陳建剛，彭彥龍，李建剛，王 聰，柳 召，石淑婷

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710049)

增材制造相對(duì)傳統(tǒng)的減材加工，無(wú)需復(fù)雜模具，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜型腔、結(jié)構(gòu)的零部件成形，其核心工藝為“質(zhì)量單元，有序排列”，依據(jù)成形材料屬性和熱源特性的不同，分為光固化制造成形工藝(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、疊層實(shí)體制造成形工藝(Laminated Object Manufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(jié)制造成形工藝(Selective Laser Sintering，SLS)、熔融沉積制造成形工藝(Fused Deposition Manufacturing，F(xiàn)DM)、激光熔覆成形(Selective Laser Melting，SLM)以及“弧+絲”增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)等[1]，具有節(jié)能減排、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海、醫(yī)療等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景[2]。研究發(fā)現(xiàn)，增材制造成形件的表面質(zhì)量、成形效率及力學(xué)性能等制約著該技術(shù)的快速發(fā)展[3]。2017年，華僑大學(xué)制造工程研究院張江濤等[4]采用氯仿溶液對(duì)聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)的FDM增材成形件表面進(jìn)行霧化拋光，拋光后成形件的表面粗糙度大幅減小，表面形貌得到顯著改善。同年，上海材料研究所張?jiān)撇ǖ萚5]對(duì)PLA進(jìn)行增韌改性并制備得到絲材，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)含量5%的增韌劑絲材，最適用于FDM成形工藝，成形表面更為光滑。2019年，西安理工大學(xué)劉健等[6]以PLA筒型FDM成形件為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行蒸汽平滑處理，發(fā)現(xiàn)粗糙度會(huì)隨著處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，在50 ℃×7 min的處理?xiàng)l件下試樣的表面質(zhì)量會(huì)得到明顯的改善。同年，廣東開(kāi)放大學(xué)童和平等[7]設(shè)計(jì)了兩種不同截面的三維模型，從分層厚度、模型方向成形夾角、模型擺放位置3個(gè)角度提出了改善階梯效應(yīng)的方法。2020年，清華大學(xué)機(jī)械工程系盧振洋等[8]對(duì)增材制造成形誤差、增材后應(yīng)力變形控制以及增材后減材切削加工等技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)行了綜述性研究，但對(duì)于PLA增減材機(jī)械銑削工藝研究未見(jiàn)報(bào)到。本文通過(guò)PLA增材成形件的二次銑削加工工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提出一種改變FDM成形件表面質(zhì)量的新思路。

1 增減材工藝設(shè)計(jì)分析

增材制造分層精度和減材加工精度是增減材復(fù)合工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

1.1 增材成形工藝

采用質(zhì)量單元、逐層填充累加的成形思想，單元間距決定著成形累加的精度；每層的層面由點(diǎn)到線(xiàn)，再由線(xiàn)到面的規(guī)劃路徑，圖1(a)為層內(nèi)掃描線(xiàn)簇(水平虛線(xiàn))與工件輪廓面(粗實(shí)線(xiàn))求交的結(jié)果，偶數(shù)交點(diǎn)內(nèi)線(xiàn)段為需要加工的軌跡，出現(xiàn)奇數(shù)交點(diǎn)，則將其中的切點(diǎn)去除。

標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(Standard Template Library，STL)是增材制造工藝文件的基本格式，STL文件數(shù)據(jù)處理是將模型離散為多層輪廓，以備復(fù)雜模型的二次處理，由于采用多尺寸、多面積的三角形近似逼近CAD模型表面，易產(chǎn)生縫隙、重疊、畸變等錯(cuò)誤和缺陷，從而影響到模型的精度，增加三角形的數(shù)量可提高模型的近似精度，減少模型二次處理的幾何誤差。如圖1(b)所示，弦高a(三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離)用于控制其幾何誤差。

(a) 填充圖 (b) 幾何誤差圖1 逐層填充及其幾何誤差

1.2 減材加工工藝

減材加工工藝須遵循“先面后孔、先粗后精、先主后次、基準(zhǔn)先行”的原則，刀具的切削速度、進(jìn)給量以及背吃刀量是減材加工的三要素，也是減材加工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。為保證零部件的加工精度和表面粗糙度，在銑削過(guò)程中需縮短加工路線(xiàn)，減少刀具的空行程移動(dòng)時(shí)間，應(yīng)盡量避免進(jìn)給停頓，否則會(huì)因銑削力的突然變化在停頓處表面留下刀痕。銑削編程的誤差涉及逼近誤差(近似計(jì)算方法逼近曲面輪廓)、插補(bǔ)誤差(直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ))以及圓整誤差(數(shù)據(jù)處理)，增加插補(bǔ)段可以降低編程的誤差，但會(huì)增加數(shù)值計(jì)算及其編程的工作量，因此，增減材復(fù)合工藝設(shè)計(jì)需要綜合考慮設(shè)備、材料、刀具、夾具、環(huán)境溫度和壽命周期等多因素對(duì)零件加工表面質(zhì)量的影響。

2 增材成形試驗(yàn)設(shè)計(jì)及材料

試驗(yàn)件設(shè)計(jì)流程采用CAD建模、STL分層處理以及FDM增材制造，其中原材料采用1.75 mm的PLA絲材，該材料具有良好的熱穩(wěn)定性、抗溶劑性、生物相容性、光澤度、透明性、耐熱性、耐菌性、阻燃性以及抗紫外性等[9]，其熔融溫度為170～230 ℃，密度1.20～1.30 kg/L，可用于擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射吹塑等工藝[10]。

圖2 增材成形試驗(yàn)件模型

2.1 CAD模型的設(shè)計(jì)

“T”型試驗(yàn)件加工部位的設(shè)計(jì)尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，如圖2所示為PLA增材成形件的模型圖。首先采用CAD軟件建模，以STL格式文件保存，其次根據(jù)機(jī)床夾具設(shè)計(jì)要求，為保證夾緊力可靠性的要求，上端面為待加工表面，下端為夾具夾持部位。

2.2 PLA試驗(yàn)件增材制造

試驗(yàn)件成形工藝過(guò)程采用美國(guó)MakerBot Replicator Mini FDM設(shè)備，其質(zhì)量為8 kg，定位精度XY軸：0.011 mm、Z軸：0.002 5 mm，成形平臺(tái)尺寸101 mm×126 mm×126 mm，成形工藝參數(shù)如表1所示。

表1 FDM成形工藝參數(shù)

圖3 CAM建模仿真

3 減材工藝試驗(yàn)及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 CAM銑削模擬加工

為提高PLA試驗(yàn)件的表面質(zhì)量，確定PLA最佳成形工藝參數(shù)和最小的表面粗糙度值，以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的使用需求，將試驗(yàn)件表面進(jìn)行二次銑削工藝加工，采用MASTERCAM X5軟件進(jìn)行工藝路徑及其參數(shù)的模擬仿真加工。CAM仿真加工模擬的刀具采用直徑為10 mm的高速鋼四刃立銑刀，轉(zhuǎn)速范圍8000～12 000 r/min，采用往復(fù)掃描方式，如圖3所示。經(jīng)過(guò)仿真分析，在沒(méi)有刀具干涉現(xiàn)象后，進(jìn)行編譯連接，獲得數(shù)控代碼，通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)床設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)，以備后續(xù)加工。

3.2 銑削加工工藝過(guò)程

采用廣東江門(mén)市佳鐵自動(dòng)化有限公司JTGK-500H高速數(shù)控雕銑機(jī)，如圖4(a)所示，主軸電動(dòng)機(jī)功率為2.2 kW，XYZ軸方向的行程為450 mm×500 mm×200 mm，工作臺(tái)最大負(fù)載為200 kg，機(jī)床總功率5.0 kW，操作系統(tǒng)為西班牙FAGOR，為研究其表面質(zhì)量變化規(guī)律，優(yōu)化其銑削工藝參數(shù)，進(jìn)行了9組試驗(yàn)件的銑削加工過(guò)程，如圖4(b)所示為銑削加工過(guò)程表面形貌及其切屑的形狀。

(a)裝夾方式 (b)切屑形狀圖4 PLA裝夾及銑削工藝

4 表面粗糙度測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

因機(jī)械加工工藝方法、工藝參數(shù)及其工件材料的不同，刀具與零件表面間的摩擦、切屑分離時(shí)表面層金屬的塑性變形以及工藝系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)等[11]，會(huì)使得被加工表面留下痕跡的深淺、疏密、形狀和紋理都有差別。表面粗糙度數(shù)值的大小與機(jī)械零件的配合性質(zhì)、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度、振動(dòng)和噪聲等都有密切關(guān)系，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有重要影響。

4.1 表面粗糙度測(cè)量

本試驗(yàn)采用接觸式測(cè)量法中的觸針掃描法進(jìn)行PLA試驗(yàn)件的表面粗糙度測(cè)量，使用北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備有限公司的TR200表面粗糙度儀，其測(cè)量范圍0.025～12.5 μm，取樣長(zhǎng)度分別為0.8 mm，每組工藝參數(shù)加工完畢后，進(jìn)行3次表面粗糙度數(shù)據(jù)的測(cè)量，取平均值。

4.2 正交試驗(yàn)分析

采用正交表能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，更好地反映試驗(yàn)結(jié)果。本文采用的是三因素三水平的正交試驗(yàn)表，對(duì)銑削后表面進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)的測(cè)定因素為背吃刀量、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度3個(gè)因素，因變量為表面粗糙度，如表2所示為各工藝參數(shù)下的表面粗糙度測(cè)量值。

表2 表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

通過(guò)正交試驗(yàn)，優(yōu)化PLA表面銑削過(guò)程中的工藝參數(shù)，選擇表面粗糙度為分析對(duì)象，計(jì)算因素A(背吃刀量)、因素B(主軸轉(zhuǎn)速)以及因素C(進(jìn)給速度)的同一水平的粗糙度之和(H)、平均數(shù)(Ra)以及極差(R)的值，如表3所示為正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果

比較極差(R)，確定每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從極差的計(jì)算結(jié)果可以看出，因素B對(duì)試驗(yàn)的影響最大，其次是因素A、因素C。本次試驗(yàn)研究的是表面粗糙度對(duì)成形件的影響，表面粗糙度過(guò)大會(huì)影響工件的質(zhì)量，所以表面粗糙度值越低越好，應(yīng)該選取指標(biāo)最小的水平。從表3可以得出指標(biāo)最小的水平為A3B3C1，最優(yōu)銑削工藝參數(shù)為背吃刀量0.3 mm，進(jìn)給速度500 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

5 總結(jié)

(1)本文研究了PLA材料的屬性及其增材成形工藝過(guò)程，采用CAD軟件進(jìn)行試驗(yàn)件的尺寸設(shè)計(jì)與建模過(guò)程，使用美國(guó)MakerBot Replicator Mini FDM成形機(jī)進(jìn)行增材制造成形，實(shí)現(xiàn)了PLA材料的FDM增材制造工藝過(guò)程。

(2)本文研究了PLA增材制造表面形貌特性，采用MasterCAM進(jìn)行銑削加工工藝過(guò)程的模擬與參數(shù)設(shè)計(jì)。采用廣東江門(mén)市佳鐵自動(dòng)化有限公司JTGK-500H高速數(shù)控雕銑機(jī)，以不同的工藝參數(shù)對(duì)其表面進(jìn)行了多次銑削加工，用北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備有限公司的TR200表面粗糙度儀測(cè)量不同工藝條件下的粗糙度測(cè)量值，得到了9組不同數(shù)值的表面粗糙度數(shù)據(jù)。

(3)為了得到PLA最佳銑削工藝參數(shù)及其表面粗糙度數(shù)值，采用正交試驗(yàn)法分別對(duì)9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，得到了背吃刀量0.3 mm、進(jìn)給速度500 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min的PLA最佳銑削工藝路線(xiàn)，為增材制造成形件二次加工技術(shù)的發(fā)展提供了必要的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。