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面向快速制造的特种加工技术

面向快速制造的特种加工技术

  • 分类:学术交流
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  • 发布时间:2005-07-21 01:52
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【概要描述】

面向快速制造的特种加工技术

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  • 分类:学术交流
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  作者:郭东明等
  制造技术同信息科学、材料科学、生物科学一起被认为是促进人类文明与发展的四大关键领域。随着全球经济一体化的进程和全球化市场的形成,任何制造企业的生产和经营活动都必须面对来自全世界的激烈竞争。能否以最短的交货期(Time)、最好的质量(Qua lity)、最低的成本(Cost)、最佳的服务(Service)来响应多变和多样化的市场需求,将成为制造业赖以生存的关键。机械制造发展至今已由一门技艺成长为一门工程科学,它所追求的已不单纯是最高的精度,而是精度、成本和效率的最佳组合,所以正在形成崭新的快速制造模式。
  特种加工是各种利用物理的、化学的能量去除或添加材料以达到零件设计要求的加工方法的总称。由于这些加工方法的加工机理以溶解、熔化、气化、剥离为主,且多数为非接触加工,因此对于高硬度、高韧性材料和复杂形面、低刚度零件是无法替代的加工方法,也是对传统机械加工方法的有力补充和延伸,并已成为机械制造领域中不可缺少的技术内容。目前,这一技术正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展,在已有的工艺不断完善和定型的同时,新的特种加工技术不断涌现,如快速原形制造技术、等离子体熔射成形技术、在线电解修整砂轮镜面磨削技术、实变场控制电化学机械加工技术、三维型腔简单电极数控电火花仿铣技术、电火花混粉大面积镜面加工技术、磁力研磨技术和电铸技术等。新的特种加工技术是在传统的特种加工技术的基础上,紧密结合材料、控制和微电子技术而发展起来的,并随着产品应快速响应市场需求,正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。
  1 特种加工技术的构成、研究现状和发展趋势
  1.1 特种加工技术的构成
  近二三十年来,特种加工技术发展迅速,其内涵已十分广泛而丰富,见图1(略)。
  1.2 人工智能技术为特种加工工艺规律建模奠定了基础
  特种加工的微观物理过程非常复杂,往往涉及电磁场、热力学、流体力学、电化学等诸多领域,其加工机理的理论研究极其困难, 通常很难用简单的解析式来表达。近年来,虽然各国学者采用各种理论对不同的特种加工技术进行了深入的研究,并取得了卓越的理论成就,但离定量的实际应用尚有一定的距离。然而采用每一种特种加工方法所获得的加工精度和表面质量与加工条件参数间都有其规律。因此,目前常采用研究传统切削加工机理的实验统计方法来了解特种加工的工艺规律,以便实际应用,但还缺乏系统性。受其限制,目前特种加工的工艺参数只能凭经验选取,还难以实现最优化和自动化,例如,电火花成形电极的沉入式加工工艺,它在占电火花成形机床总数95%以上的非数控电火花成形加工机床和较大尺寸的模具型腔加工中得到广泛应用。虽然已有学者对其CAD、CAPP和CAM原理开展了一些研究,并取得了一些成果,但由于工艺数据的缺乏,仍未有成熟的商品化的CAD/CAM系统问世。通常只能采用手工的方法或部分借助于CAD造型、部分生成复杂电极的三维型面数据。随着模糊数学、神经元网络及专家系统等多种人工智能技术的成熟发展,人们开始尝试利用这一技术来建立加工效果和加工条件之间的定量化的精度、效率、经济性等实验模型,并得到了初步的成果。因此,通过实验建模,将典型加工实例和加工经验作为知识存储起来,建立描述特种加工工艺规律的可扩展性开放系统的条件已经成熟。并为进一步开展特种加工加工工艺过程的计算机模拟,应用人工智能选择零件的工艺规程和虚拟加工奠定基础。
  1.3 智能控制将成为特种加工领域主要的控制策略
  加工过程和加工设备的稳定、可靠、高效地运行是特种加工工艺技术适应快速制造体系的 必不可少的条件。但由于多数特种加工方法采用“以柔克刚”的非接触式加工机制,加工是伴随着物理、化学过程进行的,其加工的微观过程非常复杂,迄今为止仍不能用一个确定的数学模型来描述。而且随着加工过程的进行,加工条件有时还会发生较大的变化,引起加工特性随时间而变化。因此在控制理论中属于典型的模型不确定非线性时变系统,很难用经典的控制理论和现代控制理论的方法获得理想的控制效果。多年来人们尝试过很多种自适应控制策略,取得了很大进展。但在加工条件大幅度变化的情况下仍难以达到满意的性能。近年来,人们把更多的注意力转移到模糊控制、神经控制等智能控制的研究和应用上来,并在电火花成形加工和电火花线切割加工的过程控制方面取得了突破,已成功用于国外的高档机床上。它可自动选取最优参数,自动监测加工过程,实现自动化、最优化控制。同时尚可对模糊控制器引入自适应功能或与人工神经网络技术相结合,使其具有自学习功能,从而达到提高加工速度,稳定加工过程,减少对操作者技术依赖的目的。由于这种控制策略采用模拟人类智能活动的方法,可以在很大程度上允许系统存在不确定性、非线性和时变性。可以预见,它将是未来几年中特种加工领域首选的控制策略。目前,我国广泛使用的国产特种加工设备同国外的产品相比还存在很大的差距。比如我国生产的电火花成形机仅为国外20世纪90年代初期的水平,往往为确保加工质量和效率,需要有经验的操作者在加工过程中不断进行调整和干预。
  1.4 新兴的特种加工技术将对制造业的生产模式产生深刻的影响
  20世纪80年代末,产生了一批新型的高效特种加工技术。尽管目前对这些加工技术的机理及应用的研究工作方兴未艾,但还没有从根本上掌握其工艺特性。然而这些新兴的特种加工技术已对整个制造业的生产模式产生了深刻的影响,尤其是下列技术,其广泛应用将显著地提高零件和模具快速制造的能力。
  (1)快速成形(RP)技术
  采用了材料堆积成形的原理,突破了传统的去材法和变型法机械加工的许多限制,在不需要工具或模具的情况下,能迅速制造出任意复杂 形状又具有一定功能的三维实体模型或零件。迄今,比较成熟并已商品化的RP&M成形技术有立体光造型(SLA)、激光选择性烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔融沉积制造(FDM )和三维印刷(3D-P)等。这些技术目前除用于将设计图纸或CAD模型快速制造成三维实体模型外,在注塑模、冲压模、铸模等模具快速制造,快速制造金属零件,微型 机械零件制造等方面的研究也不断取得成功。但如何充分利用快速成形技术与其他特种加工技术的各自优势,在精度和效率方面取长补短,尚需与其它各类工艺相结合,发展出组合工艺技术,实现金属零件和模具的快速高精度制造。
  (2)等离子体熔射成形工艺技术
  它是以等离子体射流为热源,在各种特定的工艺条件下使材料集结成形的零件制造方法。由于等离子体射流具有温度高,能熔化所有材料;喷射速度快,可赋予熔粒以高的动能;工艺参数调整方便,能获得较高的沉积速度;可加惰性保护气体以保证制件内部无杂质等一系列优点,尤其适于陶瓷、复合材料、高硬度高熔点合金等材料形状复杂薄壁件的快速制造,应用前景十分广阔。但目前对这一技术的研究还处于起步阶段。
  (3)在线电解修整砂轮(ELID)镜面磨削技术
  它是利用弱电解过程中的阳极溶解现象,对铸铁等金属结合剂金刚石砂轮进行在线电解修整。经修整的砂轮,不仅表面 被整平,而且还形成一定厚度的氧化膜层。在砂轮高速旋转时,该膜层摩擦或刮削被加工表面,实现硬脆材料光滑表面的磨削,或定常加工压力的ELID研磨抛光(ELID-lap),其中电解修锐参数是影响加工质量的关键。目前的研究主要是针对硅晶体、玻璃、陶瓷和钛合金材料的镜面加工进行的,尚需系统的实验来完善推广这一工艺技术。该技术在硬 脆材料及金属零件实现高效的精密及镜面一体化加工具有十分广阔的应用前景。
  (4)时变场控制电化学机械加工技术
  它是利用电化学机械加工中,电化学溶解电场容易实现实时计算机控制的特点,实现加工过程中金属零件表面各处有选择地去除 ,以达到高几何精度、低表面粗糙度的复合加工方法。其最大特点是可以实现 金属零件的尺寸形状精密加工和光整加工的一体化,显著地提高生产率。这一技术在硬齿面大齿轮、修形轧辊等零件的精密加工中,具有极为广阔的应用前景。目前该技术在复杂曲面 精密加工方面的应用研究尚在进行。
  (5)三维型腔简单电极数控电火花仿铣
  它是一直受到电加工界普遍关注的技术,曾开展了很多研究工作。但受电极损耗及其补偿的复杂性,特别是尖角部分损耗严重等问题的限制,10多年来始终没有取得有效进展。直到近期东京大学生产技术研究所在微小型腔加工技术和等损耗理论方面取得了重大突破,才使这一技术的实际应用成为可能,并得到了初步的实验验证。据调查统计,普通的电火花成形加工电极的制造周期和成本约占模具总的制造周期和成本的50%。因此,这一技术的广泛应用可以节省大量的复杂 形状电极的制造费用和时间,前景广阔。
  (6)电火花混粉大面积镜面加工技术
  它是采用在电火花工作液中加入一定的导电粉末以增大放电间隙,使放电点分散的策略来实现的。它能方便地加工出粗糙度不大 于Rmax0.8 μm的表面。目前,日本沙迪克公司和三菱电机公司已开发出利用这一技术的电加工机床,但尚缺乏工艺技术规准,且要严格控制混粉加工蚀除量,否则会影响表面平整度。在我国哈尔滨工业大学和大连理工大学也在从事该项技术的研究,并取得了初步的成果。通常模具表面粗糙度改善一级,其使用寿命可以提高50%,但由于模具三维型腔本身形状复杂,抛光过程难以实现自动化,目前仍以手工作业为主。据资料介绍,模具抛光的工作量约占模具制造总工作量的1/3。因此,这一技术的成熟必将大大提高模具型腔加工的效率。
  (7)磁粒研磨技术
  它是利用磁场超距作用高磁导率的散粒体磨料来实现复杂曲面研磨抛光的,其突出的优点是不必严格控制磨头与被抛光表面间的相对位置,易于实现抛光自动化,且抛光工具结构简单,设备成本低。尤其适合于薄壁、细小、内凹零件的抛光。目前存在的主要问题是效率太低,同时通过烧结或化学粘结制成的磁性磨料组分不均匀,磨料和磁性材料的结合力不强,寿命低。
  综上所述,特种加工技术的地位越来越重要,已成为现代制造技术不可分割的重要组成部分。因此,其发展和完善对整个快速制造体系的形成起着关键性的作用。但由于长期以来对这一领域的研究过于分散,缺乏系统性,使得现有的很多种特种加工方法远不能适应制造过程信息化的要求,很难纳入到快速制造系统中。因此,有必要深入研究那些新型的特种加工工艺方法,探索高精度、高效率复合及组合工艺技术,并选择应用广泛和具有代表性的特种加工方法,开展面向快速制造的特种加工技术的研究。
  2 面向快速制造的特种加工技术基础
  2.1 面向快速制造的特种加工技术体系
  面向快速制造的特种加工技术新体系,是在传统的特种加工技术与材料技术、控制技术、微电子技术和计算机技术紧密结合,并随着快速响应市场需求逐步发展而形成的,见图2(略)。
  2.2 基于分层制造思想,利用简单工具的电加工工艺理论及技术
  普通的电解、电火花、超声波成形加工利用形状拷贝原理将工具的形状复制到工件上。要得 到一定精度的三维形状,就需要制作与其形状相同、凸凹相反的工具,并严格控制工作液在加工间隙中的流场分布。为节省大量的复杂形状工具的制造费用和时间,简化工作液的流动 控制,可采用简单形状的工具, 仿照数控铣削那样依靠机床的成形运动来加工出复杂三维型面的新型电加工工艺技术。这必须解决如下几个技术难题:①实现加工过程的稳定控制; ②具有确定的材料去除规律及工具损耗规律;③实现工艺过程建模;④研制出相应的CAD/CA M软件。为有效地简化问题的复杂性,将采用类似快速成形的分层制造加工模式,并严格控 制每一层的加工余量,确保工具只有底面实现加工,而侧面不参与加工,从而使复杂的三维型面加工问题转化为一系列平面加工问题。
  2.3 基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工方法与技术
  基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工技术,可以实现高效光整、高效精密成形加工 ,或光整及精密成形的一体化加工。一般而言,细砂轮精密磨削加工精度高,但砂轮堵塞不易修整,加工曲面时砂轮损耗补偿也困难,且磨削力大被加工表面易产生变质层,影响零件 的表面质量;相比之下,电化学溶解加工精度虽低,但效率高,不存在工具损耗且无切削力,被加工零件表面质量好;而散粒体研磨由于加工压力容易控制,因此加工表面质量好,但 整形能力差,且效率低。因此,以钝性工作液为纽带,结合电场控制策略,探索这些工艺的复合方法,以充分发挥其各自的长处,可发展出复杂曲面形状和光整一体化加工技术。具体 包括电化学机械复合加工,化学机械加工,超声放电复合加工,时变场控制、磁场辅助的电化学及电化学机械复合加工技术,时变场控制的电解在线修整砂轮磨削加工技术,时变场控 制电化学及磁粒研磨的复合加工技术等。
  2.4 三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化技术
  电火花精加工零件时,需要采用较小的放电能量和加工间隙。这样当加工面积较大时,工件 和电极间就会形成较大的寄生电容,导致易产生集中放电现象,影响表面的加工质量。这里采用在普通煤油工作液中添加固体微细粉末的方法,来增大精加工的极间距离、减小电容效 应、增大放电通道的分散性。从而可使排屑好、放电稳定、加工效率提高,并有效降低加工表面的粗糙度。同时使用混粉工作液还可在工件表面形成硬度较高的镀层,提高表面的硬度 和耐磨性。实现三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化。
  2.5 基于RP技术的特种加工方法与技术,以及面向RP技术的特种加工工艺组合技术
  快速成形技术已成为复杂原形和模具制作的有效手段,正以其特有的制造哲理深刻地变革着 整个制造领域,未来的制造体系必综合材料增长制造和去除加工两种原理,以实现零件的快速制造,使特殊材料(如功能梯度材料)零件的直接制造成为可能,使得人们长期以来设想 的按力学、电磁学性能来设计制造新材料零件变为现实。这应探索快速成形技术与电铸、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔射成形、浇注、精密铸造、电火花等特种加工方法的组合工 艺技术,为特殊性能材特料零件、金属、非金属零件和金属模具的快速制造提供崭新的技术手段。
  (1)直接利用RP工艺,结合相应的后处理工艺或快速精密铸造工艺,制造工件或模具的方法 :
  .直接生成金属零件的方法:利用金属粉末烧结(SLS)制成的原型件,直接进行金属熔渗 处理,形成金属零件或金属模具;
  .直接生成非金属零件的方法:利用SLA、FDM或LOM方法,直接制造树脂、ABS塑料或木质的 工件或模具;
  .直接生成树脂砂型或消失模的方法:用SLS方法直接制造铸造用的树脂砂型或消失蜡模, 实现零件的快速精密铸造。
  (2)基于RP原型件,结合相应的特种加工工艺,间接制造工件或模具的方法:
  .基于RP原型,与电铸工艺、等离子熔射成形相结合快速制造金属、陶瓷等形状复杂薄壁件 的工艺技术;
  .基于RP原型,与电铸工艺、金属喷涂、陶瓷涂覆工艺相结合的快速制造金属或陶瓷模具的 工艺技术;
  .基于RP原型,浇注硅橡胶、环氧树脂或聚氨脂等软材料,直接制造软模具。
  (3)基于RP原型,结合相应的特种加工工艺,快速制造电加工的电极,实现复杂零件的快速 电火花成形加工:
  .在原型或原型制作的母模上刷涂导电层,再电铸或电镀形成金属电极;
  .直接在原型上进行金属冷喷涂形成金属电极;
  .利用原型制造母模,充实粉末,再压实烧结形成电极;
  .在原型制作的母模内充入石墨粉与粘接剂的混合物,固化形成石墨电极;
  .在原型制作的母模内充入环氧树脂与碳化硅粉的混合物,首先形成研磨模,再在专用振动 研磨机上研磨出石墨电极。
  (4)基于RP技术的堆积成形原理,适于功能梯度材料零件成形制造的新型特种加工工艺。
  2.6 基于特种加工工艺的快速制造技术体系
  由于加工的机理不同,各种特种加工方法都有各自的优势和使用范围。在快速制造环境下, 如何正确选取和运用各种特种加工方法取决于对各种加工方法的了解程度。因此,应系统总结各种特种加工的精度特性、表面质量特性及效率等工艺理论,探索特种加工工艺过程按不 同的控制策略实现稳定控制的一般理论和方法。并应用人工智能工具,建立特种加工工艺数据库和知识库,实现典型工艺的计算机模拟。从而使制造信息与制造过程的分离,形成特种 加工虚拟制造环境,使得设计者在加工之前就能模拟产品的制造结果。
  3 结论
  特种加工技术的地位越来越重要,其发展和完善对整个快速制造体系的形成起着关键性的作 用。然而现有的很多种特种加工方法远不能适应制造过程信息化的要求,很难适应快速制造的要求。因此,有必要在系统总结已定型的特种加工技术基础上,发展和完善那些影响深远 的新型特种加工技术,在深入研究其工艺规律和工艺特性、建模理论和方法及智能控制技术的同时,重点探索高效、高精度的复合及其组合工艺技术:①基于分层制造思想、利用简单 工具的电加工工艺理论及技术基础;②基于电场控制、溶解与切削相结合的复合加工方法与技术基础;③三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化技术基础;④基于RP技术的特种 加工方法与技术,及面向RP技术的特种加工工艺组合技术;⑤基于特种加工工艺的快速制造技术体系,形成面向快速制造的特种加工工艺技术体系。这对于提高我国制造技术水平,促进经济和科技进步具有重要意义。

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