第十章 第六节 先进制造工程技术

第十章特种加工方法及先进制造技术06【先进制造工程技术】一二三计算机辅助制造快速成型技术计算机辅助工艺规程设计（CAPP）先进制造工程技术一、计算机辅助制造在实际生产中，需要进行机械加工的零件各式各样。据统计，在机械制造中，有大约25%的零件采用大量生产;其余75%的零件生产批量通常在50件以下,多采用单件小批生产。单件小批生产具有生产准备时间长、工艺手段落后、制造周期长、管理复杂和生产成本高等特点。计算机辅助制造(CAM—ComputerAidedManufacturing)则很好地解决了单件小批生产中存在的这些问题。计算机辅助制造(CAM)就是指直接或间接地将计算机与加工设备联系起来,实现利用计算机系统辅助完成从原材料到产品的计划、管理、控制及加工操作的全过程。包括工具（刀具、夹具)设计、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)、生产规划、工序设计和数控编程等。计算机辅助制造系统的组成可以分为：硬件和软件两方面;硬件方面包括数控机床、加工中心检测装置、装印装置、输送装置、存储装置、计算机、绘图仪、打字机等;软件方面包括计算机操作系统、计算机网络、数据库、计算机辅助设计软件、计算机辅助工艺规程设计软件、计算机辅助数控加工软件、计算机辅助质量控制软件等。从系统角度看，计算机辅助制造系统由物料系统，能量系统和信息系统所组成。计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)是指产品从设计到制造全过程的信息集成和信息流自动化。显然,整个制造过程是在计算机监控下的数控机床上进行的，现代机械制造技术的发展趋势就是将CAD/CAM与数控加工作为整体考虑,研究从CAD如何向CAM/NC过渡的技术。CAD/CAM系统结构如图11-10所示。先进制造工程技术二、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)计算机辅助工艺规程设计(CAPP—ComputerAidedProcessPlanning)是在成组技术的基础上，通过向计算机输入被加工零件的原始数据、加工条件和技术要求等，由计算机自动地进行编码、编程、绘图，直到最终输出经过优化的工艺规程卡的过程。CAPP是连接计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的纽带、也是柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的技术基础之一。（一）计算机辅助工艺规程设计的功能CAPP就是利用计算机进行零件的机械加工工艺规程设计、其主要功能有：（1）制订零件的机械加工工艺路线如确定零件各加工表面的加工方法、加工方案和加工顺序等。（2）工序设计如确定各工序的工序尺寸及其公差,解算工艺尺寸链，合理选择刀具，夹具、量具、切削用量和机床设备等。（3）输出完整的机械加工工艺文件如工序卡(包括工序简图）、模拟加工过程、显示刀具运动轨迹以及自动生成数控加工代码等。CAPP系统能迅速地制订出零件的机械加工工艺文件，缩短了生产准备时间，促进了工艺规程的标准化和最优化。先进制造工程技术（二）CAPP系统的基本原理和常用方法CAPP系统的基本原理是将经过优化的标准工艺(或工艺规程的逻辑过程)存入计算机中,使用时根据零件的有关信息，识别并检素到该零件族的复合工艺,并对其工序进行增减和编辑(或按工艺决策进行推理自动生成)形成具体零件的工艺文件。目前,国内外的各种CAPP系统各有特色，按其工作原理可分为以下三种基本类型：1.派生法CAPP系统派生法又称为变异法或修改法，它是建立在成组技术基础上的CAPP系统。即利用零件的工艺相似性，通过检素和修改标准工艺(典型工艺)规程而成待加工零件的工艺规程。建立此系统时，首先根据零件结构和制造特征的相似性;进行零件的编码、分组，构成零件族。并建立零件族特征矩阵：然后为每个零件族制定出标准(典型)工艺和相应的检素方法与逻辑;最后将这些信息数据存入计算机数据库中待用。当为某个零件进行工艺设计时，将待加工零件进行分类编码并划归特定的零件族,并根据零件代码进行检索,获取所属零件族的标准工艺规程;然后用编制好的程序以自动方式(或人机交互方式)进行筛选、编辑或修改,从而得到待加工零件的工艺规程、2.创成法CAPP系统创成法CAPP系统的工作原理是根据加工能力知识库和工艺数据库中的工艺信息和各种工艺决策逻辑，让计算机模仿人的逻辑思维，自动地生成零件的加工工艺规程。该系统首先将与零件的工艺设计有关的加工原理、工艺逻辑原则(如“先粗后精”“基准重合“等原则、加工方法、加工顺序等逻辑关系)等存储在计算机系统的数据库或知识库中。当需制订某零件的工艺规程时，先输入该零件的几何要素和技术要求等参数，计算机在自动分析这此参数后，利用所规定的加工原理和逻辑原则自动生成加工工艺规程。在此系统中决策逻辑是软件的核心，基本上排除了人的干预、保证工艺规程的客观性和科学性。但是由于工艺设计涉及的因素多，生产环境的复杂、多变特性，使系统十分庞大复杂,开发工作量大、费用高。因此，目前完全创成法CAPP系统还处于研究阶段，在生产中实用的还不多。先进制造工程技术3.综合法CAPP系统实际生产中,采用较多的是综合法CAPP系统,它综合考虑派生法和创成法而设计的工艺规程编制系统，其工作原理如图11-11所示。该系统以派生法的“检素—编辑”的原理为主，当零件不能归入系统已存在的零件族时，则转向创成法进行工艺规程设计，或在工艺编辑时引入创成法的决策逻街原理。此法具有派生法和创成法的优点，克服了它们的部分缺点,所以应用十分广泛。我国自行开发的CAPP系统大多为这种类型。4.CAPP专家系统它是将人工智能技术应用在CAPP系统中形成的CAPP专家系统。CAPP专家系统的基本结构如图11-12所示，它通常由知识库、动态数据库、推理机制、解释机制、知识工程师、领城专家、开发机制和用户界面等组成。它与创成法CAPP系统不同。创成法CAPP系统采用逻辑算术规则进行决策,而CAPP专家系统则是以“推理+知识”专家系统技术来解决工艺设计中经验性强、模糊和不确定的若干问题。它更加完善和方便，是CAPP系统的发展方向，也是国内外研究的热点之一。先进制造工程技术三、快速成型技术快速成型(RP——RapidPrototyping)制造技术问世于20世纪80年代中期，并在90年代末期得到了很大的发展，它可以制造任何复杂的三维几何实体零件。1.快速成型技术的工作原理快读成型RP制造技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的新型制造方法。首先由CAD软件设计出所需要零件的三维曲面或实体(电子)模型，并根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原三维电子模型变成二维平面(截面)信息;然后将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数，生成数控代码;最后在计算机的控制下,利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学作用等方式,有选择地逐层固化(或粘结）液体(或固体)材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原型零件。它把原来很复杂的三维制造转化为有序的二维薄片层的制造并自动粘结成形;把零件制造过程转化为有序的简单单元体的制造与结合过程,从而取消了模具。它综合了机械工程、自动控制、激光、计算机和材料等学科的技术。根据选用的材料和对材料处理方式的不同，可将快速成型RP制造技术分为：光固化法(SLA)、叠层法(LOM)、激光选区烧结法(SIS)、熔融沉积法(FDM)、掩膜固化法和三维打印法(3D-P)等。先进制造工程技术下面简要介绍几种快速成型方法的原理和特点。（1）光周化法(或称光造型法SLA）此法使用液态光敏树脂作为成形材料。其工作原理如图11-13所示，它是将计算机控制下的紫外激光按零件的各分层截面信息在光固化树脂表面上进行逐点扫描，使扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而硬化，形成零件的一个薄层;一层固化完成后，工作台下移一个层厚，再在已固化的树脂表面上进行扫描，在原层的基础上牢固地固化上一个新层。这样不断层层叠加,就形成一个所需要的三维实体零件。光固化法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型RP制造方法。其主要特点有：制造精度高（士0.1mm)，表面质量好，原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂(如腔体等)及特别精细（如首饰、工艺品等)的零件，特别适合制造壳体形零件;能使用在固化中伴随有一定收缩的脆性材料制造成所需的零件。先进制造工程技术（2）叠层法(LOM）其工件原理如图11-14所示，首先在基板上铺上一层箔材，在计算机控制下采用激光按分层信息切割出该层的形状,同时将多余部分的箔材按一定的网格形状切成碎片;然后再重新铺上一层箔材,用热压辊加热使其粘结在一起，再用激光切割出该层;重复上述过程.逐步形成所需零件的轮廓,最后将不属于原型的箔材小块剥除掉。即得到所需的完整零件。叠层法的主要特点是：激光只做轮廓扫描,而不需填充扫描，成型效率高;运行成本低;成型过程中无相变，且残余应力小;但材料利用率低，表面质量较差。故此法适合于加工较大尺寸的零件。先进制造工程技术（3）激光选区烧结法（SLS）其工作原理如图11-15所示，它是采用激光器作为能源，首先将预热后的粉末材料(如铁、钴、铬及其合金等金属粉,或聚碳酸脂粉、陶瓷等非金属粉)铺平压实,在计算机的控制下，按照零件分层轮廓有选择地进行烧结,熔结成一个层面;再铺粉并用平整筒压实，让激光烧结,逐步形成一个三维实体，去除多余粉末材料;最后经打磨、烘干等处理后便获得所需零件。激光选区烧结法的主要特点是：成型零件的机械性能好,强度高;但粉末较松散，烧结后在高度方向上的精度不高。先进制造工程技术2．快速成型