热加工自动化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主编：清华大学 严绍华,主讲：张 建,学时：,30,热加工工艺基础,（工程材料及机械制造基础,）,第一节 快速原型技术,一、快速原型技术简介,1.,快速原型技术的概念,快速原型技术：是由,CAD,模型直接驱动的快速制,造复杂形状三维实体零件技术,的总称。,成形原理：从成形角度看，将零件视为点、线、,面的叠加而成。从,CAD,模型中离散,得到点、线、面的几何信息，再与,快速成形的工艺参数信息结合，控,制材料有规律地、精确地由点、线,到面，由面到体地逐步堆积成零件。,工艺过程：,(1),产品的,CAD,建模：应用三维,CAD,软件，根据产品要求设计,三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。,(2),三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模,型上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。,(3),三维模型的,Z,向离散化,(,即分层处理,):,将近似模型沿高度,方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓,信息。,(4),处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生,成层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。,(5),逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令,RP,系统中的成形头在,X,Y,平面内按截面轮廓进行扫描，,固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前,层与已加工好的零件部分粘合。然后，成形机工作台面,下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行,直到整个零件加工完毕。,(6),后处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。,2.,快速原形技术的特征,(1),技术高度集成化 快速成形技术是计算机技术、,数控技术、控制技术、激光技术、材料技术和机,械工程等多项交叉学科的综合集成。它以离散,堆积为方法，在计算机和数控技术的基础上，追,求最大的柔性为目标。,(2),高度柔性化 对整个制造过程，仅需改变,CAD,模型,或反求数据结构模型，对成形设备进行适当的参,数调整，即可在计算机的管理和控制下制造出不,同形状的零件或模型。,(3),设计制造一体化,CAD,CAM,一体化。由于采用了,离散,/,堆积的分层制造工艺，能够很好地将,CAD,、,CAM,结合起来。,(4),大幅度缩短新产品的开发成本和周期 可减少产,品开发成本,30,70%,，缩短开发时间,50%,至更少。,(5),制造成形自由化 可根据零件的形状，不受任何,专用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件,复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、,不同材料复合的零件。,(6),材料使用广泛性 金属、纸张、塑料、树脂、石,蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型制造领域,已有很好的应用。,优势,：,(1),从设计角度考虑 可以设计制造热门、任意复杂,的三维几何实体，不用考虑毛坯形状、工装卡具、,时间和成本的限制；减少零件数量，不受刀具加,工能力的限制，同时用于精度、装配的时间减少。,(2),从制造角度考虑 用,CAD,模型直接驱动，成形过程,无需人工干预或较少干预；通用成形设备无需专,用夹具或工具；减少材料浪费，降低原材料储存,运输费用等；采用参数化设计、参数化制造，零,件一致性好。,(3),从市场和用户角度考虑 避免传统方法中复杂的,中间加工制造环节和设计失误造成的损失，实时,地根据市场需求而低成本、少风险地改变产品；,产品多样化，可面向订单生产。,二、快速原型工艺,1.,立体平版印刷工艺,(Stereo,lithograghy,SL),SL,工艺：,是利用光固化树脂在一定频率单色光,的照射下迅速固化的特性进行工作的。,工艺原理是：,逐层扫描固化,从最底层开始，激光在光敏树脂,表面扫描，在扫描过程中，激光,的曝光量超过树脂固化所需的阈,值能量的地方才会发生聚合反应,形成固态。在计算机控制下，对,液态光敏树脂逐层扫描、固化，,完成原型的制作。,特点：,(1),尺寸精度高,SLA,原型的尺寸精度可达,0.lmm,。,(2),表面质量好。,(3),成形过程自动化程度高,SLA,系统非常稳定，加工,开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制,作完成。,(4),原材料利用率高原材料的利用率将近,100%,。,(5),能制造形状特别复杂,(,如空心零件,),、特别精细,(,如首饰、工艺品等,),的零件。,(6),制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。,缺点：,(1),成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形；,(2),设备运转及维护成本高等。,2.,分层实体制造工艺,(Laminated Object,Manufac,-,turing,，,LOM),LOM,工艺：是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件,的一种技术。,工作原理：,逐层粘接切割,采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作,为成形材料，片材表面事先涂覆上一,层热熔胶。加工时，用,CO,2,激光器,(,或,刀,),在计算机控制下按照,CAD,分层模型,轨迹切割片材，然后通过热压辊热,压，使当前层与下面已成形的工件层,粘接，从而堆积成型。,特点：,(1),生产效率高,LOM,工艺只需在片材上切割出零件截面的轮,廓，而不用对整个截面进行扫描。因此成形效率比其他,RP,工艺要高，非常适合于制作大型实体原型件。,(2),零件精度较高,LOM,工艺过程中不存在材料相变，因此不,易引起翘曲变形，零件精度较高，小于,0.15mm,。,(3),无需设计和制作支撑结构 工件外框与截面轮廓之间的,多余材料在加工中起到了支撑作用，所以无需加支撑。,(4),后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化,处理。,(5),原型制作成本低,LOM,工艺常用的原材料为纸、塑料薄膜,等，这些材料价格便宜。,(6),制件能承受高达,200,的高温，有较高的硬度和较好的力,学性能，可以进行各种切削加工。,不足：,(1),工件,(,尤其是薄壁件,),抗拉强度和弹性不够好；,(2),易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理等。,3.,选择性激光烧结工艺,(Selected Laser,Sintering,，,SLS),SLS,工艺：是利用激光所提供的能量有选择性地融,化热塑性塑料以形成三维零件。,工作原理：逐层扫描熔化凝固,SLS,工艺与,SL,工艺几乎相同，只是将,SL,工艺中液态光固化树脂换成在激光,照射下可烧结成型的粉末烧结材料。,特点：,(1),可以采用多种材料：可采用加热时粘度降低的任,何粉末材料，特别是可以直接制造金属零件。,(2)SLS,工艺无需支撑：因为没有被烧结的粉末起到,了支撑的作用，不需要支撑。不仅简化了设计、,制作过程，而且不会由于去除支撑操作而影响制,件表面的品质。,(3),制件具有较好的力学性能，可直接用作功能测试,或小批量使用的产品。,(4),材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。并,且材料价格较便宜、成本低。,不足：成形速度比较慢、成形式精度和表面质量不,太高，而且成形过程中能量消耗较高。,4.,光掩膜工艺,(Solid Ground Curing,，,SGC),5.,熔化堆积工艺,(Fused Deposition Modeling,，,FDM),FDM,工艺：是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化,熔化后的材料在移动的过程中被挤压出,来堆积零件。,工作原理：采用一个加热头将热塑性材料细丝加热,成半液态，计算机控制下的,FDM,喷嘴根,据,CAD,模型所确定的几何信息将半液态,的热塑性材料挤出，沉积成薄层，层层,堆积，从而将零件的几何设计变成真实,零件。,特点：,(1),该工艺无需激光系统，设备使用、维护简便，成,本较低，其设备成本往往只是,SLA,设备成本的,1,5,。,(2),可以在办公室环境下使用。,(3),用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。,(4),原材料成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小。,(5),使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便，效果好。,不足：,(1),成形精度相对其他,RP,工艺较低；,(2),成形时间较长。,6.,三维印刷工艺,(Three Dimension Printing,，,3DP),3DP,工艺：是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘,接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在,一起，而其它地方仍为松散粉末，层层,粘接得到最后的三维实体。,工作原理：先涂敷一层陶瓷粉末，喷头在计算机控,制下根据零件的截面形状喷粘结剂,(,印,刷一次,),，形成一层凝结粉末层,(,没有喷,到粘结剂的粉末仍为分散状,在成形部,分间起支撑作用,),；这样一层一层重复,循环，最终粘结形成一个三维实体；烧,结后即可得到一个陶瓷壳用于浇注。,特点：,(1),直接制模铸造，它通过电子模型制成固体的三维,陶瓷模壳；,(2),直接利用计算机辅助设计的数据自动制造陶瓷壳,而无需模具或压型，使熔模铸造省去了制压型、,蜡模以及涂挂涂料的工序，大大缩短了熔模铸件,的生产周期；,(3),不用考虑蜡模变形等因素的影响；,(4),不仅可制得近净形零件，并能制造出中空的零件。,使用该法的工厂可在收到订单后一周内可交付高,精度的铸件。,三、快速原型技术的应用,(1),制造产品的概念原型与功能原型,;,(2),直接制造形状复杂的单个零件,;,(3),中小批量生产时利用原型翻制模具后再制造零件,;,(4),批量生产时利用原型模样制造模具,.,表,典型快速原型制造技术特点及常用材料对照表,成型方法,成型速度,成型精度,成型制件大小,原材料,立体印刷成型,SLA,较快,较高,中等,热固性光敏树脂,层合实体制造,LOM,快,低,简单,纸、金属箔带、塑料膜,选域激光烧结,SLS,较慢,较低,复杂,石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末,熔融沉积制模,FDM,较慢,较低,中等,石蜡、塑料、低熔点金属,第二节 热加工中的计算机技术,第三节 热加工自动设备及系统,