復雜曲面樣件的計算機輔助制造技術

曾 鋒，鐘治初，姚 山，楊 通，趙樞明

（1.嘉應學院 計算機學院，梅州 514015；2.大連理工大學 三束教育部重點實驗室，大連 116024）

0 引言

以計算機輔助制造技術為代表的數字化制造技術將虛擬現實、數字化設計及加工、計算機網絡、快速原型、數據庫等技術集成于一體，實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產出達到用戶性能要求的產品或樣品[1]。數字化制造技術是隨著計算機技術及數控技術發展起來的，其綜合了CAD工藝設計系統、CAE仿真技術、柔性工裝數控拉形、數字化測量、形狀控制算法和CAM數控成形等先進手段，是先進制造技術的核心[2]。

作為計算機輔助制造技術的一個重要類型，近年來快速發展的快速成型技術不僅實現了信息過程的數字化，而且實現了物理過程的數字化。其材料的轉移過程是利用材料的疊加性，在數字化信息控制下，采用按需添加的方式，在三維空間內數字化地分步將材料逐漸堆積成型。在快速成型加工前需要對三維CAD模型進行一系列離散化處理階段，三維實體模型格式轉化為STL格式后，輸入快速成型軟件控制系統進行分層切片，根據層片信息產生加工路徑，然后驅動數控成型設備逐層加工成制件[3～5]。快速成型技術可以直接、快速、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或零件，只要改變CAD設計模型的外形，就能快速得到相應的零件或樣件。

本文提出一種復雜曲面樣件的計算機輔助制造技術，以激光快速成型技術為核心，使用整體成型的制造方法，對任意復雜曲面樣件進行快速制造，實現對產品設計的快速評價、方案修改及功能試驗等。整個制造過程完全由CAD模型驅動，其工藝過程由計算機實現全自動控制。本技術已在自主開發的激光快速成型設備上進行了大量應用，實例驗證了本方法穩定性及有效性，可降低產品的設計開發成本。

1 輪廓線掃描失效成型方法

作者自主開發的輪廓線掃描失效成型方法以激光快速成型為原理，選用覆膜砂作為成型材料，利用覆膜砂的固結性能隨溫度變化而變化的特點，制造出相對于SLS/LOM等快速成型方法具有更高精度及機械性能的產品樣件。圖1為此方法示意圖，包括以下步驟：

1）計算機對三維CAD模型進行Z向自動分層切片，并自動提取二維層片的輪廓線信息。

2）提供一薄層的成型用覆膜砂。

3）計算機根據1）得到的二維輪廓信息，控制激光光束對該層覆膜砂進行輪廓掃描，激光光束掃描過的覆膜砂受熱升溫至固結溫度以上而失去固結性能，形成與輪廓線相一致的失效分割線。

4）重復2）和3），直至成型所需的三維輪廓掃描完畢。

5）將該覆膜砂材料用紅外加熱板預熱后取出，在加熱爐中進行整體加熱令其固結，得到固結件。

6）所得固結件以激光掃描過的三維輪廓為界分離，得到與CAD模型相一致的三維實體。

圖1 輪廓線掃描失效成型方法示意圖

輪廓線掃描失效成型方法只需對側輪廓面進行掃描，產品的上下面均不需激光掃描，具有較高的制造效率。并且工作缸中覆膜砂材料形成了自然的支撐，制造工藝的難度與產品外形曲面的復雜度無關，此方法尤其適合對具有復雜曲面樣件的快速制造。與其他快速成型方法的“疊層制造”過程不同，本方法樣件的獲得由加熱爐最后整體加熱得到，保證了成型件的致密度與尺寸精度。

2 復雜曲面樣件的激光選區失效整體成型技術

在輪廓線掃描失效成型方法的基礎上，加以“輔助分割體”的設置，以更加便于具有復雜曲面樣件與廢料的分離。此方法的示意圖如圖2所示，在成型加工前，先在CAD系統中對廢料部分添加激光網格掃描路徑，所形成的小長方體即為待剝離的輔助分割體。逐層掃描完成后，整體材料進行加熱固結，所得到的固結件經過震動和適當的外力作用，小剝離體依次脫落，最終得到目標樣件。

當所制造的樣件具有不規則的復雜曲面外形時，如果不添加輔助分割體，其樣件和廢料分離過程會具有較高的難度與風險，此方法通過輔助分割體的設置，最終產品樣件由小塊廢料依次剝離得到，克服了上述困難。

本文提出的方法已進行了大量的應用，所得到的產品樣件在外形尺寸和機械性能方面均具有較高的指標。圖3為自主開發的激光快速成型設備，圖4為使用本方法所制造的樣件，表1為相關的工藝參數及產品指標。

圖2 激光選區失效整體成型技術示意圖

圖3 激光快速成型設備

圖4 機械零件的產品樣件

表1 加工工藝參數及尺寸誤差

3 結論

復雜曲面零件在設計階段時，較難用常規方法快速獲得產品的樣件，用于檢驗設計效果、裝配效果、功能性試驗等，給產品設計和制造帶來成本的增加。本文提出的復雜曲面樣件計算機輔助制造技術，以激光選區失效整體成型方法為核心，在幾個小時之內可精確獲得與CAD設計模型相一致的樣品，所使用的覆膜砂原材料可降低制造成本，并且成型件具有較高的機械強度。本方法由CAD模型直接驅動，CAD模型的前處理及激光加工制造過程完全實現自動化，從產品造型至最后獲得樣件的所有步驟均在計算機的控制下完成。所得到的產品具有較高的尺寸精度，其工藝過程決定了產品樣件的外形尺寸絕對誤差與樣件的尺寸大小無關。

[1] 許文全, 曾輝藩.螺旋錐齒輪數字化制造的關鍵技術及研究現狀[J].制造業自動化, 2010, 32(11): 13-14.

[2] 李東升, 羅紅宇, 王麗麗, 等.飛機蒙皮的數字化成形制造技術[J].塑性工程學報, 2009, 16(1): 82-87.

[3] 穆存遠, 宋祥波.快速成型臺階誤差分析及其降低措施[J].機械設計與制造, 2011, (4): 228-229.

[4] 王靜亞, 方亮, 郝敬賓.STL模型特征面片自適應分層算法[J].計算機應用研究, 2011, 28(6): 2361-2364.

[5] 陳光霞, 覃群, 馮俊.DLF快速成型添加支撐的極限傾斜角度實驗研究[J].制造業自動化, 2010, 32(3):36-38.