仇薪凱(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300130)

消減快速成形工藝研究

仇薪凱(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300130)

本章將通過提出的新工藝規(guī)劃算法及快速原形方法,利用加工步驟最佳化來減少加工時(shí)間,從而提高快速成型的性能。這種新的工藝規(guī)劃首先需要改進(jìn)以前的工藝規(guī)劃方法,不但考慮到當(dāng)前RP方法的約束和局限性,而且提供了對每個(gè)步驟中包含參數(shù)的更好的分析,提出來的新指標(biāo)將對工藝規(guī)劃進(jìn)行評估和提供更多的有效的解決方法。

消減快速成型 工藝研究

利用當(dāng)前數(shù)控快速成型工藝的多種功能來改進(jìn)新的工藝規(guī)劃算法,對當(dāng)前可見性程序分析方法進(jìn)行討論并提出一種避免產(chǎn)生薄腹板的方法。

1 當(dāng)前可見性分析

對可見性進(jìn)行分析,確定所需的精加工定向集,此加工方向集指可對旋轉(zhuǎn)軸可見的任何工件進(jìn)行加工。通過可見性程序程序確定加工方向?qū)庸ね瓿闪慵w的必要性。傳統(tǒng)的可見性程序確定了三個(gè)加工方向。第一和第二個(gè)加工方向在0度和45度(加工型腔部分),第三個(gè)加工方向在261度(加工示例部分的底部凹口和左側(cè)半圓)。

2 薄腹板問題

在零件最初的幾個(gè)加工步驟中,大部分的毛坯(圓鋼材)尚未加工。對于沒有人為輸入因素的計(jì)算機(jī)規(guī)劃算法來說,最合乎邏輯的加工方向是從工件的幾何方向上的兩對側(cè)(0度和180度)加工,然后從每個(gè)方向加工工件深度直到旋轉(zhuǎn)軸尺寸。如果僅僅從工件的一側(cè)加工會(huì)將大量的材料留在工件的另一側(cè)導(dǎo)致材料變形或工件無法支撐定位而導(dǎo)致無法順利加工,然而從之前加工方向的180度加工就會(huì)引起薄腹板問題。

在加工完第一個(gè)加工方向后,第二個(gè)加工方向從工件的另一側(cè)開始加工。當(dāng)端銑刀加工原料的最后一層時(shí),由于最后一側(cè)已經(jīng)很薄所以加工刀具不會(huì)產(chǎn)生金屬屑,當(dāng)端銑刀的下端接近毛坯料的中心時(shí),一個(gè)與毛坯料直徑同寬的薄腹板就開始出現(xiàn)。當(dāng)加工薄腹板時(shí),這個(gè)薄層還會(huì)包裹住刀具,隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行,刀具還有可能會(huì)因?yàn)榘诘毒咄獾慕饘俦訉?dǎo)致無法產(chǎn)生足夠的切削力而損壞。因此,數(shù)控快速成形工藝過程若想能安全完成粗加工就應(yīng)該避免產(chǎn)生薄腹板。

因此,為了避免加工去除大量毛坯料材料時(shí)薄腹板的出現(xiàn),我們用到三個(gè)初步角度,這樣精加工才能去除粗加工不能去除的材料。如果由可見性程序給出的精加工角度尺寸值不能夠避免切削時(shí)薄腹板的出現(xiàn),那么必須在粗加工時(shí)增加粗加工定向來滿足消除薄腹板出現(xiàn)的可能。

原始的試切法用0度,135度和225度,在本文的改進(jìn)方法中這三個(gè)角度中的兩個(gè)角被允許在120度到150度之間調(diào)整?；疑幱皡^(qū)域所示的定向范圍大約在135度到225度之間。給定一個(gè)0度角,另外兩個(gè)角分別從陰影區(qū)域內(nèi)選擇,這樣就滿足了薄腹板回避準(zhǔn)則。

圖1 :避免薄腹板方法Figure 1: Illustration of adjusted thin web avoidance method

3 避免薄腹板產(chǎn)生的新的方法

本文提出了一種新的避免薄腹板產(chǎn)生的方法。在這個(gè)新的方法中,給可見性程序設(shè)定一個(gè)叫做“初始角”的輸入?yún)?shù)。這種新方法的目的是產(chǎn)生更多的服從薄腹板回避約束并能完整地加工工件的加工方向集。

如圖1所示給出的例子中,給出的可見性程序的三個(gè)加工方向角度分別為0度,45度和261度;然而,如果將最初的加工方向角定在270度,并輸入到可見性程序中,則加工方向集為{0°,130°,270°｝。圖2說明當(dāng)最初角度是270度時(shí),三個(gè)加工方向上的操作。

這個(gè)算法最初的解決方案是來自可見性加工中的貪婪法。貪婪算法(Greedy algorithm)是一種對某些求最優(yōu)解問題的更簡單、更迅速的設(shè)計(jì)技術(shù)。假設(shè)每個(gè)加工表面都能被連續(xù)地去除材料,那么后續(xù)的每個(gè)角度都能滿足大多數(shù)表面。本文的假設(shè)是給出初始角度后做大量的窮舉搜索,這樣可能會(huì)選出一組角度,這組角度最好也能滿足避免出現(xiàn)薄腹板。

這種為可見性程序提供初始角度的新方法是一種改進(jìn)。因?yàn)樗鼣U(kuò)大了提出加工方向解決方案的可能性,因此避免了尋找局限最佳解決方案的風(fēng)險(xiǎn)。在加工中零件的幾何形狀可以有很大的不同,這個(gè)設(shè)定對于快速成形工藝有特別重要的意義。當(dāng)然,在一個(gè)快速成型過程中設(shè)計(jì)者往往為測試提出更詳細(xì)和具體的零件幾何形狀,因此,關(guān)于能夠減少搜索空間的任何的零件幾何形狀假設(shè)都可能非最優(yōu)解。

圖2:在0°、130°、270°三個(gè)方向上的加工Figure 2: Example part at three machining orientations(a) 0°, (b) 130°, and (c) 270°