基于分層制造思路下的數控加工復合高速成形思路研究

摘要：為彌補現有分層制造技術在精度、尺寸、材料方面的缺陷與限制，同樣為了克服傳統數控加工技術在制造形狀復雜、固定性較差的工件方面存在的問題，將數控加工技術與分層制造思路有效結合起來，形成復合高速成形工藝。本文首先概述了基于分層制造思路下的數控加工復合高速成形思路，然后為驗證其可靠性，進行了成形實驗研究，旨在探討將此項技術應用于工件制造中的具體優勢。

關鍵詞：分層制造；數控加工；復合；高速成形；技術

目前在工件制造中常用的分層制造技術能夠在無工裝準備的前提下，直接將模型制造成復雜的三維實體。但同樣有其材料品種有限、零件制造尺寸大小一定、工件表層質量較差、整體精度較低等劣勢。相較而言，傳統的數控加工技術雖然在制造品種、尺寸、質量、精度方面有其一定的優勢，但在制造工件的形狀結構、固定性方面同樣有其缺陷。導致兩種不同的技術在快速制造領域的應用均受到了不同程度的制約。基于此，本文以分層制造作為思路，在快速工件制造中將兩項技術的優勢有效結合起來，開發了新型的復合高速成形技術。

1.復合高速成形工藝介紹

最近幾年來，在制造領域，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，根本無法達到提高制造精度的目的。而早期外國研究者所報道的基于不同工位的、以工件表面形狀作為切入調整思路的金屬絲切削處理工具復合成形技術，在對內腔結構較為復雜的制造工件處理方面較難體現其效果。當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，不能達到雙向作用的目的。而基于分層制造思路下的數控加工復合高速成形技術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的三維層，通過銑削加工、材料處理等程序制造出工件模型。同時為提升刀具對形狀復雜結構的接近率，有效降低所分設的層次，可將三維層簡要概括為從工件雙面實施正反兩次銑削加工后所成形的形狀表現。

為使其成為現實，體現其應用價值。本研究將六軸并聯機床作為加工開發的中介，通過將板材翻轉及移送設施添加于機床中的方式來構建聯合分層制造與數控加工的復合高速成形系統。該機床能夠通過一次裝夾操作同時實現五個不同面的機床加工，具備較強的柔性特征。此復合高速成形系統主要由并聯機床、A、B兩個工作臺、板材等部分構成，B工作臺主要用于正面及疊層作業的加工，而A工作臺則主要起到反面加工的作用。為實現加工操作，首先需將板材裝置夾裝于A工作臺上，然后以并聯機床與A工作臺的軌跡作為途徑實現反面加工，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工作臺進行正面加工，將并聯機床與B工作臺的軌跡線路作為運作軌跡路線，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與疊加，然后進行正面加工，如此往復交替處理，直到制造出具體模型。整個工藝具體分為三個流程，首先將模型分為不同的三維層，設置對應的水平支撐。其次，對加工面進行加工，最后對模型實施六軸處理，解除其支撐。

2.基于分層制造思路下加工工件的固定處理

在對加工工件實施疊層操作與正面加工時，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。同時為了達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。在對工件反面進行加工時，則需應用夾具將其固定于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生分離現象，同樣還需設置水平支撐層，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踐

在復合高速成形工藝中，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，在進行分層時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對應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數，以便降低切削所需時間。第四，每層所配置最佳切削量，以少為準，旨在縮短切削工藝時間。

為探討復合高速成形思路在高速制造應用中的可行性，本研究將造型材料設定為化學木材，將有其復雜曲面特征的汽車把手作為實驗對象，實施了原型的制造探究。并按照早期研究者所報道的方案生成了數控加工軌跡，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0.05mm，完成所有制造程序僅耗時5h。

4.結束語

在對基于分層制造思路下的數控加工復合高速成形技術進行實驗探究后，證實此項技術充分體現了分層制造與數控加工的不同優勢，是通過兩者取長補短、優勢互補所形成的復合成形高速技術。且實驗探究結果表明，此種復合高速成形技術能夠從基本CAD模型中較為簡單、直接地制造出形狀、結構較為復雜的模具，且無需夾具等專業化固定工具，可選擇的材料范圍比較廣，所制造的產品尺寸不會受到限制，耗時短、效率高，且精度較高，值得在高速制造領域推廣。

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作者姓名：程勝文 （1969.9-）男， 漢， 籍貫：湖北孝感 學歷：碩士研究生 職稱：副教授 研究方向：機械設計與制造及相關專業教學研究。