激光塑性成型技术应用二合一.doc

激光塑性成型技术应用塑性加工具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。根据专家的预测，到21世纪，零件粗加工的75%和精加工的 50%将采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。新世纪科学技术面临着巨大的变革，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广是过去任何时代所无法比拟的，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状和发展前景有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展。精密成形技术精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来，精密铸造技术、精密压力加工技术与精密焊接技术突飞猛进。在精密铸造方面，熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造和消失模铸造等技术得到了重点发展，铸件质量大大提高。例如采用消失模的铸件，壁厚公差可达 0.15mm，表面粗糙度可达Ra25m。在精密压力加工方面，精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、塑性加工具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。根据专家的预测，到21世纪，零件粗加工的75%和精加工的 50%将采用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。新世纪科学技术面临着巨大的变革，通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展速度之快，学科领域交叉之广是过去任何时代所无法比拟的，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状和发展前景有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展。精密成形技术精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近10年来，精密铸造技术、精密压力加工技术与精密焊接技术突飞猛进。 在精密铸造方面，熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、金属型铸造和消失模铸造等技术得到了重点发展，铸件质量大大提高。例如采用消失模的铸件，壁厚公差可达 0.15mm，表面粗糙度可达Ra25m。在精密压力加工方面，精冲技术、超塑成形技术、冷挤压技术、成形轧制、无飞边热模锻技术、温锻技术、多向模锻技术发展很快。例如700mm汽轮机叶片精密辊锻和精整复合工艺已成功应用于生产，楔横轧技术在汽车、拖拉机精密轴类锻件的生产中显示出极佳的经济性。除传统的锻造工艺外，近年来半固态金属成形技术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。所谓半固态金属成形是指对液态金属合金在凝固过程中经搅拌等特殊处理后得到的具有非枝晶组织结构、固液相共存的半固态坯料进行的各种成形加工。这种新的金属加工技术可分为半固态锻造、挤压、轧制和压铸等几种主要工艺类型，具有节省原材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制品性能等一系列优点，并可生产复合材料的产品，被誉为21世纪新兴金属塑性加工的关键技术。在精密焊接方面，电子束焊接、激光焊接、激光切割、脉冲电阻焊接技术和感应钎焊技术的发展十分迅速，在汽车和家电行业得到了广泛的应用并取得了显著的经济效益。此外，在粉末冶金和塑料加工方面，金属粉末超塑性成形、粉末注射成形、粉末喷射和喷涂成形以及塑料注射成形中气体辅助技术和热流道技术的成功应用，大大扩充了现代精密塑性加工的应用范围。精密成形技术发展速度之快、应用之广，使国际机械加工技术协会有充足的理由认为，在21世纪之初，精密成形与磨削加工相结合的加工方式，将取代大部分中、小零件的切削加工，在2010年左右，精密成形的精度将会进一步提高，成形公差可望达到当今的磨削精度，实现工业界梦寐以求的“净成形”（无余量的完全零件形状）的奋斗目标。快速成型与快速制模技术快速成型技术（RP）是快速原型与制造技术的简称，其成型原理为：先由几何造型软件生成产品的三维模型，然后按一定厚度分层，获得各个截面的平面信息，经数据处理后，数控系统有序地连续加工出每个薄层并使它们粘接成型。快速成型主要有激光立体光刻（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积制造（FDM）等方法。近几年来，我国激光快速成型技术发展十分迅速，有些研究成果已达到国际先进水平。如华中理工大学研制的分层实体制造（LOM）成型系统、西安交通大学的立体光刻（SLA）成型系统等，其主要技术指标均接近或达到国际名牌机型的水平。快速成型技术对于模具的快速制造产生了重要的影响和推动作用。用于小批量生产的塑料模具和冷冲压模具可以依照由快速成型方法所获得的产品实体直接用硅橡胶、环氧树脂或金属材料制造。用于大批量生产的各种模具也可由快速成型和铸造技术相结合的方法制造。快速制模技术由于具有制造周期短、成本低、综合经济效益高等优点，十分适合新产品开发和小批量多品种的生产方式，近10年来发展非常迅速。除了快速成型在快速制模中应用外，电弧喷涂成形技术、实型铸造制模技术、氮气弹簧在冲压模具中的应用、锌基合金制模技术、低熔点合金制模技术、铜基合金制模技术、电铸技术在注塑模具中的应用、环氧树脂制模技术、无模多点成形技术、叠层钢板制模技术等快速制模的新工艺、新方法和新设备层出不穷，显示出强大的生命力和显著的经济效益。高速铣削和电火花铣削技术随着产品零件微型化和精密度要求的提高，对模具加工精度的要求也越来越高。超精密加工技术在近年来发展很快，最为突出的是高速铣削加工技术。高速铣削不仅工件加工表面质量好，与传统的切削方式相比，还具有工件温升低、热变形小、切削力小等优点，十分适合于对温度和热变形敏感的材料及薄壁、刚性差的零件加工。合理选用刀具和切削用量，高速铣削可用于硬质材料（硬度达60HRC）的切削加工。在第七届上海国际模具展览会（1998年）上展出的瑞士米克朗公司的HSM700型高速铣削机床，主轴转速达42000r/min，切削进给速度为20m/min；意大利菲迪亚公司展出的DIGIT643型高速铣削机床转速也达28000r/min，进给速度15m/min。高速铣削加工技术在模具制造中的应用越来越广泛，被人们誉为“第三代制模技术”。电火花铣削加工技术（又称为电火花创成加工技术）是电火花加工技术的重大发展，这是一种替代传统的用成型电极加工模具型腔的新技术。像数控铣削加工一样，电火花铣削技术采用高速旋转的杆状电极对工件进行二维或三维轮廓加工，无需制造复杂、昂贵的成型电极。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E电火花创成加工机床配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成化系统、在线自动测量系统和动态仿真系统，体现了当今电火花铣削加工机床的水平。伴随着高速切削电火花加工技术的进步，模具加工过程的检测手段和模具表面处理技术也取得了很大进展。现代三坐标测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外，其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施以及简便的操作步骤使得现场自动化检测成为可能。 在模具表面处理方面，抛光技术的进步也十分突出。现代超声抛光设备能使模具表面抛光至Ra0.050.025m，达到镜面抛光的要求。模具表面耐磨、耐腐蚀和花纹处理技术也有长足的进步。CAD/CAM技术CAD/CAM 是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程，它以计算机软件的形式为用户提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。模具CAD/CAM能显著缩短模具的设计制造周期、降低生产成本、提高产品质量，这已成为人们的共识。在CAD/CAM技术日新月异的今天，工业部门已不满足于仅仅将计算机作为绘图和数控编程的工具，工程技术人员迫切地希望在同一软件环境下，既能自动绘图，又能有设计、计算、分析和加工的能力，于是模具CAD/CAE/CAM集成化系统便应运而生。在各类塑性加工工艺中，塑料注射成形工艺计算机集成系统的应用最为突出。世界著名的CAD/CAM系统，如CADDS5，Pro/E和UG等，均实现了CAD/CAM系统与塑料注射过程模拟、模具结构设计和模具型腔数控加工的初步集成并取得了显著的经济和社会效益。为了适应国际发展潮流，华中理工大学模具技术国家重点实验室正在开发新一代塑料注射模软件。所谓新一代注塑模软件，是指利用计算机集成制造技术(CIM)开发的注塑模集成制造系统(CIMS)，这种高度集成的系统能支持模具设计与制造的全过程，具有智能化、集成化、面向装配和模具可制造性评价等特点。应该指出的是，在CIMS基础上发展起来的虚拟技术将在 21世纪的塑性加工领域发挥作用。所谓虚拟技术，是指以CAD/CAM支持的仿真技术为前提，对设计、加工、装配、试模等工序建立相关联的数学模型，配置必要的硬件(如头盔、手套或者信号反馈装置等)和软件(如图形加速软件、虚拟现实模型语言等)，形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品和虚拟的企业。在虚拟技术的支持下，从用户订货，产品创意、设计到零部件生产、装配、销售以及售后服务等全过程的各个环节都可以分别由处在不同地域的企业进行互利合作。通过国际互联网、局域网和企业内部网实现模具的异地设计和异地制造，提高企业快速响应市场的能力。结束语现代先进制造技术正在改变塑性加工领域的许多传统观念和生产组织方式，技术创新已成为21世纪企业竞争的焦点。由于新技术的应用和引导，塑性加工在国民经济中的作用越来越大，在一定程度上决定了我国机械制造业在21世纪的市场竞争能力，对此，我们要有足够的认识并采取得力的措施。激光快速成型系统软件1.激光变长线快速成型系统基本工作原理 快速成型技术的概念（RP）是在1979年日本东京大学教授中川威雄发明的叠层模型制造法的基础上发展起来的一门新兴技术。到目前它已成为一门集CAD技术、数控技术、激光技术和新材料技术于一身的综合学科。该项技术从理论上实现了柔度为1的单件生产方式，取消了专用工具，从而实现了机械制造的新概念：即当零件的形状、要求改变时，无需重新设计制造工装专用工具，仅改变它的CAD模型，在重新调整、设置参数后即可制造出新的零件。这一技术的发展不仅给学术界带来了一种全新的现代制造的技术发展种新思想，而且为解决长期困扰工业界的用户要求急，研制周期长等问题提供了一条崭新的方法。因此受到了世界范围的广泛重视。到目前已发展了数十种快速成型方法，仅激光快速成型方法也已发展了十余种之多，概括起来主要分3类：（1）直接利用光能的液体或固体化学方法；（2）直接利用光能的粉末烧结方法；（3）在已有表面上选择性地添加材料（微粒或层片）方法。本文所研究的激光变长线快速成型方法属于第二种，其基本工作原理如图1所示。 激光器发出的激光束通过光学系统被展成一条长度可控的激光线，其线长由一电机（Z轴）进行控制，该光学系统安装在X轴电机和Y轴电机控制的直线运动单元上，组成了X-Y扫描头，通过对X轴、Y轴、Z轴电机的进给控制，可以实现以激光点到最大激光线长的激光线（L=50mm），对在500mm的工作平台内的任何图形进行扫描。由于该系统首次采用激光线段对粉末材料的烧结，省略了由激光点连成线烧结过程，从而可以大大提高加工效率和加工面积。 2.变长线激光成型技术软件概述变长线激光快速成型系统软件包括从CAD造型直到驱动数控加工整个过程中所有软件。从工作情况来看其包括如下处理过程：首先由CAD软件生成曲面或实体模型，然后将CAD模型转化为表面三角化模型（STL文件格式），利用分层（切片）软件，将STL文件所表示的模型转化为一层层的平面轮廓信息，层厚可根据加工精度要求进行设定，再以最大激光线长对各平面轮廓表示的平面图形进行分区处理，获得对各分区进行扫描烧结时的扫描头各电机的NC代码，最后进行成型加工。如果从工作性质来看，上述软件又可分为三部分：即造形软件、预处理软件和数控加工软件。图2给出了软件系统的结构示意图。 3.软件结构及功能 3.1造型软件三维CAD造形软件是激光快速成型技术的重要组成部分。其主要作用是设计出待加工工件的模形。并对模型进行表面三角化离散处理。国际上功能较强的CAD软件都具有线框模型，实体模型和曲面模型的造型三种功能，但目前多用实体模型和曲面模型进行快速成型中的原形设计。为了适迎合快速成型技术的发展，很多CAD软件都配备了STL接口（STereLitbography）。STL接口的主要功能就是实现对模型进行表面三角化处理，即对模型的内外表示进行三角形离散，其离散精度可以根据精度要求进行控制，要求精度越高，在三角化离散时所用三角形的边长越小，对一个模型的描述所需的三角形就越多，离散处理所耗的时间越长，而且处理后的数据量越大，经过表示三角离散处理后的模型次据称为STL文件。 3.2预处理软件预处理软件的作用就要对由STL文件格式所描述的模型进行处理，以提供数控软件所要求的数据，从处理过程来看主要包括： （1）对STL文件的正确性进行检验和修补 由于STL文件是对原始CAD模型进行表面三角化所得，所以无论是原始CAD模型中存在的问题，还是在表面三角化过程中产生的问题，最终都会反映到STL文件中。其主要问题包括在STL文件中存在裂缝空洞、悬面、重叠面和交叉面等。如果直接对含有这些问题的STL文件进行分层处理，就会在分层后出现不封闭面和岐义面现象，所以要在分层处理前首先对STL文件的正确性进行检验。由于引起STL文件中出问题的原因是多方面的，有些错误可以用简单的方法进行修补（如片面错误和小裂缝等），但对于一些较大错误如面片丢失，模型中含有相交体和面时，就无法用简单的方法进行修正。例如在CAD实体造型系统中，常采用构造实体几何模型，即通过一些简单形体结合来表示复杂形体，由于模型设计者的原因，在进行两个物体对接时常常会出现一个物体延伸到另一个物体内的情况，结果产生了不正确STL文件，对这些问题，通常的解决方法是重新造型。因此要求在软件中要求有STL文件的进行正确性检验的功能，而且能够显示错误类型，并可对一些简单错误进行修复。 （2）分层处理分层软件首先要读出STL文件中的数据，STL文件一般有二进制格式和ASCII码格式有两种存贮方式，因此，要求分层处理软件对这两种格式均可读入。由于在STL文件中各三角形信息的存放是无序，不反映各三角形之间的连接关系，因此在数据读入后要根据STL文件所提供的信息，进行信息前拓朴重建，从而可以根据任一三角形的顶点或边可以快速找到与此点相关的所有三角形的边，以及与边相关的三角形的其它边，以便提高后序求交处理的运算速度。所谓求交运算就是一组以一定间隔的平行于XOY平面的平面与模型轮廓求交，求得交线，然后以一定的规则对这些交线进行分类和连接，从而产生了实体在不同高度上的截面轮廓线。各XOY平面间的间隔可根据加工精度要求进行设定和调整。在有些分层处理软件中，各层间的间隔在满足精度要求的情况下是可变的，即当相邻层各轮廓的差异不大时，自动加大层分层间距，这样，对于有些工件的加工时，可以大大提高加工效率。但由于层厚的选择还与激光能量，扫描速度以及材料等因素有关，因此在加工过程中，在对层厚进行改变时，要相应改变相关加工参数的设置。 （3）分区处理软件 分区处理是变长线快速成型系统中所特有的预处理软件。由于激光器能量和光学扫描头结构的限制，扫描头可输出的最大激光线长不可能无限，而且对于加工工件层面中有孔洞时，要对一个层面进行多次扫描，如图3所示图形，如果外圆的半径不超过激光的最大扫描头可输出的最