金属成形制造.docVIP

2、CAD模型的体积补偿 CAD模型的体积补偿，在目前金属成形制造过程中存在的必要性来自于两个方面： （1）等离子成形再制造技术采用离散-堆积原理来成形三维实体模型，受工艺水平所限，目前金属成形制造技术在进行堆积生成金属片层时，采用垂直扫描方式，这样在成形件表面不可避免地会出现台阶现象，使成形零件与CAD产生误差。 （2）目前金属直接成形在边界部分由于金属的物相特性，以及成形工艺的快速加热及冷却这些特点，无法仅通过加法堆积就达到所需成形精度，还需要在堆积后的近净成形实体上进行少量的切削加工。 基于上述原因，本成形系统在对CAD模型进行区域分割及切片分层前，以及在路径规划时，分别对CAD模型以及规划路径进行两次补偿，来保证最终成形零件的可加工性以及加工后精度。 台阶效应产生形状及精度偏差的补偿 由于分层过程是把连续边界离散为非连续线段的过程，因此无法避免台阶的产生，这种情况被称为成形过程的台阶效应。这种离散的过程使成形件和三维CAD模型之间具有了包含或被包含的关系。在实际成形过程中，如果能保证实际成形轨迹和设定轨迹位置误差很小，且结构单元的实际成形结构和理想结构的尺寸误差很小，那么就会得到较好的形状控制效果。因此，提高成形结构开环控制精度的途径，一是提高实际成形路径的位置精确性与工艺可靠性，二是减小实际成形结构与CAD模型的误差。路径的精确性由软件系统和机器人控制实现，工艺可靠性由路径规划与成形工艺匹配状况决定，实际成形结构与CAD模型的误差精度由成形结构几何特征和形状特性来决定。为了提高数据处理的质量和效率，由于原型几何形状模型的多样性及成形件不同的应用目的，有必要研究能够在等离子熔覆工艺条件下，实现任意形状成形件与对应CAD模型间特定包含关系的方法。由于本系统分层时的分层厚度由等离子熔覆工艺决定，无法应用自适应分层方法。因此，针对台阶效应对成形件表面质量的影响，研究了成形件与CAD模型间包含关系的几何特征及其现实需求，并进行了基于后加工处理的补偿算法研究。图为一锥形体成形制造分层示意图。 图 锥形体成形制造分层后的台阶效应 可以看出，台阶效应对成形零件的精度具有很大的影响。如果忽略截面轮廓的台阶效应，会使每一片层与其对应的三维CAD模型部分产生体积偏差，使该成形件轮廓与理论轮廓产生较大偏差。这种境况破坏了成形件的形状以及尺寸精度，极大地阻碍成形制造的应用范围。 减小层厚能够有效降低层片的尖顶高度，提高成形件表面质量，但成形设备所能达到的最小层厚有一定限制，所以实际加工时层片厚度不可能无限小，并且层厚减小直接导致成形加工效率低下，分层厚度越小，成形效率低；自适应分层能够在成形精度和成形效率之间取得较好的平衡，使成形件中各层片具有较一致的尖顶高度，但仍无法解决由台阶效应引起的成形件整体形状偏差和尺寸偏差，台阶效应对成形件表面质量的破坏依然存在。并且限制于很多工艺过程没有自适应分层应用的可行性，无法使用自适应分层方法。 要进一步削弱台阶效应对成形加工精度的影响，目前主要有两种方法：一是在数据处理时利用三维模型的某些几何指标对截面轮廓进行一定的补偿处理，根据处理后的截面轮廓扫描生成层片；二是实现硬件的实时变角度扫描，即扫描生成层片轮廓上某点时，根据三维CAD模型表面在该点的法矢方向，实时调整扫描角度来控制层片的生成方向，从而实现用斜边来代替层片的直边。这种方法能够相当程度上消除台阶效应对成形件表面精度的影响，但硬件实现难度较大，目前很少有这方面的研究工作。因此，在从三维模型中提取层片的扫描加工数据时，针对成形件的应用目的、使用的加工方式以及目前的设备环境，对截面轮廓数据作补偿处理则成为提高成形加工精度的可行手段。 为削弱台阶效应对快速成形件整体形状精度的影响Kulkarni和Mani等提出了成形件和三维CAD模型之间的包含问题，并将其概括为3种情形：CAD模型轮廓包含于成形件、成形件轮廓包含于CAD模型和两者互不包含。并认为前两种包含关系使得成形件与原始CAD模型之间的形状偏差较小，具有一定工程应用价值，并将这两种包含方式定义为正/负偏差逼近。同时针对特定形状三维模型，提出“自底向上”和“自顶向下”的层片生成方法来实现层片尖顶的正/负偏差逼近。 在等离子熔覆成形再制造领域中，由于相比与激光熔覆成形具有较高的熔覆效率，因此其精度方面略低，并且由于成形制造过程的目的是加工生成满足一定实际工作强度的三维零件，因此我们需要使用“CAD模型轮廓包含于成形件”这种成形方式。同时，改进中的补偿处理是在CAD模型构架中进行，并不是在分层处理中进行，而是对CAD模型的重构。具体方法示意图如图所示。 图 CAD模型的重构 蓝黑色三角为原始CAD模型的Z轴截面，红色三角为补偿后的CAD模型Z轴截面。 重构算法基本过程如下： Step 1：对原始CAD模