消减快速成形工艺研究

仇薪凯(天津机电职业技术学院,天津 300130)

消减快速成形工艺研究

仇薪凯(天津机电职业技术学院,天津 300130)

本章将通过提出的新工艺规划算法及快速原形方法,利用加工步骤最佳化来减少加工时间,从而提高快速成型的性能。这种新的工艺规划首先需要改进以前的工艺规划方法,不但考虑到当前RP方法的约束和局限性,而且提供了对每个步骤中包含参数的更好的分析,提出来的新指标将对工艺规划进行评估和提供更多的有效的解决方法。

消减快速成型 工艺研究

利用当前数控快速成型工艺的多种功能来改进新的工艺规划算法,对当前可见性程序分析方法进行讨论并提出一种避免产生薄腹板的方法。

1 当前可见性分析

对可见性进行分析,确定所需的精加工定向集,此加工方向集指可对旋转轴可见的任何工件进行加工。通过可见性程序程序确定加工方向对加工完成零件整体的必要性。传统的可见性程序确定了三个加工方向。第一和第二个加工方向在0度和45度(加工型腔部分),第三个加工方向在261度(加工示例部分的底部凹口和左侧半圆)。

2 薄腹板问题

在零件最初的几个加工步骤中,大部分的毛坯(圆钢材)尚未加工。对于没有人为输入因素的计算机规划算法来说,最合乎逻辑的加工方向是从工件的几何方向上的两对侧(0度和180度)加工,然后从每个方向加工工件深度直到旋转轴尺寸。如果仅仅从工件的一侧加工会将大量的材料留在工件的另一侧导致材料变形或工件无法支撑定位而导致无法顺利加工,然而从之前加工方向的180度加工就会引起薄腹板问题。

在加工完第一个加工方向后,第二个加工方向从工件的另一侧开始加工。当端铣刀加工原料的最后一层时,由于最后一侧已经很薄所以加工刀具不会产生金属屑,当端铣刀的下端接近毛坯料的中心时,一个与毛坯料直径同宽的薄腹板就开始出现。当加工薄腹板时,这个薄层还会包裹住刀具,随着加工的继续进行,刀具还有可能会因为包裹在刀具外的金属薄层导致无法产生足够的切削力而损坏。因此,数控快速成形工艺过程若想能安全完成粗加工就应该避免产生薄腹板。

因此,为了避免加工去除大量毛坯料材料时薄腹板的出现,我们用到三个初步角度,这样精加工才能去除粗加工不能去除的材料。如果由可见性程序给出的精加工角度尺寸值不能够避免切削时薄腹板的出现,那么必须在粗加工时增加粗加工定向来满足消除薄腹板出现的可能。

原始的试切法用0度,135度和225度,在本文的改进方法中这三个角度中的两个角被允许在120度到150度之间调整。灰色阴影区域所示的定向范围大约在135度到225度之间。给定一个0度角,另外两个角分别从阴影区域内选择,这样就满足了薄腹板回避准则。

图1 :避免薄腹板方法Figure 1: Illustration of adjusted thin web avoidance method

3 避免薄腹板产生的新的方法

本文提出了一种新的避免薄腹板产生的方法。在这个新的方法中,给可见性程序设定一个叫做“初始角”的输入参数。这种新方法的目的是产生更多的服从薄腹板回避约束并能完整地加工工件的加工方向集。

如图1所示给出的例子中,给出的可见性程序的三个加工方向角度分别为0度,45度和261度;然而,如果将最初的加工方向角定在270度,并输入到可见性程序中,则加工方向集为{0°,130°,270°｝。图2说明当最初角度是270度时,三个加工方向上的操作。

这个算法最初的解决方案是来自可见性加工中的贪婪法。贪婪算法(Greedy algorithm)是一种对某些求最优解问题的更简单、更迅速的设计技术。假设每个加工表面都能被连续地去除材料,那么后续的每个角度都能满足大多数表面。本文的假设是给出初始角度后做大量的穷举搜索,这样可能会选出一组角度,这组角度最好也能满足避免出现薄腹板。

这种为可见性程序提供初始角度的新方法是一种改进。因为它扩大了提出加工方向解决方案的可能性,因此避免了寻找局限最佳解决方案的风险。在加工中零件的几何形状可以有很大的不同,这个设定对于快速成形工艺有特别重要的意义。当然,在一个快速成型过程中设计者往往为测试提出更详细和具体的零件几何形状,因此,关于能够减少搜索空间的任何的零件几何形状假设都可能非最优解。

图2:在0°、130°、270°三个方向上的加工Figure 2: Example part at three machining orientations(a) 0°, (b) 130°, and (c) 270°