非均質(zhì)材料零件沉積成形技術(shù)研究.pdf

1、隨著航空航天技術(shù)、生物工程技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)等尖端技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)材料和零件的功能要求也愈來(lái)愈高，由單一或均質(zhì)材料構(gòu)成的零件已常常難以滿足產(chǎn)品對(duì)零件的性能要求，而應(yīng)按零件的最佳使用功能來(lái)設(shè)計(jì)制造零件，以滿足零件梯度功能和智能等方面的要求。展望21世紀(jì)，具有非均質(zhì)組織結(jié)構(gòu)與細(xì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)與零件功能和性能的最佳組合的零件，將是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然需求。 由于非均質(zhì)材料零件的大量需求，非均質(zhì)材料零件的設(shè)計(jì)制造成

2、為制造業(yè)研究的熱點(diǎn)。快速成形技術(shù)采用增材制造原理，不需要工具或模具，而能迅速制造出由一種或多種材料構(gòu)成的、任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實(shí)體模型或零件，因此成為非均質(zhì)材料零件制造的一種重要方法。熔融沉積制造技術(shù)是典型的快速成形技術(shù)之一，開(kāi)發(fā)熔融沉積制造技術(shù)制造非均質(zhì)材料零件的潛力將具有重大意義。 通過(guò)改變填充密度與方向角可以得到不同力學(xué)性能的零件。借鑒復(fù)合材料力學(xué)分析方法，從宏觀力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)兩個(gè)層面來(lái)分析零件的力學(xué)性能。宏觀

3、力學(xué)是從假定材料是均質(zhì)的和只從材料的平均表觀性能來(lái)研究材料的性能；細(xì)觀力學(xué)是從細(xì)觀角度檢驗(yàn)材料組分之間的相互影響來(lái)研究材料的性能。應(yīng)用層合理論建立了零件的宏觀力學(xué)模型。根據(jù)ABS絲一層構(gòu)成的特點(diǎn)，引入均勻化理論對(duì)一層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立了細(xì)觀力學(xué)模型。 對(duì)各種噴射技術(shù)進(jìn)行了比較，選用了連續(xù)噴射方式的螺旋擠壓式作為成形系統(tǒng)的噴射方式。在分析ABS絲各部分構(gòu)成作用的基礎(chǔ)上，從粘性和彈性兩個(gè)方面研究了熔融態(tài)ABS絲從噴頭擠出過(guò)程中的流

4、變性能。 建立了非均質(zhì)材料零件的CAD模型。提出了兩種支撐自動(dòng)生成算法。采用基于實(shí)體模型的直接分層技術(shù)和自適應(yīng)分層技術(shù)進(jìn)行分層處理。通過(guò)非均勻填充實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)零件的制造，闡述了不同填充方式以及路徑規(guī)劃對(duì)填充效率、填充精度等的影響。建立了適于非均質(zhì)材料零件的CLI模型。 根據(jù)非均質(zhì)材料零件沉積制造的功能要求，設(shè)計(jì)制造了X-Y軸聯(lián)動(dòng)，Z軸上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。構(gòu)建了由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和開(kāi)放性良好的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器組成

5、的雙CPU控制系統(tǒng)，采用穩(wěn)定性好的半閉環(huán)控制方式，同時(shí)該系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。提出了具有良好動(dòng)態(tài)特性的復(fù)合PID與串級(jí)控制相結(jié)合的控制策略。調(diào)節(jié)并設(shè)定了系統(tǒng)的控制參數(shù)。應(yīng)用激光干涉儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，通過(guò)間隙補(bǔ)償和絲杠補(bǔ)償提高了系統(tǒng)的定位精度。 建立了不同絲距下的絲寬模型。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了擠出速度與絲距的關(guān)系曲線以及影響成形質(zhì)量的主要工藝參數(shù)。建立了擠出速度與填充速度的匹配關(guān)系。通過(guò)制造的單一絲向試件和不同絲向?qū)ΨQ(chēng)層合