基于FDM快速成型技術在弧面凸輪加工中的探究

(安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232001)

弧面分度凸輪廣泛應用于包裝機，應刷，化工，汽車制造等自動化生產線中。其具有分度精度高，運轉平穩，結構緊湊，是凸輪結構中最完美的高速分度機構，在機械裝備中發揮著至關重要的作用[1]。但由于弧面分度凸輪的廓面復雜并且精度要求比較高，基于快速成型技術，實現弧面凸輪的實體加工，這對于提高弧面凸輪的生產效率，減少生產成本具有一定的參考意義。

一、實驗方法

(一)弧面凸輪模型

打印前需要對其進行三維建模，需要轉化成STL格式的文件，再進行切片處理，最后進行打印和后續工作，這里借用Solidworks強大的建模工具實現模型的建立，并在Motion里進行運動仿真，驗證了弧面凸輪的運動特性，符合實際要求，如圖1.1,1.2所示。

圖1.1 弧面凸輪的三維模型

圖1.2 弧面凸輪的運動仿真

(二)弧面凸輪打印過程

由于熔融沉積技術使用無毒的原材料，整個工藝設備流程操作簡單，維護成本低，運行安全[2]。熔融沉積技術常被人們用于打印模型原型，也是快速成型技術中最熱門的工藝之一。實驗過程中，在打印之前用專用快速成型軟件對弧面凸輪STL文件進行切片處理，檢查及優化STL文件，減少文件格式轉化過程出現的誤差，提高打印實體的精度。另一方面也要對打印參數進行設置，合理地提高打印層厚可以在一定程度上提高打印速度。在打印過程中，成形材料加熱到熔融狀態從噴頭里擠出，在工作臺的X-Y平面上渡過一個層面，在Z軸方向下降或上升一個層的高度，并迅速冷卻固化，依次層層堆積，最后形成一個完整實體。成形材料加熱從噴熔融狀態到冷卻為實體，由熱收縮引起的收縮量為：

ΔL=εLΔt

公式中：ε—材料的線脹系數，0C-1； L—零件尺寸，mm；Δt—溫差，0C。可見材料的固有特性也會影響打印件的精度。如圖2.1所示為熔融沉積技術的基本原理。

圖2.1 熔融沉積技術基本原理

二、分析與討論

由實驗過程可知，該方法不會產生很大的噪聲，也沒有化學物質污染空氣，是一種純綠色制造方法，符合當代制造業的發展方向。針對弧面凸輪的復雜廓面，也不需要數控代碼轉換和刀具的轉換即可實現實體加工。在加工弧面凸輪的傳統工藝中，其中范成法由于其機構及誤差分析的復雜性影響廓面因素具有多樣性和刀具誤差等[3]。現代弧面凸輪的數控加工方法都由于刀具磨損很難加工精度高的弧面凸輪，對專門制造加工弧面凸輪的刀具成本大。最具有代表的五軸聯動加工，其精度相對較高，但是其成本高，機床和刀具利用率低，因此國內外很多人致力于凸輪的研究。在快速成型技術下打印的弧面凸輪，沒有繁瑣的加工過程，使其加工時間大大減少，完全擺脫了刀具和車床等，是制造各類零件的新途徑。

三、結論

由上文可知，在制造復雜形面的零件，熔融沉積技術相對于傳統工藝具有很大優勢，并且材料利用率可達到100%。其加工設備也比傳統工藝費用更低，安全性能更可靠，在打印件的各方面性能也有待研究，快速成型技術的發展備受當代人關注，為今后制造業提供極大的幫助。