出的效果，能夠提升技術(shù)操作平臺(tái)的合理性與可行性，使得數(shù)控機(jī)械制造生產(chǎn)流程更加合理、規(guī)范，其主要特點(diǎn)如下：

（1）具有高度集成化?？焖俪尚图夹g(shù)使得數(shù)控機(jī)械制造集成化得到提升，三維模型通常要求在切片之前進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及激光技術(shù)等能夠?qū)崿F(xiàn)離散運(yùn)算分析，完成三維模型及復(fù)雜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。由于三維模型一般都是由大量不規(guī)則的自由曲面構(gòu)成，直接對(duì)三維模型進(jìn)行切片的技術(shù)受制于技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，目前還主要依靠各種三維造型軟件內(nèi)核的強(qiáng)大處理功能，因而普適性較差[4]。常用的方法是把它轉(zhuǎn)換為STL格式。它是用一系列小三角面來逼近自由曲面。每個(gè)三角形曲面由三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和三個(gè)右手螺旋頂點(diǎn)組成。STL格式文件表達(dá)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，幾乎為三維造型軟件所支持，已經(jīng)成為快速成型的實(shí)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠保障零件曲面與實(shí)體造型的規(guī)范性。不僅如此，快速成型技術(shù)采用二維掃描，具有較高的精確度，借助激光器件、功率控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)固化、燒結(jié)及切割，達(dá)到所需要的效果。

（2）具有快速響應(yīng)效率。CAD設(shè)計(jì)工序維持原型處理，能夠提升綜合利用水平。進(jìn)行幾小時(shí)或幾十小時(shí)處理工序，能夠促進(jìn)開發(fā)效率的提升，使得零件效果得到較好的維持。需要注意的是在切層板選擇方面，要考慮成型效率和成型精度的因素。分層的高度直接影響物體的成型效率和精度，是快速成型的重要參數(shù)之一，需要仔細(xì)確定。層次化的大小根據(jù)零件成形精度和生產(chǎn)效率的要求而定。

（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造一體化。成型精度和加工效率需要考慮對(duì)象的成型方向。單一對(duì)象的成形方向往往一目了然，而復(fù)雜物體的成形方向的選擇需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確的計(jì)算，如果放置方向不好，很容易打印失敗?？焖俪尚图夹g(shù)可獲得較快的處理機(jī)制與模塊，柔性技術(shù)操作水平高，有利于促進(jìn)操作模塊總體應(yīng)用效率的提升。

2.快速成型技術(shù)的工藝流程

如圖2所示，為快速成型技術(shù)工藝流程，與傳統(tǒng)加工方法有所不同，快速成型技術(shù)加工方法為“增長法”，一方面能夠?qū)?fù)雜三維模型向二維模型組合轉(zhuǎn)化，另一方面其應(yīng)用新型技術(shù)交叉學(xué)科，逐層進(jìn)行增料，不僅耗費(fèi)時(shí)間短，而且成本低，具有鮮明的優(yōu)勢(shì)。隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于模具制造過程中[5]。該技術(shù)可以進(jìn)行新產(chǎn)品的快速試制，制作周期僅為傳統(tǒng)技術(shù)的1/4左右，可以有效提升模具制造的一次成功率。該技術(shù)是將模具的概念設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝在CAD系統(tǒng)能進(jìn)行綜合，利用計(jì)算機(jī)的模擬分析形成新型的模具設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，無需數(shù)控切削加工就可以制造出復(fù)雜的曲面等結(jié)構(gòu)，有利于提高模具的制造柔性和質(zhì)量。

3.快速成型技術(shù)下數(shù)控機(jī)械制造措施

3.1發(fā)展全新RP材料

數(shù)控機(jī)械制造工藝對(duì)金屬材料有著較高的要求，不僅要與快速成型加工出型特點(diǎn)相符，而且在材料方面要滿足硬度、強(qiáng)度及耐度等方面的要求，能夠便于快速制膜后續(xù)處理，但同時(shí)符合上述要求的材料收集存在一定的難度，進(jìn)購困難，因此尋找一種全新的合成材料，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，并挖掘能夠促進(jìn)金屬材料快速成型的材料尤為重要。在快速成型技術(shù)下，應(yīng)注重全身RP材料如納米材料、非均質(zhì)材料及其他難以制造材料的發(fā)展。數(shù)控機(jī)械制造企業(yè)在開發(fā)新型RP材料時(shí)，應(yīng)對(duì)RP材料有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)與把握，掌握材料合成的原理及運(yùn)行過程，統(tǒng)一整合并優(yōu)化RP材料運(yùn)行方法，利用快速成型技術(shù)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率、運(yùn)行能力等方面進(jìn)行不斷完善與改進(jìn)，提升金屬材料合成進(jìn)度[6]。其次，針對(duì)金屬材料快速成型技術(shù)應(yīng)結(jié)合工藝流程對(duì)計(jì)劃作出相應(yīng)的調(diào)整，提升其精度。針對(duì)企業(yè)內(nèi)部金屬材料快速成型技術(shù)應(yīng)不斷改進(jìn)探索，由專門的監(jiān)督部門進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，組建專門的技術(shù)研發(fā)小組，開發(fā)具有較高性能的合成軟件。另外在快速成型技術(shù)支持下，應(yīng)注重多種技術(shù)的融合發(fā)展，采用不同技術(shù)相結(jié)合的方法促進(jìn)金屬材料測(cè)量精度的提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)合成材料成型技術(shù)水平落后問題的結(jié)局。

3.2開發(fā)新的膜片方法

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)械制造企業(yè)多采用STL文件格式實(shí)現(xiàn)向材料合成方法的轉(zhuǎn)換，近年來，該方法的不足逐漸暴露，無法滿足機(jī)械制造工藝金屬材料合成的需求，因此尋求新型金屬材料合成方法尤為重要。由專業(yè)技術(shù)研發(fā)部門復(fù)雜研究快速成型技術(shù)制造工藝，引入新的模型切片方法，目前流行的曲面切片法、直接切片法等均能夠打破傳統(tǒng)STL轉(zhuǎn)變技術(shù)的不足，能夠針對(duì)CAD模型實(shí)施直接切片處理[7]。另外借助反求工程獲得的逐層切片數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒖焖俪尚拖到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)，降低三角面產(chǎn)生的誤差。如在金屬材料合成工藝中，可以采用特征模型直接切片法，其所用軟件為PowerSHAPE造型軟件，能夠獲得截面輪廓，并將其分為線段、圓弧及自由曲線等不同類型，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)SRL文件格式轉(zhuǎn)換方法不足的同時(shí)，促進(jìn)了金屬材料快速成型精度的提升。

3.3引入分層實(shí)體制造技術(shù)

3.3.1切削層片輪廓傾斜遵循誤差最小原則

分層實(shí)體制造在對(duì)材料進(jìn)行切割時(shí)主要依據(jù)的是造型零件曲面分層相關(guān)信息，然后堆積、重疊獲得的層片，借助適當(dāng)連接技術(shù)形成一個(gè)三維實(shí)體，每一分層板及造型曲面間臺(tái)階會(huì)形成不同程度的加工誤差與殘留。在傾斜切削操作時(shí)遵循誤差最小原則能夠減少加工誤差。如一個(gè)半球曲面，其曲率半徑、分層厚度分別為100mm、1mm，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)其最大誤差為0.992mm，利用新型分層實(shí)體制造方法其最大誤差為0.124mm。按照傾斜切削能夠最大程度上降低加工誤差，將板材厚度適當(dāng)提高，能夠在確保精度的基礎(chǔ)上達(dá)到厚度滿意。以1mm金屬板為例，應(yīng)用傾斜切削對(duì)厚度為0.1mm的金屬板進(jìn)行處理，所產(chǎn)生的誤差明顯較小，提示零件疊加層數(shù)降低，一方面能夠促進(jìn)加工效率的提升，另一方面可減少連接面，使得零件強(qiáng)度、剛度得到了保障，有利于功能零件的精準(zhǔn)制造。

3.3.2輪廓切削引入數(shù)控機(jī)床與金屬刀具

作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，RP/M由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜形狀三維零件的快速制造。在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)支持下，CNC利用數(shù)字化信號(hào)能夠?qū)α慵尚瓦^程予以控制，并按照計(jì)劃執(zhí)行，常見方法為SLS、FDM等，通常需要將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)維數(shù)控制在2.5，因此選擇2.5軸以上聯(lián)動(dòng)功能CNC機(jī)床，進(jìn)而控制快速成型動(dòng)作[8]?？刹捎肅NC機(jī)床對(duì)RP/M系統(tǒng)多數(shù)功能進(jìn)行替代，一方面可減少成本，另一方面能夠降低RP/M開發(fā)難度。

3.3.3層板連接采用真空固態(tài)壓力熱擴(kuò)散焊接

作為新型連接工藝，真空固態(tài)壓力熱擴(kuò)散焊接（熱擴(kuò)散焊）具有較好的穩(wěn)定性，在維持金屬原有物理與化學(xué)性能的同時(shí)，不需要進(jìn)行填料，通過一次性裝卡整體焊接能夠促進(jìn)加工效率及連接強(qiáng)度的提升。熱擴(kuò)散焊條件為高溫、高壓，被焊零件結(jié)合面存在聚結(jié)現(xiàn)象，并與原子間相互擴(kuò)散，在具體機(jī)械制造工藝中，應(yīng)明確焊接對(duì)金屬板尺寸的影響，掌握焊接溫度、壓力，通過不同的焊接試驗(yàn)明確技術(shù)指標(biāo)，提升制作效率。

結(jié)束語

快速成型技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的產(chǎn)物，其在為數(shù)控機(jī)械制造提供技術(shù)支持的同時(shí)，縮短了數(shù)控機(jī)械制造的研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，具有鮮明的優(yōu)勢(shì)。在多元市場(chǎng)背景下，數(shù)控機(jī)械制造引入快速成型技術(shù)有利于提升產(chǎn)品精細(xì)度及產(chǎn)品產(chǎn)量。但目前我國快速成型技術(shù)更多有賴于國外進(jìn)口，缺乏自主研發(fā)，使用受到了一定的限制。因此需要不斷開發(fā)新材料與新工藝，進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)械制造精度及效率，為數(shù)控機(jī)械行業(yè)發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。

參考文獻(xiàn)

[1] 李書明. 基于機(jī)械制造工藝的金屬材料快速成型技術(shù)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（16）：42-43.

[2] DK R Robinson， Lagnau A ， Boon W . Innovation pathways in additive manufacturing： Methods for tracing emerging and branching paths from rapid prototyping to alternative applications[J]. Technological Forecasting and Social Change， 2018，12（14）： 146.

[3] 葉衛(wèi)文. 快速成型技術(shù)在集成制造及數(shù)控機(jī)械制造中的應(yīng)用探究[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2019，50（22）：173.

[4] 劉雯. 淺談逆向工程與快速成型技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用——評(píng)《逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用》[J]. 材料保護(hù)，2020，53（4）：175.

[5] 宗學(xué)文，熊聰，張斌，等. 基于快速成型技術(shù)制造復(fù)雜金屬件的研究綜述[J]. 熱加工工藝，2019，48（1）：5-9，13.

作者簡(jiǎn)介：車博亞（1991-8），男，漢族 甘肅蘭州人，職稱學(xué)歷：初級(jí)，碩士。研究方向：機(jī)械制造。