金属成形制造.doc

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。a)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7为一锥形体成形制造分层示意图。 分层后实际轮廓的台阶效应CAD分层前的理论轮廓图7 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8所示。 图8 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模型各线段及夹角进行顺序标记及记录。Step 2：根据拟使用的分层厚度，对分层后相邻层厚进行记录。Step 3：根据三角计算法则对新边界位置进行计算。Step 4：对新边界相交线段进行处理，去除多余线段。Setp 5：保存重构后的CAD模型。Step3作为CAD模型的重构主要步骤，是以CAD模型轮廓包含于成形件为重构依据进行的。其具体实现过程如图9所示。图9 新边界形成的计算过程首先，按照分层厚度，得到一系列用于分层的线段；然后把这一系列线段向其对应顶点位置平移一个分层厚度，线段端点即为新的CAD模型边界上的点；然后把原底边界延长线与线段相交的点以及新线段相互相交的点作为新的顶点，完成CAD模型的重构。此方法对CAD模型的重构，把原台阶的突出顶点位置包含到重构后的CAD模型之中，使后续分层过程时，不论使用何种分层方法，两端台阶部位最靠近CAD原模型的点都在原CAD模型之外。在重构处理过程中，如果步进距离小于一个层厚，其后的处理过程中分层不当会使成形件轮廓和CAD模型出现互不包含的情况；如果步进距离大于一个层厚，会增加熔覆需去除的加工量。因此，使用一个台阶量作为步进增加量，可在保证成形精度的同时获得较小加工量的成形胚件。重构后的模型由于体积的膨胀，在某些边界相交位置会产生一些重合，故需要通过多边形的布尔运算，重新整理形成新的CAD模型，以保证新生成CAD模型的完备性。对于两个以上的区域重叠现象，只需利用区域的布尔运算处理两个区域，然后对剩余重合区域依次处理，直至完成所有重叠区域的处理为止。b) 等离子熔覆金属直接成形工艺过程产生形状及精度偏差的补偿完成对台阶效应的补偿，仅完成了对离散过程Z向的分层过程补偿，并不能补偿每层内部由于等离子熔覆工艺造成的平面形状误差。因此需对由于工艺引起的单层结构内部误差进行补偿。等离子熔覆金属直接成形制造是基于“离散、堆积”过程的分层堆积方法。它把一个数字化CAD模型的三维立体结构离散成不同平面，然后每一层又被分解成不同的成形路径轨迹的组合。一条成形路径即成形轨迹可以被看作是不同位置的熔池凝固后的叠加。被离散分解的各成形结构局部的几何特征决定了成形结构整体的形状，因此，展开对这些局部结构包括等离子熔覆的熔池、熔覆线、搭接熔覆面和局部立体结构的几何特征研究是提高成形结构精度的必要途径。熔覆工艺是在一层之中的几何形貌控制过程，不同的熔覆工艺对应生成不同的几何形貌，是在X、Y平面之中的精度控制。等离子多层熔覆过程中，每道熔覆起始点和截至点由于熔池的流动性以及金属材料特性会产生由高到低弧形过渡带，如图10所示。同时在多层熔覆与前层无搭接的区域，呈现类似单道熔覆中间高边界低的现象。弧形形貌图10多层熔覆与前层无搭接的区域形貌我们所需要做的补偿，是在后续加工时，把熔覆过程的不规则区域以图11方法去除后，成形实体仍可达到原始CAD模型尺寸要求。从上述方法可以看出，熔覆过程边界区域的不规则形貌主要表现为Z向即高度方向，而片层上所做的补偿是平面方向的补偿，即把不规则区域去除后，三维实体边界仍不能小于原CAD模型。 边界不规则区域分割线边界不规则区域内部熔覆区域图11 边界不规则区域的去除基于加法制造的特性，在补偿的同时也不能出现过分补偿，即不能设置补偿量过大使加法制造的材料节省、加工效率高等特性丧失。使用典型熔覆工艺进行了大量工艺试验，得出熔覆焊道起始、终点位置补偿以及在多层熔覆与前层无搭接的区域的合理补偿量如表1所示。通过实验表明，在此起收弧位置补偿量下，CAD模型的边界得到良好的补偿，熔覆层边界经过少量机械加工后可以达到所需尺寸要求，CAD模型与实际熔覆件比较如图12所示。表1 多层熔覆与前层无搭接的区域的合理补偿量熔覆速度(m/min)0.120.150.18起始位置补偿量(m)0.010.010.012终点位置补偿量(m)0.010.0150.016实际成形零件剖面虚线为CAD模型边界图12 CAD模型边界与实际熔覆件边界的比较图13所示是一个不规则片层结构，及未进行补偿的典型光栅式扫描路径。可以看出在红色虚线区域即边界取向发生突变位置很容易由于熔覆工艺产生的不规则区域使成形件零件尺寸达不到设计要求。根据以光栅式扫描路径进行补偿方法的设计，设计补偿算法如下：Step 1：生成第一道熔覆线路径，使熔覆中心位于CAD模型边界位置（首层的无搭接区域补偿）。 图13 不规则片层结构典型光栅路径及尺寸缺陷位置Step 2：生成后续熔覆路径，在熔覆起始及结束点各增加一个补偿量。Step 3：在多层熔覆与前层无搭接的路径边界进行路径中心与CAD边界位置关系计算。Step 4：如果路径中心在CAD边界外，此区域不进行补偿。Step 5：如果路径中心在CAD边界内，此区域增加新的搭接层。Step 6：对新生成搭接层端点在原路径端点序列位置进行插入，如端点与原熔覆线重合，合并两个熔覆线。Step 7：完成后对生成的光栅式路径进行记录。同时，对OFFSET偏置型路径的补偿也进行了设计，由于其每一熔覆线闭合，端部无需补偿，仅考虑未搭接区域补偿，具体补偿算法要点为：内外边界与内外熔覆路径中心位置重合。通过上述过程，完成一整套等离子熔覆成形再制造软件系统。系统所使用界面如图14所示。完成软件系统后，对成形系统实用性进行了考察，进行了多个CAD模型的实体堆积成形作业。图15是快速成形系统建立后试制零件的过程。图16是使用自主研发熔覆系统加工的另一个零件