柔性SDM 系統的設備研究

趙亞飛 魏全躍 賴 韜

（浙江中智鯨工智能裝備有限公司，嘉興 314000）

柔性形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）系統[1-3]是一種把柔性制造同SDM工藝有機結合的新型制造系統。柔性SDM 工藝包括沉積、切削、去應力處理和清洗共4 個部分。柔性SDM 基本工作過程如下：第一，分層軟件將計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）零件模型分層，獲得分層數據；第二，沉積設備依據分層信息，進行沉積；第三，沉積一層后，將沉積工件轉移到數控機床上，由數控機床去除其外輪廓并進行加工；第四，當沉積工件是金屬零件時，把沉積工件轉移到噴丸去應力設備中，去除層間內應力；第五，沉積工件被轉移到清洗設備中，清洗沉積層，去除雜屑與污物；第六，沉積工件回到沉積設備中，進行下次沉積。經過多次重復上述循環過程，即可獲得零件。柔性SDM 制造工藝的各工序設備有著獨特結構形式。

1 沉積設備

1.1 沉積材料的選擇

在沉積工件時，一般要選用2 種材料，一種用于沉積工件，另一種用于沉積支撐。支撐材料在沉積制造時起輔助支撐沉積工件的作用，在沉積完成后要將其去除，因此選用支撐材料時要考慮材料的去除方式。在柔性SDM 制造過程中，沉積材料中的金屬部分選用銅與不銹鋼[3]，將不銹鋼作為工件材料，銅作為支撐材料。工件加工完成后，使用硝酸刻蝕的方法去除支撐材料，得到成型零件。非金屬材料選用ABS-M30 塑料，作為工件材料，選用PVAL 水溶性高分子材料作為支撐材料[4-5]，零件成型后放入水中，即可去除支撐材料。

在快速成型過程中，所用材料均有3 種形狀，即絲材類、粉末類、顆粒類。在形狀沉積制造系統中，通過考察各種沉積方式所用材料的形狀發現，絲材類應用最多，而且送絲機構較為簡單。

1.2 沉積方式及設備結構形式

1.2.1 熔化極惰性氣體保護焊沉積

熔化極惰性氣體保護焊（Metal-Inert Gas welding，MIG）的工作原理是利用氬（Ar）、氦（He）或Ar+He混合氣體作為保護介質，采用以連續送進可熔化的焊絲與燃燒于焊絲與工件間的電弧作為熱源的電弧焊[6-8]。這種焊接方式有如下特點。第一，可以焊接大多金屬，如鋁、鎂、銅、鈦、鎳及其合金，以及不銹鋼、碳鋼、耐熱鋼等。能夠焊接這些金屬說明，可用焊接的方法沉積這些材料。第二，焊接中氧化燒損極少，只有少量蒸發損失，焊接冶金過程比較單純。對于快速成型來說，這種焊接方式可以使沉積零件的材料更為單純。第三，生產率較高、焊接變形小。這對于沉積金屬材料而言，意味著沉積尺寸更精確，所需的去除加工量減少。第四，焊接過程易于實現自動化。由于焊接過程易于自動化，此焊接方法非常適用于快速成型，因為在快速成型中，沉積過程是通過數字控制實現的，可進行自動化操作。

要想把焊接設備轉換成沉積設備，就要在數字化MIG 設備上進行改造。圖1 為適合柔性SDM 工藝的MIG 設備集成示意圖。在沉積倉中，伺服液壓缸缸筒固定在沉積倉頂架上，送絲機構和送絲盤均固定在液壓缸活塞桿上，送絲機構下端連接焊槍，通過焊槍進行沉積。液壓缸在數字控制下，沿Z軸上下移動，使焊槍垂直運動。沉積臺在數字控制下沿X、Y方向移動，可沉積出三維零件。工作時，MIG 焊接電源兩極分別接在焊槍和沉積臺上，氣瓶中的保護氣體先進入支撐沉積控制器和工件沉積控制器，再從控制器輸出到焊槍上。水箱連接在2 個控制器上，控制器中的水由水管進入焊槍以冷卻焊槍。整個設備都安置在沉積站的沉積設備安裝接口上，需要使用該沉積設備時，可通過沉積站調度系統把設備搬運到沉積位置，經定位固定后即可進行沉積作業。

圖1 熔化極惰性氣體保護焊設備集成

1.2.2 FDM 沉積

塑料材料的沉積采用熔融沉積成型（Fused Deposition Molding，FDM）工藝[9]，它是一種技術成熟的快速成型方法。在柔性SDM 系統中，要改造此成型設備，去掉分層軟件及相關設備，保留噴頭的軌跡控制及運動執行功能。上位機把分層數據傳遞給成型機，成型機內的噴頭軌跡控制系統根據所給的分層信息設置噴頭的運動軌跡，并通過執行機構驅動噴頭移動。

沉積頭是實現熔融沉積成型的關鍵部件，也是實現堆積成型的核心部件。熔融擠壓快速成型系統的噴頭結構一般包括驅動裝置、控制裝置、塑化裝置及噴嘴等部件。其中：驅動裝置主要為成型提供動力，為原料添加和熔料擠出提供驅動力，從而保證熔料從噴嘴順利擠出；控制裝置則控制物料的加入速度和加熱溫度，保證熔料定時、定溫地從噴嘴口擠出；進料裝置的作用是保證絲材順利加入料筒；塑化裝置的作用是保證物料均勻塑化；噴嘴是物料熔體流經的最后通道，物料熔體經過噴嘴后在工作臺上成型為原型件。

2 數控切削加工設備

柔性SDM 系統中，數控切削設備選用立式數控銑床。在形狀沉積制造中，對沉積工件進行去除加工的量較少，這是由于在沉積時，工件已接近要求形狀。切削加工的目的是對每層輪廓進行修整，以提高尺寸精度。由于加工量少，切削軌跡不是很復雜，選用立式數控銑床即可滿足切削要求。銑床上的刀具頻繁切削，會導致刀具磨損，因此在加工過程中要及時進行刀具補償，例如使用對刀儀。

對刀方法是移動刀具沿選定的某個軸，使刀尖（或動力回轉刀具的外徑）靠向并觸動對刀儀上的對刀環，通過撓性支撐桿擺動觸發對刀器中的高精度開關傳感器，然后開關立即通知系統鎖定該進給軸的運動。刀具尺寸補償是工件切削后產生刀具磨損、絲杠熱伸長，進而出現的刀尖變動量。只要再進行一次對刀操作，數控系統就會自動比較測得的新的刀具偏置值與初始刀具偏置值，并將需要補償的誤差值自動補入刀補存儲區。對于刀具破損報警或刀具更換，是根據刀具允許的磨損量，設定一個“門檻值”，一旦對刀儀監測到的誤差超過“門檻值”，就認為刀具已破損，機床自動報警停機，然后強制更換刀具。

3 噴丸設備

柔性SDM 系統中的噴丸設備用于去除金屬沉積過程中由于溫度梯度變化引起的層間內應力。該內應力影響沉積工件的形狀精度。噴丸強化是指在外力驅動下，噴丸介質（彈丸）高速沖擊受噴零件表面，使其發生彈性、塑性變形，從而改變零件的組織結構、殘余應力和表面狀態，在增加位錯密度、引入殘余壓應力的共同作用下消除金屬沉積過程中出現的層間內應力，從而提高成形精度[10-12]。

噴丸設備主要包括噴丸室、雙層連續丸料發生系統、噴槍自動進給系統、振動篩分系統、丸料回收系統、除塵系統、數控系統以及電氣控制系統等，其工作過程如下。首先，沉積工件被放置在工作臺上，雙層連續丸料發生系統對丸料加壓，通過噴槍沖擊工件進行噴丸處理。噴槍由數字控制沿X、Y、Z軸移動，并改變噴射方向。沉積工件可繞Z軸轉動，從而對沉積工件的多個方向進行噴丸。其次，沖擊工件失速的彈丸落到底通過彈丸回收系統進行回收，彈丸提升系統把底部回收好的彈丸提升送至彈丸分選系統。彈丸分選系統的作用是剔除尺寸和形狀不合格的彈丸。最后，經過彈丸分選系統分選的合格彈丸進入雙層連續丸料發生系統并儲存。一直重復上述過程完成對沉積工件的噴丸。除塵系統主要用于排除噴丸室內產生的金屬和非金屬粉塵。

4 清洗設備

清洗設備的作用是去除加工時產生的氧化物、切屑及其他雜物。等離子清洗具有如下優勢：第一，工件經過等離子清洗后很干燥，可直接送入沉積設備內進行下次沉積；第二，該方法是一種環保的綠色清洗方法，清洗后不會產生有害污染物；第三，等離子體可深入物體的微細孔眼和凹陷內部進行深度清洗，有利于下次沉積；第四，清洗效率高，整個清洗工藝流程可在幾分鐘內完成；第五，可處理不同的基材，無論是金屬、半導體、氧化物還是高分子材料，都可用等離子體進行處理，該方法非常適合在柔性沉積制造中使用；第六，在完成清洗的同時，可改變材料的表面性能，如增強表面的潤濕能力、改善膜的附著力等，有利于下次沉積時層與層之間的結合[13]。

5 設備的適應性改造

當以上設備集成到柔性SDM 系統中時，需要對其進行改造。

5.1 設備倉門的改造

對于沉積設備、數控銑床及數控噴丸機床，將其工作倉門改為自動推拉式，既能節省空間又便于集成到柔性SDM 系統中[14]。在固定門邊緣安裝電動推桿，推桿前端連接活動門，推桿帶動活動門，推桿的行程就是活動門的開啟寬度。電動推桿的開關由上位機控制。

對于等離子清洗機，因工作艙需要在真空環境下操作，在外擺式門上安裝自動啟閉裝置，有利于密封和節省空間，而且工作室底部要高于小車導軌，便于門的開閉。上下支撐臂鉸一端連接在門上，另一端套在轉軸上。轉軸的下端與步進電機及傳動機構連接，上端套在支座上。下導向桿的一端連接在門上，另一端通過球鉸鏈連接在機架上。整個裝置安裝在工作室內部，其工作過程為步進電機驅動傳動機構使轉軸轉動，進而帶動上下支撐臂轉動，使門平移直至完全推開。步進電機反轉即可關門。下導向桿的作用是限制門繞Z軸做不必要的轉動，并與支承臂共同作用使門做限定運動。

5.2 電氣及控制系統的改造

將各設備的開關改造成既可單臺開啟，便于檢修維護與調試，又能由上位機通過發送指令來遠程控制的開關，使其實現自動化控制。各設備的數控功能主要是用來接收來自上位機的信號，而后驅動執行機構動作。例如，對于噴丸數控設備，上位機根據當前的分層信息，編出相應程序并發給噴丸數控設備，數控裝置執行程序并驅動相應執行機構運動，實現噴丸操作。其他設備的工作方式與此相同。

5.3 工作臺結構的改造

柔性SDM 系統各工作臺的形式統一使用矩形工作臺，通過T 型槽固定工件及夾具。

6 結語

在柔性SDM 系統中，數控切削加工設備、噴丸設備和清洗設備是整個系統的重要組成部分。這些設備經過改造，按照工藝要求合理布局，與其他輔助設備一起，在控制系統的控制下進行自動化沉積作業，使得整個工作過程高效、柔性化。