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复杂模型分割制造关键技术研究及应用 摘要 随着世界经济一体化和制造全球化的发展，制造业市场竞争将更加激烈，用户 需求趋于多样化和个性化，产品更新周期不断加快，从而促进了快速设计与制造技 术的发展。如快速原型制造、分割制造等先进制造技术不断涌现，并迅速应用于制 造业中。 在一定条件下，由于加工资源、加工成本和加工时间等限制，复杂的产品或模型 不能作为个整体进行加工，需要将其分割成更小、更简单的块分别加工，再将各 个块组合以得到所需的零件或模型，该项技术称为分割制造技术。分割制造技术可 解决待加工零件模型因结构复杂、体积过大( 超出材料尺寸或机床加工范围) 等造 成的整体加工困难、材料利用率低等问题，已成为近年来学术界和产业界关注的热 点。该技术具有降低加工设备要求、提高生产率，缩短新产品的设计与试制周期， 降低开发费用等优点，应用十分广泛，不但可用于各种复杂零件或其原型件的加工， 还可用于快速模具设计与制造。 现有研究中通常将模型的所有组成面作为研究对象，或者将整体模型三角面片 化，以面片作为研究对象，这样的处理会降低计算效率和计算精度。结合近年来特 征领域所取得的进展，本文首次在分割制造技术中引入特征的概念，以特征作为研 究对象，无论是分割面的获取还是约束条件的生成都是面向特征的，这不但可以在 很大程度上减少计算量，提高计算精度，同时有利于后续制造过程中c a d c a m 的 集成。 可加工性分析是一个贯穿于整个分割过程中的重要部分，是判断分割与否的决 定性因素。当模型不具有可加工性时，需要对其进行分割；在分割的过程中，各个 分割块也要递归进行可加工性分析，直至所有的分割块都具有可加工性。本文以可 视性分析代替可加工性分析，提出基于特征的全局可视性分析算法。该算法应用 v m a p 可视性分析方法获得各个特征的局部可视性，并对具有局部可视性的特征进一 步分析，将局部可视性分析扩大到全局可视性的范围，使可加工性分析结果更加符 合生产的需要。 为了获得最佳分割方案，本文首次提出分割方案多目标优化算法。首先在保证 可加工性的前提下，充分考虑影响生产成本的各种因素，建立包括分割块数量、材 料利用率( 切削体积大小) 、加工特征数和分割面积( 组合面积) 的目标函数，以及 用于分割过程中的可加工性约束条件；然后采用遗传算法实现最优分割方案的获取； 最后提出合并算法，通过冗余分割块的合并，进一步减少分割方案中分割块数量、 加工特征数量以及分割面积。同时，对新兴的多块模具设计进行了探讨，并实现了 自动多块模具设计。 基于上述关键技术研究，利用v c + + 和u g o p e n a p i ，在u gn x 平台上实现了 复杂模型分割方案优选系统的开发。通过典型的零件分割和多块复杂模具设计实例 验证了系统的合理性和有效性。 关键词：分割制造，特征识别，可加工性，可视性，多目标优化，多块模具 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g l e sa n d a p p l i c a t i o no fc o m p l e xm o d e lp a r t i t i o n i n g m a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m i ci n t e g r a t i o na n dm a n u f a c t u r eg l o b a l i z a t i o n , c o m p e t i t i o no fm a n u f a c t u r em a r k e ti s m o r ei n t e n s i v et h a ne v e r e q u i r e m e n t so f c u s t o m e r sa r et e n d i n gt od i v e r s i f i c a t i o na n di n d i v i d u a t i o na n dt h el i f es p a no fap r o d u c t t e n d st ob es h o r t e rt h a nb e f o r e a l lt h e s ep r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fr a p i dd e s i g na n d r a p i dm a n u f a c t u r e m o r ea n dm o r ea d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e s ，s u c h a sr a p i d p r o t o t y p i n ga n dp a r t i t i o n i n gm a n u f a c t u r e ，s p r i n gu p a n da l ea p p l i e ds p e e d i l y s u b j e c t i n gt om a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ，c o s ta n dl e a dt i m ec o n s t r a i n t s ，s o m e t i m e s ，a c o m p l e xp r o d u c to rm o d e lc a nn o tb em a c h i n e da saw h o l e ，a n dn e e dt ob ep a r t i t i o n e di n t o an u m b e ro fs m a l l e ra n ds i m p l e rm a n u f a c t u r a b l ep i e c e s a f t e rm a n u f a c t u r e d ，t h e i n d i v i d u a lp i e c e sc a l lb ea s s e m b l e dt og e tt h eo r i g i n a lp r o d u c to rm o d e l t h a tt e c h n o l o g y i sc a l l e dp a r t “i o n i n gm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y i tc a nr e d u c er e q u i r e m e n t sf o rp r o c e s s e q u i p m e n t , s h o r t e nt h ep e r i o d i c i t yo fd e s i g n t r i a lm a n u f a c t u r ea n dd e c r e a s ed e v e l o p m e n t c o s t ，a n di ta l s oc a nb eu s e di ni n d u s t r yw i d e l y , n o to n l yi nv a r i o u sc o m p l e xp a r t so ri t s p r o t o t y p ep r o c e s s i n gb u ta l s oi nt h ea u t o m a t i o no f m o l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e i np r e v i o u sr e s e a r c h e s ，a l lc o m p o s e df a c e so ft h em o d e ia r et a k e na st h er e s e a r c h o b j e c t i v e so rt r i a n g l ef a c e t sm o d e l i n gi sb u i l tf i r s ta n dt r i a n g l ef a c e t sa l et r e a t e da s o b j e c t i v e s t h e s em e t h o d sw i l lr e s u l t i nl o wc o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ya n df o rt r i a n g l e f a c e t sm o d e l i n gi s a p p r o x i m a t em o d e l ，i tw i l lc a u s el o wp r e c i s i o n c o n s i d e r i n gt h e a c h i e v e m e n to ff e a t u r et e c h n o l o g yd u r i n gl a s td e c a d e s ，f e a t u r e sa r ei n t r o d u c e di n t o p a r t i t i o n i n gm a n u f a c t u r ea st h eo b j e c t i v ei n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m ea n di tc a l la v o i dt h e a b o v es h o r t a g e s a tt h es a m et i m e ，f e a t u r e si n t r o d u c t i o ni sp r o p i t i o u st oc a d c a m i n t e g r a t i o n m a c h i n a b i l i t ya n a l y s i si s a l li m p o r t a n tp a r ta c r o s sp a r t i t i o n i n gp r o c e s sa n di st h e c r u c i a lf a c t o rt od e c i d ew h e t h e rt oe x e c u t ep a r t i t i o n i n g i nt h i sp a p e r , v i s i b i l i t ya n a l y s i si s i n s t e a do fm a c h i n a b i l i t ya n a l y s i sa n dag l o b a lv i s i b i l i t ya n a l y s i sa l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， f i r s t l y , l o c a lv i s i b i l i t yi so b t a i n e du s i n gv m a p ；a n dt h e ne a c hf e a t u r ew i t hl o c a lv i s i b i l i t y w i l lb ea n a l y s i sf u r t h e r g l o b a la n a l y s i sr e s u l tc a l lf i tf o rp r o d u c t i o ne q u i p m e n t f o rt h ef i r s tt i m e ，am u l t i o b j e c t i v eo p t i m a la l g o r i t h mi sp r o p o s e dt og e tt h eo p t i m u m p a r t i t i o n i n gs c h e m e i nt h ea l g o r i t h mp a r t i t i o n i n gp i e c e sn u m b e r , m a t e r i a lu t i l i z a t i o n ， m a c h i n i n gf e a t u r e sa n dp a r t i t i o n i n ga r e aa r ec o n s i d e r e ds y n c h r o n o u s l yt ob u i l do b j e c t i v e f u n c t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mi st a k e nt oi m p l e m e n tt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m a l i nt h i s p a p e r , ac o m b i n a t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt or e d u c et h ep a r t i t i o n i n gp i e c e sn u m b e r , m a c h i n i n gf e a t u r e sa n dp a r t i t i o n i n ga r e af u r t h e r c o m b i n a t i o no fr e d u n d a n c yp a r t i t i o n i n g p i e c ei sp r o p i t i o u st oo p t i m a lp a r t i t i o n i n gs c h e m e s a tt h es a m et i m e ，a ne m e r g i n g m u l t i - p i e c em o l dd e s i g ni si n v e s t i g a t ea n da u t o m a t i cm o l dd e s i g ni sr e a l i z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea b o v ek e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c h , u s i n gv i s u a lc + + 6 0a n du g o p e n a p io nt h ep l a t f o r mo fu gn x , ap r o t o t y p es y s t e mo fi n t e l l i g e n tc a p pa n di n t e g r a t i o n w i t hc a d c a mi nm o l dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gi sd e v e l o p e d t w ot y p i c a lp a r t so fp l a s t i c m o l da r eu s e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y k e y w o r d s ：p a r t i t i o n i n gm a n u f a c t u r e ，f e a t u r er e c o g n i t i o n ，m a c h i n a b i l i t y , v i s i b i l i t y , m u l t i - - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n , m u l t i - - p i e e em o l d s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：7 妒扩年f 月舌日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打搿4 谬) 学位论文作者签名：乏仑百l 日期：口亏，年f f 月石日 指导教师签名： f 硝嘶 日期：坼lf 月多日 ：海交通大学博十学位论文 a 暑宣宣i i i i ；i i i i i i i ；i i 宣宣i i 宣萱宣暑i 暑宣暑i , 1 萱i i 1 1 引言 第一章绪论 改革开放以来，特别是上世纪9 0 年代以来，中国制造业持续高速发展，成为经济持续快 速发展的主要拉动力量。商务部副部长魏建国“亚洲制造业论坛”上表示，中国制造业承接 国际产业转移，在国际分工中的地位不断提升，已具备较好的产业基础，目前规模已上升至 世界第三位f 1 1 。但我国制造业大而不强，是制造大国而不是制造强国，例如在钢铁工业中，大 量出口低价钢材而进口高附加值的合金钢；机床也是出口低价的简单机床，而进口昂贵的数 控和精密机床。中国制造业的劳动生产率，仅是美国的1 2 5 ，日本的1 2 6 。中国很多机械产 品价格虽低，但质量也较低1 2 】。中国制造工业现状决定了整体制造水平，其中制造技术落后是 重要问题之一。中国制造业的技术落后主要表现在两方面，即，制造技术工艺落后，加工精 度低；生产周期长，新产品试制周期长，工作效率和生产效率低，金融成本高。 随着全球经济的发展，新的技术革命不断取得进展和突破，技术的飞跃发展已经成为推 动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工业产品越来越向多品种、小批量、 高质量、低成本的方向发展。为了保持和加强产品在市场上的竞争力，提升综合国力，世界 各国都十分重视先进制造技术的发剧引。先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统 的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术 成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术与现代高新技术相结合而 产生了一个完整的技术群，它是具有明确范畴的新的技术领域，是面向2 l 世纪的技术1 4 j 。 例如，国际市场需求快速变化的特点和更加个性化的市场趋势，使产品更新周期不断加 快，从而促进了快速设计与制造技术的发展【5 1 。快速原型制造、分割制造等先进制造技术不断 涌现，并迅速应用于制造业之中。其中快速原型技术是继2 0 世纪6 0 年代n c 技术之后制造领 域的又一重大突破，它综合运用计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在 不需要传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意形状复杂而又具有一定功能的三维实体模 型或零件，并衍生出快速模具制造技术，其推广应用将明显缩短新产品开发周期，节约新产 品开发和模具制造的费用【6 l ；而分割制造技术，不但可以解决大型、复杂模型无法在三轴机床 上加工的问题，还可以应用于模具设计之中，将成为下一代的模具技术【6 j 。 近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个 阶段性的整体上的差距。闪此，为了使中国早日真正成为一个制造强国，需要针对具体的需 第一章绪论 求，进一步发展具有自主知识产权的先进制造技术。 1 2 现代模具技术的发展 模具是现代工业生产的重要装备，约6 0 - - 9 0 的工业产品需要使用模具，模具t 业已经 成为工业发展的基础。根据国际生产技术协会的预测，2 1 世纪机械制造j i ：业零件粗加工的7 5 ，精加工的5 0 都需要通过模具来完成，其中汽车、电器、通信、石化和建筑等行业最为 突出【。模具作为一种高附加值的技术密集产品，它的技术水平已经成为衡量一个国家制造业 水平的重要评价指标【引。 现代模具与传统模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，用传统的 模具制造方法显然难于制造，必须借助于现代化科学技术的发展，采用先进制造技术，才能 达到技术要求。因此，现代化的模具制造加工业，应以使用模具c a d c a e c a m 技术来实现优 质、高效、低成本的产品生产为目标，以适应用户对产品个性化的追求。从c a d c a e c a m 一体化的角度来说，其发展趋势是集成化、三维化、智能化和网络化，其中心思想是让用户 在统一的环境中实现c a d c a e c a m 协同作业，以便充分发挥各单元的优势和功效 9 , 1 0 1 ，以 实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全 过程，达到实现最佳效益之目的【1 1 , 1 2 l 。 模具既是先进制造技术的重要组成部分，也是先进制造技术的重要应用领域。成功的模 具产品开发需要传统的经验加先进的技术与装备。在模具制造中，模具设计和模具加工往往 是不能截然分开的，两者密切相关，因此，除了设计技术和加工技术之外，还应必须重视一 些综合技术，许多综合技术的发展方向将会对模具制造产生重大影响。如，虚拟技术可以形 成虚拟空间环境，既可实现企业内模具虚拟装配等工作，也可在企业之间实现虚拟合作设计、 制造、研究开发，建立虚拟企业l l3 l ；模具企业中现代企业制度和各项创新机制的建立和运行 是管理技术的核心，也是模具制造成功和企业发展的保证【1 4 , 1 5 l 。 根据国内和国际模具市场的发展状况，有关专家预测，朱来我国的模具经过行业结构调 整后，将呈现十大发展趋势：( 1 ) 愈来愈高的模具精度；( 2 ) 日趋大型化的模具；( 3 ) 扩大 应用热流道技术；( 4 ) 进一步发展多功能复合模具；( 5 ) 日益增多高档次模具；( 6 ) 进一步 增多气辅模具及高压注射成型模具；( 7 ) 增犬塑料模具比例；( 8 ) 增多挤压模及粉末锻模；( 9 ) 广泛应用模具标准件；( 1 0 ) 大力发展快速制造模具【1 6 l 。 同时，模具发展趋势向模具加工设备提出了特殊要求。其中，模具成型零件的日渐大型 化( 如5 年前加工一个汽车侧面需要2 0 3 0 个模具，而现在仅需要4 1 0 个模具【1 7 1 ) 和零件的 高生产率要求一模多腔，是导致模具日趋大型化的主要原因。目前，大吨位的大型模具可达 2 卜海交通大学博十学位论文 1 0 0 吨以上，甚至一模几百腔、上千腔，要求模具加工设备大工作台、加大y 轴z 轴行程、 大承重、高刚性，高一致性；同时，随着制件形状的复杂化，必须要提高模具的设计制造水 平，多种沟槽、多种材质在一套模具中成形或组装成组件的多功能复合模具，就要求加工编 程程序量大，具有高深孔腔综合切削能力和高稳定性，提高了加工难度。从成本角度出发， 使用满足以上要求的加工设备的，必将会造成模具整体成本的提高【1 8 】。分割制造技术作为一 种新型的综合加工技术，应用于大型模具加工之中l 侈l ，可以解决对加工设备要求过高这一问 题。 当前整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争激烈。为适应市场对模具 制造的短交货期，高精度、低成本的迫切要求，快速成型模具将越来越引起人们的重视和关 注脚l 。在快速模具设计与制造中，除了已广泛应用的快速原型技术，分割制造技术也发挥了 重要的作用。 1 3 分割制造思想的产生与发展 1 3 1 分割制造思想的起源 分割制造的思想最早源于快速原型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，g p ) ，这种技术可依据计算机 上的三维设计模型，对工件进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，再通过不同的加工方 法形成各个截面，并逐步顺序叠加成三维工件【2 1 2 2 l 。同时，在实际的生产过程中，由于具体生 产条件限制可能遇剑以下问题，如零件尺寸超过工作台的尺寸，待加工零件的尺寸大于材料 的尺寸或者现有机床无法加工零件上的一些隐含特征等。这些问题的存在导致了零件的不可 加工性。当这种情况出现时，提出一种把一个零件分割成简单些的分割块，分别加工，再把 各个分割块组合得到所需要的零件的分割制造思想1 2 3 1 。 目前，分割制造思想主要应用于以下两种工艺方法之中： 一、快速原型技术 快速原型技术是用离散分层堆积的原理制作产品原型的技术的总称，其原理为：产品三 维c a d 模型一分层离散- 按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料_ + 生成实体模型。自 从8 0 年代中期光围化立体造型技术( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) 发展以来，出现了 几十种不同的i 姆技术。其中，固化立体造型技术、分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e f i n g ，s l s ) 和熔融堆积成形( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 四种技术，代表了r p 技术的主流。图1 1 所示为l o m 快速原 型技术的原理创2 4 i ，加工时用c 0 2 激光器( 或刀) 在计算机控制下切割片材，然后通过热压 3 辊热压，使当前崖与r 面已成形的l 什粘接，从而堆秘成耻 形状沉积制造技术 ，二二功 垒藿翌窒7 y 匡喜习，。f 三i l 彰。钞 目i il o m 快速煦型加i 示意幽 f i gi 】p o f l o m r p 形状沉积制造( s h a p e d e p o s i t i o n m a t l u 角c m d n g s d m ) 由r o b e r tm e r z 等j ke 2 5 埘l 提出，是 继快速原型制造( r p ) 之后出现的另一种快述制造零件的方法。形状沉积制造是一种添加，土 除材料的过程m 1 ，如图l 也所示为形状沉积制造过样的示意图，表示材料沉积与材料击除操作 的个循环。 - 匕d = 匕d 斟i - 2j # 状优积删造的材料0 l 积成膨 f i g l 2 m a t 州a ld e p o s i t i o n d f o x i n g i ns d m 形状沉积制造般采州3 轴或5 轴加1 坤心来实现沉积过秤中材料的去除每沉积完层 材 ： ，川数控加l 的方法将藩层零件业支撑材料加1 成零忭的表面外形后，继续f 一层的沉 积。在特殊的情况f 还可采川电火花戚形表血的方法m 州。 这种方法的优势在r 可以生成任意复杂彤状，以c n c 加【：盘除多采的材料保证了表面的 精度，井且逐块堆积加i ：，避免了传统c n c 中刀几j 。ir l ：问的冲突；可咀直接采用零什设计 所要求的材料进行沉积制造，从而得到荷台实际的功能零什使得该方法杜i 业生产中以 得剑更j 泛的麻。 一 ：海交通大学博l 学位论文 i l l i l i fill- 一 i i 嗣i 高置一 1 3 2 分割制造工艺的发展 尽管r p 和s d m 工艺都用到了分割制造的思想，但由于具体的实现方法不同，对其发展 现状将分别介绍。 一、快速原型技术( r i p ) 由于分割制造的思想源于快速原型制造，其发展历史超过三十年的时间，并且随着新技 术的不断引入，所以i 姆是目前分i i i i i 造技术中研究最深入的领域，已由最初的热情期步入成 熟期，并朝着快速制造方向发展。目前快速原型制造的具体工艺不下3 0 种，根据选用的材 料及对材料的处理方式，可归纳为五大类方法，即选择性液体固化、选择性层片粘接、选择 性粉末熔接、熔融挤压成形和喷墨印刷，这一系列的原型技术均已走向商品化【3 0 ，3 。快速原型 制造的主流工艺有：美国3 ds y s t e m 的立体光刻( s l ) ；美国h e l i s y s 的分层实体制造( l o m ) ， 德国e s o 的选择性激光烧结( s l s ) ，美国s t r a t a s y s 的熔融堆积成形( f d m ) ，美国m i t - z 的 三维打印( 3 d p ) 3 2 l 。国内正逐渐展开l 婶技术和系统的研究与开发，其中，清华大学、西安 交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高校在开展r p 技术、材料、设备的研究工作 中取得了突破性的进展【3 3 彤1 。 结合本文的研究内容，对r p 中的分层技术的发展予以较详细介绍。r p 数据处理过程需 要将c a d 模型数据( s t l 文件) 按一定方向分层为层片模型数据( c l i 文件) 以便于加工 层片，从而堆积成实体。目前，分层方式已经由传统的二维的平面分层发展为空间的曲面分 层。具体而言，分层方式的演变有以下两种：平面演变为曲面( 美国d a y t o n 大学对此进行 了研究) 以及二维分层发展为三维分层( 美国s t a n f o r d 大学对此进行了研究) 。同时一些 具体分层算法被深入研究，如刘嘉易等3 6 1 以表壳型芯的快速原型加工过程的仿真为例，在实 际加工过程前，进行原型件c a d 三维模型仿真，并对仿真结果进行综合的分析评价，进行分 层方案的优化，提高了加工效率；周岩等1 3 7 1 则从解决快速原型中成形精度与成形效率之间的 矛盾出发，介绍了自适应分层的基本原理和两种典型的自适应分层方法。 二、形状沉积制造( s d m ) 形状沉积制造中分层位置的选择，直接影响到加工的效率和精度，传统意义上的s d m 分 层主要采用水平的分割实现，如1 3 所示，r a m a s w a m i 等人1 3 8 1 在其研究中，将零件表面分成 包含凹陷特征( u n d e r c u t ) 、非凹陷特征( n o n u n d e r c u t ) ，以及既包含凹陷特征又包含非凹陷 ( n o n m o n o t o n i c ) 特征三种类型。再据此得到相对应的轮廓线，沿轮廓线进行分割得到各个 加工层。 5 第一章绪论 j l |i i 宣i 宣宣i i 暑宣暑宣宣宣 一式7 一 n o n u n d e r c u tu n d e r c u t n 图l - 3r a m a s w a m i 算法中零件表面类型 f i g 1 - 3c l a s s i f i c a t i o no f p a r ts u r f a c e si nr a m a s w a m ia l g o r i t h m 在零件分层过程中，有时存在几种方案，这时应注意分层对沉积效率的影响。经研究发现， s d m 加工时间主要依赖于分割层数量的多少，而分割层数量由分层方向直接决定【3 9 - 4 2 ，考虑 到s d m 工艺的特殊性，g u p t a 等人i 4 3 1 研究了一种获得优化分层方向的算法，该算法不受初始 给定方向的影响，最终获得的方向为全局最优化结果。图l - 4 为分析实例，其中第一个实例为 给定方向，第二个方向为计算得到的优化方向，可直观看出优化方向所产生的层数少于第一 种方案。 z 图l - 4 采用优化算法后分层数量的比较实例 f i g 1 - 4c o m p a r i s o no f l a y e r sn u m b e rb e f o r ea n da f t e ro p t i m a lb u i l do r i e n t a t i o n s 由于形状沉积制造采用机械加工的方法来成形每一层的沉积材料和支撑材料，因此对沉 积的分层厚度没有限制，可以采用较厚的分层进行沉积。但由于机械加工只能从上部进行， 因此分层的关键在于保证每个分层没有倒扣面，在有倒扣面存在时，必须采取先成形支撑材 料后再沉积。如图1 5 所示为零件分层的示意图，在有斜的底切面时需要用斜的平面进行分层。 鉴于这些需求，c h a n g 等】提出一种可将零件分成自由形状的方法，并且在分割过程中不但考 虑了分割层数的最少，而且充分考虑了分割后加工表面的精度。 6 彰z 移 # ：海交通大学博 学位论文 图i - 5 形状沉积制造材料分层倒扣面的处理 f i g 1 5d i s p o s a lo f u n d e r c u ti ns d mp r o c e s s i n g 1 3 3 现有工艺中存在的不足 现有的分割制造工艺，已在实际生产中发挥着重要的作用，一些传统的加工方法无法获 得或者需要很长加工周期的零件，可由分割制造技术中的某些工艺方便快捷的得到，这也是 该技术得以迅速发展的原因。但是，目前这些工艺也存在一些不足之处，直接影响到了其适 用范围，可归纳为几点： ( 1 ) 所选材料有限如，s l a 材料必须是光敏树脂， 而l o m 尽管可选用若干原材料，例 如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材尚在研制开发中。 ( 2 ) 需要特定设备如，s l a 需要激光发生装置，而s d m 则需要特定的材料沉积设备。 ( 3 ) 通常对加工环境有要求如，l o m 中纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上 漆。 ( 4 ) 成型方向单一在现有的研究中，多采用单一成型，沉积方向，这样的方式必会影响到 分割块数，从而影响到加工效率。 因此，亟待提出一种可普遍应用于生产之中的模型分割制造技术。 1 4 分 j s u 造技术研究意义和研究现状 1 4 1 分害l l s s l 造技术在工业中的应用 本文研究的分割制造技术应用十分广泛，可以用于一些原型件的加工、大型复杂零件的 加工、消失模铸造模样加工以及复杂零件成型模具的设计之中。 一、原型件加工 由于原型件可以用较低的成本快速地生产出来，使得其在新产品开发过程中具有很高的 价值。将原型件用在外形设计过程，可方便设计人员和用户审查，使得外形设计及检验更直 观、有效、快捷：将原型件用于功能检查过程，可快速进行功能测试，以判明是否最好地满 7 第一章绪论 足设计要求，从而优化产品设计；原型件可用来做装配模拟，观察工件之间如何配合、如何 相互影响：原型件可用于供货询价及用户评价，能够及时提供产品模型给用户评价，极大地 提高了产品的竞争能力。 目前，原型件的加工多由快速原犁技术获得，但是如1 3 3 中所述，快速原型技术对于材 料和设备的限制较大，在不满足设备要求的情况下，需要借助于外服获得原型件，会增加设 计与测试周期，提高零件成本。同时，由于快速原型分层叠加中台阶效应等原因，也会对加 工精度和效率有一定的影响。采用本文中的方法可以克服以上的不足，通过分块加工再组合， 可同时兼顾加工效率和精度。 二、大型复杂模具的加工 市场的需求的不断提高，零件趋向丁二复杂化和大型化，对相应的模具制造提出了更高的 要求。如随着冲压件的应用领域越来越，“阔，制作结构也愈来愈复杂。在模具制造方面，整 体式模具的制造成本随产品零件结构的复杂程度在直线上升，而对有些结构的冲压件，制造 出的整体式模具的精度不能满足制件的精度要求，就目前的机械加工水平而言。有些甚至无 法制造出来，需要将模具的结构形式设计成镶拼结构( 或称之为拼合结g j ) 1 4 5 l ；另一方面，模具 的大型化是模具的发展趋势之一( 如1 2 所述) ，当待加工模具的尺寸超出机床加工范围或材 料尺寸时，也需要考虑将模具进行分块加工。 大型复杂模具分块加工不仅能缩短模具的生产周期，降低生产成本，提高经济效益，而 且最重要的是能提高模具的制造精度，保证产品的质量。 三、消失模铸造模样加工 消失模铸造( 又称实型铸造) 是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型埋在干石英砂中振动 造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸 造方法。消失模铸造的铸件质量好，成本低，尺寸精度高，表面光洁，节省机加费用，减少 能源消耗，并可实现大规模、大批量生产【4 6 j 。 消失模铸造用的泡沫模样在浇注过程中要被烧掉，金属液将取代其空间位置而成形铸件， 其中，模样制造是消失模铸造成败的关键，没有高质量的模样，就不可能得到高质量的消失 模铸件。因此需要积极引入高新技术加以改造，降低模样的生产成本，缩短制造周期，提高精 度1 4 7 , 4 8 l 。采用分割制造工艺对模样进行分割，化整为零，可节省费用，提高生产效率。图1 - 6 ( a ) 中表示某阀体铸型( 尺寸为1 3 0 0 n v n x l1 0 0 m m x 3 0 0 m m l 4 9 1 ) ，图1 - 6 ( b ) 表示该铸型的模样 由4 个分块拼接而成，图中给出各个分割块的形状。 8 ( a 采用消失铸造成犁的月伴【b ) 模样分割方案 圈i - 6 丹割制造思想在消失模铸n 中的应用实例 f i g i p a r t i t i o n i n g h c t u ra p p l i c a t i o n i n l o s tc u s i n g 四、模具设计与制造 传统模具通常是指仅有一个基本分趔面，只包含型腔丰犁芯两个主要l 怍部件两部分 沿单分型方向分离得到成犁什的二二分槛( t w op i e c em o l d ，t p m ) 。由丁凸、凹模且限制在 单一方向运动，对复杂i 业制什中可能遇到多个侧凹，还需要增加一些侧抽芯米成型这些侧 凹。由丁侧抽芯的分离卜分复杂，且使得成型过样减慢，些1 r 常复杂的零件甚至不能由二 分模生，。丁是，多块模技术( m u l t i p i e c em o l d ，m p m ) 作为新一代模具技术赢运而生【”l 。 由丁具有多十脱模方向，克服了传统模具中存在的不足，这些模具有一个咀上的分型面 及超过两个的模具块或子部件，每一模具块具有不同的脱模疗向。这种可由不同方向开模的 特性可以消除二分模中存在的删凹。一个m p m 可形象化为一个j 维智力拼酎难题，所有的 模具块组合成为一个空腔之后可咀拆分得到成型件。此外，由rm p m 中不存在侧抽芯，极入 地降低了加工成奉，使得m p m 技术成为加工复杂零什的理想选择。图1 7 所示为采多块模 具加工的零什实例及模具结构，从图中可以看出该种模具可适用丁复杂零什的成形。 一 目l - 7 多块模具设计窑恻 f i g a - 7 c o f m u r ii c c c m o l dd e s i g n 多块模且设计也是分割制造技术应川的一个领域，模具设计过程中，首先生成一个内部 形状为模具加l 零件形状的中空长方体，该醛方体称为模胚( g r o s s m o l do f p a r t ) 1 ，将作为 第一章绪论 葺宣葺i i 昌暑宣i i i 宣宣宣宣宣昌置宣i 暑i 葺皇i 葺ii 写宣宣置宣皇宣；葺暑i i i i 萱i 宣宣i i i 宣i 宣i i i i i i i i 暑i 宣置暑昌暑葺i 皇j 置宣暑暑宣皇 模型分割过程中的待分割对象。 1 4 2 分割制造技术的研究现状 目前，相关的研究主要集中在两个方面： 一、混合快速原型技术( h y b r i dr a p i dp r o t o t y p i n g ，h r p ) 虽然r p 技术有很多优势，但它存在一定的限制，如：对于大型零件加工时间警指数增加， 对材料性能的要求比较高以及固有的台阶效应对提高精度的制约等。针对以上的问题，丰田 汽车科技协会( t o y o t at e c h n o l o g i c a li n s t i t u t e ) 、l a s e rc a m m 、犹他州大学、昆士兰州大学、 代夫特大学、c a s ew e s t e r nr e s e r v e 、香港大学和斯坦福大学的研究计划中涉及到了有关混合加 工方法的系统、算法以及技术等问题 5 2 - 6 0 1 ，提出了混合快速原型技术( h y b 喇r a p i dp r o t o t y p i n g , h r p ) 。h r p 将r p 的优点与c h i c 加工的优点( 精度高、表面质量好) 相结合，将轮廓的堆积 拓展为块的堆积。图1 8 所示为h r p 工艺的示意图，工艺中以给定厚度的板材作为原材料， 首先把模型分割成不超出材料厚度的分割块，再采用c n c 工艺对分割块进行加工，得到符合 要求的块，然后逐层进行堆积，直至得到零件整体。 b a c kf a c em a c h i n i n g e x c e s sr e g i o nr e m o v i n g f r o n tf a c em a c h i n i n g 图i - 8 h r p 工艺过程 f i g i 8p r o c e s so f h r p 在h r p 工艺中，为了保证每一层可由上下两面加。 获得，零件需要被分割成可以从底面 加工或者可由顶面加工的层。图1 - 9 ( a ) 示为一个可加j 【：层，沿s n ：r 方向的任何一条射线与 层仅有两个交点；反之，若沿加上方向交点多于两个，如图1 - 9 ( b ) 所示，则该层不能由h r p 工艺得到。此外，由于h r p 系统中的材料厚度为定值，在分层的过程中需要保证分割层厚度 小于材料厚度。 1 0 卜海交通大学博卜学位论史 ( a ) 可加工层不例 ( b ) 不司加工层不例 图1 9 分割层的刀具可加工条件 f i g i - 9t o o lm a c h i n a b i l i t yc o n d i t i o no fl a y e r h u r 等人【6 1 1 首先以保证每一层的可加工进行分割，即提取与分割方向垂直的凹陷面作为分 割面进行分割，再以材料厚度作为量度进行二次分割，最后进行合并。这种算法虽然保