消減快速成形工藝研究

仇薪凱(天津機電職業技術學院,天津 300130)

消減快速成形工藝研究

仇薪凱(天津機電職業技術學院,天津 300130)

本章將通過提出的新工藝規劃算法及快速原形方法,利用加工步驟最佳化來減少加工時間,從而提高快速成型的性能。這種新的工藝規劃首先需要改進以前的工藝規劃方法,不但考慮到當前RP方法的約束和局限性,而且提供了對每個步驟中包含參數的更好的分析,提出來的新指標將對工藝規劃進行評估和提供更多的有效的解決方法。

消減快速成型 工藝研究

利用當前數控快速成型工藝的多種功能來改進新的工藝規劃算法,對當前可見性程序分析方法進行討論并提出一種避免產生薄腹板的方法。

1 當前可見性分析

對可見性進行分析,確定所需的精加工定向集,此加工方向集指可對旋轉軸可見的任何工件進行加工。通過可見性程序程序確定加工方向對加工完成零件整體的必要性。傳統的可見性程序確定了三個加工方向。第一和第二個加工方向在0度和45度(加工型腔部分),第三個加工方向在261度(加工示例部分的底部凹口和左側半圓)。

2 薄腹板問題

在零件最初的幾個加工步驟中,大部分的毛坯(圓鋼材)尚未加工。對于沒有人為輸入因素的計算機規劃算法來說,最合乎邏輯的加工方向是從工件的幾何方向上的兩對側(0度和180度)加工,然后從每個方向加工工件深度直到旋轉軸尺寸。如果僅僅從工件的一側加工會將大量的材料留在工件的另一側導致材料變形或工件無法支撐定位而導致無法順利加工,然而從之前加工方向的180度加工就會引起薄腹板問題。

在加工完第一個加工方向后,第二個加工方向從工件的另一側開始加工。當端銑刀加工原料的最后一層時,由于最后一側已經很薄所以加工刀具不會產生金屬屑,當端銑刀的下端接近毛坯料的中心時,一個與毛坯料直徑同寬的薄腹板就開始出現。當加工薄腹板時,這個薄層還會包裹住刀具,隨著加工的繼續進行,刀具還有可能會因為包裹在刀具外的金屬薄層導致無法產生足夠的切削力而損壞。因此,數控快速成形工藝過程若想能安全完成粗加工就應該避免產生薄腹板。

因此,為了避免加工去除大量毛坯料材料時薄腹板的出現,我們用到三個初步角度,這樣精加工才能去除粗加工不能去除的材料。如果由可見性程序給出的精加工角度尺寸值不能夠避免切削時薄腹板的出現,那么必須在粗加工時增加粗加工定向來滿足消除薄腹板出現的可能。

原始的試切法用0度,135度和225度,在本文的改進方法中這三個角度中的兩個角被允許在120度到150度之間調整。灰色陰影區域所示的定向范圍大約在135度到225度之間。給定一個0度角,另外兩個角分別從陰影區域內選擇,這樣就滿足了薄腹板回避準則。

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

3 避免薄腹板產生的新的方法

本文提出了一種新的避免薄腹板產生的方法。在這個新的方法中,給可見性程序設定一個叫做“初始角”的輸入參數。這種新方法的目的是產生更多的服從薄腹板回避約束并能完整地加工工件的加工方向集。

如圖1所示給出的例子中,給出的可見性程序的三個加工方向角度分別為0度,45度和261度;然而,如果將最初的加工方向角定在270度,并輸入到可見性程序中,則加工方向集為{0°,130°,270°｝。圖2說明當最初角度是270度時,三個加工方向上的操作。

這個算法最初的解決方案是來自可見性加工中的貪婪法。貪婪算法(Greedy algorithm)是一種對某些求最優解問題的更簡單、更迅速的設計技術。假設每個加工表面都能被連續地去除材料,那么后續的每個角度都能滿足大多數表面。本文的假設是給出初始角度后做大量的窮舉搜索,這樣可能會選出一組角度,這組角度最好也能滿足避免出現薄腹板。

這種為可見性程序提供初始角度的新方法是一種改進。因為它擴大了提出加工方向解決方案的可能性,因此避免了尋找局限最佳解決方案的風險。在加工中零件的幾何形狀可以有很大的不同,這個設定對于快速成形工藝有特別重要的意義。當然,在一個快速成型過程中設計者往往為測試提出更詳細和具體的零件幾何形狀,因此,關于能夠減少搜索空間的任何的零件幾何形狀假設都可能非最優解。

圖2:在0°、130°、270°三個方向上的加工Figure 2: Example part at three machining orientations(a) 0°, (b) 130°, and (c) 270°