分段沉积/雕铣快速成形工艺中的材料选择与匹配问题及工艺实现

论文摘要

分段沉积/雕铣快速成形是一种基于堆积成型和传统成型相结合的复合成型方法,同时具有了堆积成型的柔性和传统成型的高精度。在该工艺中,按照工件可加工区域进行分段,对干涉区域和非干涉区域分别采用对工件材料直接加工和在支撑材料上复制型腔的方法进行加工,工件材料和支撑材料分别采用不同的材料。因此选择一对合适的零件材料和支撑材料是实现该工艺过程的基本前提。因此,本文主要致力于寻找一种合适的材料,来满足这种技术的加工需要。在此基础上,优化分段沉积/雕铣成型的工艺方法,进而实现一些特殊零件的制造。 首先,材料的选择应该满足严格的匹配关系,即工件材料固化的峰值温度不能超过支撑材料的熔点,两种材料应当互不相溶,加工完毕后,工件材料可以方便的从支撑材料中分离,而且支撑材料能够对工件材料起到很好的装夹作用。通过对多种材料匹配的分析,分别选择热固性的环氧树脂和热塑性可机加工蜡作为工件材料和支撑材料。根据单纯的环氧树脂在热匹配和切削性能上存在的不足,提出以铝粉作为填料的填充型环氧树脂替代纯环氧树脂作为零件材料,并通过正交实验的方法对填充型环氧树脂在不同组成成分材料的固化时间、峰值温度、收缩性、导电性、拉伸强度、应力—应变行为以及加工性能等分别进行了测试,通过合理化分析,选择最佳材料配比方案。 其次本文深入分析了分段沉积/雕铣成形工艺中材料变形问题,如塔形效应、整体变形、翘曲变形等,提出了一些具体的工艺改进措施,如采用封闭式堆积,应用隔热恒温型腔抑制工件翘曲等。对不同材料区域间隙的产生、内尖角/锐边的产生以及工件各层间工艺的调整做了深入的探讨,并通过一系列的工艺措施实现材料的高效粘接,同时对刀具的选择应用提出新的观点和看法。 最后论述了三维实体模型分段的基本策略和软件开发的思路。对实现分段沉积/雕铣快速成形工艺的一体化加工成型装备研制方案作了系统的分析,实现了各单元技术的集成,利用自主开发的一体化装置,开展了大量的验证性加工实验,提交了部分典型零件的加工实例。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 快速成形技术
• 1.2.1 快速成形技术及其基本特征
• 1.2.2 快速成形技术的典型工艺方法
• 1.2.3 RP技术国内研究现状
• 1.2.4 现有RP面临的难题
• 1.2.5 快速成型的应用及发展方向
• 1.3 分段沉积／雕铣加工成形工艺
• 1.3.1 对RP成形思想的反思与重新认识
• 1.3.2 分段沉积／雕铣加工成形的提出
• 1.3.3 分段沉积／雕铣快速成形工艺的特点及优势
• 1.3.4 国内外的相关研究
• 1.3.5 分段沉积／雕铣成形的研究重点
• 1.4 本文课题来源及主要工作
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本课题的创新点
• 1.4.3 本文主要研究内容及安排
• 第二章 分段沉积／＼雕铣成形工艺原理
• 2.1 分段沉积／雕铣成形工艺简介
• 2.2 分段沉积／雕铣成形工艺的实验平台
• 2.3 分段沉积／雕铣成形工艺规划
• 2.3.1 工件分段
• 2.3.2 材料的分段沉积
• 2.3.3 分段雕铣加工
• 2.3.4 支撑材料去除
• 2.4 本章小结
• 第三章 成形材料的选择与实验研究
• 3.1 沉积／雕铣工艺对成形材料的要求
• 3.1.1 材料组合机制及选择限制
• 3.1.2 材料匹配要求及选择方向
• 3.2 材料选择
• 3.2.1 前期工作的分析与总结
• 3.2.2 环氧树脂的使用性能分析
• 3.2.3 固化剂的选择
• 3.2.4 填料的选择
• 3.2.5 支撑材料的选择
• 3.3 固化机理的研究
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 固化反应理论基础
• 3.3.3 环氧树脂在固化过程中的膨胀与收缩
• 3.3.4 固化阶段对材料强度的影响
• 3.3.5 环氧固化物内应力的产生机理
• 3.3.6 环氧材料界面的形成及作用机理
• 3.4 环氧树脂和乙二胺比例的确定
• 3.5 金属粉末填充型环氧树脂材料的性能分析
• 3.5.1 抗拉强度、弯曲强度与填料的关系
• 3.5.2 应力—应变行为
• 3.5.3 填料对加工性能的影响
• 3.5.4 填料对峰值温度的影响
• 3.5.5 工件材料导热性的分析
• 3.5.6 拉伸强度性能分析
• 3.5.7 材料结构分析及硬度测试
• 3.5.8 线性收缩率的测定
• 3.6 温度对固化时间的影响
• 3.7 实验结果与分析
• 3.8 本章小节
• 第四章 误差、缺陷分析与工艺控制
• 4.1 前言
• 4.2 一般RP工艺的误差
• 4.3 分段沉积／雕铣成形工艺误差
• 4.4 分段沉积／雕铣加工成形工艺的调整
• 4.4.1 不同材料区域间隙的产生
• 4.4.2 内尖角／锐边的产生
• 4.5 支撑材料收缩及其控制
• 4.6 材料粘接的几种方式
• 4.7 工件分层的合理性分析
• 4.8 工件各层间的工艺规划
• 4.8.1 普通零件的工艺调整
• 4.8.2 特殊零件的工艺调整
• 4.8.3 多相材料件、装配件、镶嵌件的加工
• 4.9 刀具的选择及应用
• 4.9.1 引言
• 4.9.2 热固性材料切削和金属切削的差异
• 4.9.3 切削参数的影响
• 4.10 尺寸精度的测定
• 4.11 本章小结
• 第五章 实体分段软件开发及应用
• 5.1 前言
• 5.2 基于STL文件实体分段软件的开发
• 5.3 分层原则及基本策略
• 5.3.1 三维分段的基本原则
• 5.3.2 面和边界的划分
• 5.3.3 分段轮廓线的规划
• 5.4 分层软件的实际应用
• 5.4.1 软件的分层方式
• 5.4.2 两段分割的基本步骤
• 5.4.3 局部极值轮廓分割基本步骤
• 5.4.4 综合法分割STL模型
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 对下一步工作的展望
• 附录1
• 附录2
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的文章
• 致谢