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H.Tech1,and R.K.Gay1 School of Mechanical & Production Engineering; and Gintic Intitute of Manufacturing Techniology, Nanyang Technological University,Singapore 引言 快速成型是一種從不需任何加工或數(shù)控加工程序就得到實(shí)體形狀的加工過(guò)程。這種技術(shù)歸諸與階段制造，材料儲(chǔ)存制造業(yè)，剩余材料制造，固體形式制造和立體印刷。在前十年中，一批RP技術(shù)得到了發(fā)展。在制造模型中這些技術(shù)應(yīng)用不同的方法和材料，給出不同的收縮量，表面精度和準(zhǔn)確度。 VP是一種已經(jīng)成熟的在計(jì)算機(jī)模式下執(zhí)行分析和模擬。近而像基于實(shí)體上一樣執(zhí)行同樣的測(cè)試。有時(shí)，VP也會(huì)涉及到CAE分析和工程模擬。 本論文就著兩種技術(shù)的聯(lián)系描述了它們的對(duì)比研究。這次課題研究了兩種技術(shù)在成型方面的適用性和效率。這只是總體設(shè)計(jì)和制造中的一個(gè)環(huán)節(jié)。 關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì)，快速成型，虛擬成型 1. 前言 RP做為一種關(guān)鍵的技術(shù)正在發(fā)展。它能迅速成型出復(fù)雜的零件。它還能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期。即將到來(lái)的這種技術(shù)的時(shí)代已在當(dāng)今的CAD系統(tǒng)中的STL反映出來(lái)。STL是一種德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，在RP系統(tǒng)中代表實(shí)體3D模型。 當(dāng)RP是一種較新的技術(shù)時(shí)，VP已經(jīng)在70年代很多領(lǐng)域里得到了穩(wěn)定的發(fā)展。采用虛擬成型意味著在計(jì)算機(jī)上分析3D模型。 現(xiàn)在VP通常綜合了CAD/CAM軟件，并且涉及到CAE文件包。RP能在不首先制造這個(gè)零件時(shí)用一種模擬的方式來(lái)測(cè)試零件的情況。 2. RP和VP的定義 快速成型在工程中應(yīng)用很廣，尤其在計(jì)算機(jī)軟件業(yè)上，它首先被用于軟件快速開(kāi)發(fā)。 這個(gè)名詞也被制造業(yè)廣泛應(yīng)用來(lái)表現(xiàn)實(shí)體模型從液體固體對(duì)比傳統(tǒng)的制造方法在很短的時(shí)間內(nèi)成型的過(guò)程。這種技術(shù)廣泛用于階段加工，材料剩余加工，材料的額外加工及固體形式的加工，立體印刷。 虛擬成型指一種用計(jì)算機(jī)制造的模式，通常指CAD/VAE/CAM。虛擬計(jì)算機(jī)成型通常被理解成用于實(shí)現(xiàn)繪圖模擬目的的產(chǎn)品構(gòu)筑模式。本論文中，VP將涉及到模仿，虛擬現(xiàn)實(shí)和制造過(guò)程的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。 然而，在很多領(lǐng)域中，RP和VP的區(qū)別是很模糊的。由于RP系統(tǒng)依賴(lài)CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的所需文件來(lái)制造原型。在制造和零件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，RP看上去是從VP衍生出來(lái)的餓。實(shí)際上，Pratt對(duì)VP 的定義揭示了VP是一種自由應(yīng)用于成型領(lǐng)域內(nèi)的術(shù)語(yǔ)。因此清楚地定義RP和VP是很恰當(dāng)?shù)摹? 采取快速成型，意味著：從計(jì)算機(jī)模式產(chǎn)生實(shí)體模型而不用任何的夾具和數(shù)控加工。這也包括其他相關(guān)過(guò)程和用RP制造物體的應(yīng)用如：快速使用工具。 相似地，為了模擬和分析的目的，將VP定義為實(shí)體CAD模式的連續(xù)操作過(guò)程而不包括3D的構(gòu)建。VP有以下功能： 1. 有限元分析 2. 制造形式，配合和交互檢查 3. 機(jī)械模擬 4. 虛擬視圖分析 5. 裝飾模擬 6. 裝配功能 RP和VP之間的關(guān)系如圖1所示。 圖1.1 RP和VP之間的關(guān)系 3. 新加坡的成型 在新加坡選擇兩個(gè)從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)活動(dòng)的多國(guó)合作的公司（一個(gè)是美國(guó)，一個(gè)是德國(guó)），它們顯示了對(duì)RP和VP的不同態(tài)度。兩個(gè)公司在成型過(guò)程中都用了RP。 第一個(gè)公司B更側(cè)重于虛擬成型。他們生產(chǎn)電話通信設(shè)備，如：手機(jī)。公司移動(dòng)了所有的成型應(yīng)用，正在從RP到VP轉(zhuǎn)移。目前，他們的RP模式僅應(yīng)用于概念的設(shè)計(jì)和市場(chǎng)的目的。另外的成型由VP來(lái)執(zhí)行。 第二個(gè)公司C制造消費(fèi)電子產(chǎn)品如：電視機(jī)， 音頻接收機(jī)，電話等。VP僅作為一種生產(chǎn)3D模型的工具。從實(shí)體3D模式生成所需的STL文件來(lái)制造RP模型。公司C用這個(gè)部件做硅橡膠的主要部件來(lái)生產(chǎn)一定數(shù)目的實(shí)體ABS模型，這種模型為各種各樣的成型進(jìn)行測(cè)試和模擬。 公司B更傾向于轉(zhuǎn)移更多的成型到VP，而不用實(shí)體造型。虛擬成型在減少成本的同時(shí)提高了質(zhì)量和可靠性。對(duì)比用實(shí)體造型虛擬成型的操作使設(shè)計(jì)的提高更加容易。 公司B用PRO/E草繪CAD模型，然后用Patran來(lái)提前加工模型。用ABAQUS來(lái)執(zhí)行靜態(tài)的FEA，而用ABAQUS模式來(lái)分析動(dòng)態(tài)方案。當(dāng)執(zhí)行不同的概念和實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，ALILAS用于裝飾模擬。 B公司常用FEA執(zhí)行大量的VP，這使公司只用4~6周的時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)尋呼機(jī)。在執(zhí)行FEA中大多數(shù)集中于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試分析，偶爾進(jìn)行震動(dòng)測(cè)試。有些正在進(jìn)行的裝飾模擬中，常常是為了當(dāng)前的目的。 FEA常用于研究以下問(wèn)題： 1. 估測(cè)一個(gè)設(shè)計(jì)的變化和正確性 2. 基于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)失敗的可能性 3. 做一些同實(shí)體測(cè)試有關(guān)的有根據(jù)的測(cè)試 4. 盡力闡明導(dǎo)致失敗的原因 根據(jù)B，VP的缺點(diǎn)是不能有效的模擬過(guò)程中的問(wèn)題。因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的矛盾，F(xiàn)EA的準(zhǔn)確度是有限的。大量的計(jì)算也決定了FEA的準(zhǔn)確度。 RP在B公司的應(yīng)用也是有限的。室內(nèi)層壓實(shí)體制造RP系統(tǒng)常用于為概念設(shè)計(jì)的制造的設(shè)計(jì)模型而不是幾何造型。 公司C大量用RP，而很少用VP。從收音機(jī)到29寸電視的外殼等的零件都用RP。典型 的說(shuō)，公司用一年的時(shí)間來(lái)完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品銷(xiāo)售。。 公司C的目標(biāo)在通過(guò)RP 成型所有的零件。 CAD模式用I-DEGS制造出來(lái)。RP格式是為RP零件開(kāi)發(fā)的。RP零件的主要目的是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)。常用的快速成型零件有以下功能： 1. 裝配形式 2. 工程檢查 3. 概念設(shè)計(jì) 4. 加工性能 5. 動(dòng)力學(xué)檢查 6. 彈性檢查 由于VP不能模擬，所以C公司在VP的限制上做了很多研究。 1. 觸覺(jué)（對(duì)按鍵）不能測(cè)量；如果能測(cè)出壓力便可以用VP。 2. 裝配性能 4． 實(shí)例1：成型手機(jī)外殼 這個(gè)例子研究了RP和VP模式下的設(shè)計(jì)依據(jù)，裝配，干涉檢查。ABS產(chǎn)品，RP和VP零件都要在各方面進(jìn)行估計(jì)。這里用的QP系統(tǒng)是SLA。ABS和RP零件如圖2示，對(duì)RP零件的研究揭示了： 1. 表面精度比ABS零件還差 2. 翹曲很明顯 4.1 設(shè)計(jì)依據(jù) 做為一個(gè)有實(shí)際尺寸的物理零件，RP能給設(shè)計(jì)者一種能估計(jì)尺寸的感覺(jué)。這種對(duì)RP零件的判斷是錯(cuò)誤的。因?yàn)榱慵ǔＷ詣?dòng)適應(yīng)可視窗口。實(shí)體零件的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行人類(lèi)工程學(xué)檢查。從通信設(shè)備的配合到危險(xiǎn)角落和邊緣的深度檢查。它提供了觸覺(jué)檢查，在產(chǎn)品上是很重要的，在人類(lèi)工程學(xué)上也很重要，如觸摸鍵。VP不能提供這些。VP模式下的圓邊在RP零件上證明是不安全的。 VP模式下可以進(jìn)行美學(xué)估價(jià)。CAD模式允許在任何方向上觀察模型，至少有基本的觀察能力。然后，能夠在預(yù)期的模擬燈光和成千上萬(wàn)的陰影顏色的混合下觀察零件。RP零件不能上色，表面和描繪就需另外的工序。任何的一種表面差別都能立即檢查出來(lái)而不用去檢查實(shí)體零件。這也允許設(shè)計(jì)者估計(jì)美學(xué)價(jià)值，做一些糾正。在大多數(shù)合資公司中，設(shè)計(jì)和制造通常有一定的差距。CAD文件能送出和接受電子信號(hào)，大大幫助設(shè)計(jì)過(guò)程，而且是可重復(fù)和并發(fā)的。隨著CAD軟件的發(fā)展，成型過(guò)程將很迅捷和簡(jiǎn)單。任何一種虛擬成型設(shè)計(jì)的都能生產(chǎn)出來(lái)，幾乎連續(xù)用于設(shè)計(jì)過(guò)程中的零件。 4.2 裝配 因?yàn)閺澢褪湛s隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，所以RP零件必須迅速執(zhí)行。彎曲是零件幾何設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題。最好的設(shè)計(jì)零件也有不同程度的彎曲和收縮。一些RP零件像SLA收縮率固定，零件需要設(shè)計(jì)大一點(diǎn)，使它收縮到正確的尺寸。只有這樣安排設(shè)計(jì)，才有可能裝配好，但也有可能被彎曲和收縮損壞。一些零件僅僅在外力作用下才會(huì)裝配好。RP零件不僅允許用戶連續(xù)裝配。而且允許用戶以一定角度放置在不能線形放置的裝配中。裝配用的RP零件的缺點(diǎn)是材料易碎，脆弱，不易用緊固件連接。 CAD軟件允許零件以3D 形式或平面模式或局部裝配。在虛擬領(lǐng)域中，裝配很普通的用于檢查我們即將談到的配合形式。CAD軟件的裝配形式和局部裝配允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)者快速檢查自己是否正確設(shè)計(jì)了零件。凸緣是否足夠高并能容納一個(gè)插入的螺釘穿過(guò)另一個(gè)零件，兩個(gè)槽是否水平形成一個(gè)大的槽。虛擬環(huán)境下裝配的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有實(shí)體零件需要制造，因而減少了成本。沒(méi)有實(shí)體零件，也就減少了加工時(shí)間。虛擬環(huán)境下的裝配可在幾分鐘或幾天內(nèi)完成，比制造實(shí)體零件要快，然后進(jìn)行裝配。用戶也可以建立和制造一個(gè)零件或修改零件的特征。當(dāng)所有的實(shí)例被改變時(shí)也可以用工程參數(shù)或零件的實(shí)際尺寸的形式寫(xiě)下裝配關(guān)系。當(dāng)進(jìn)行裝配時(shí)，在允許柔韌性條件下，也可以解決平衡問(wèn)題。對(duì)設(shè)計(jì)的公差估計(jì)從最小成本進(jìn)行。也可以通過(guò)縮小公差制造公差，這些公差對(duì)總體尺寸變化很重要，對(duì)疏散公差有很少的作用。 4.3干涉檢查和配合形式 RP零件的彎曲和收縮影響著干涉檢查和配合形式。因此干涉或配合取決于彎曲、收縮或設(shè)計(jì)錯(cuò)誤中的一個(gè)或更多因素。。即使RP零件配合好了，仍然不能保證尺寸的正確性。兩個(gè)或更多零件在同一方向或不同方向收縮仍能產(chǎn)生一個(gè)好的配合。在這種情況下，CAD模式常用于確定干涉和配合是否取決于設(shè)計(jì)缺點(diǎn)。 CAD系統(tǒng)廣泛應(yīng)用干涉檢查和配合形式。它描繪了用戶的一種能力，就是進(jìn)行配合零件和干涉檢查時(shí)，不必生產(chǎn)零件（尺寸不正確的零件），因此降低了成本。 CAD系統(tǒng)中的進(jìn)程的相互作用也使用戶和設(shè)計(jì)者從工程繪圖到檢測(cè)干涉的需要中解脫出來(lái)。這個(gè)過(guò)程允許用戶建立制造過(guò)程中重要而穩(wěn)定的尺寸公差。當(dāng)配合小數(shù)目零件時(shí)，CAD系統(tǒng)的干涉檢查是不明顯的。對(duì)于復(fù)雜的大量零件的裝配，特殊零件有很多特征。這些零件必須與另外零件裝配和對(duì)齊。CAD系統(tǒng)不僅不允許任何的不對(duì)齊和干涉的監(jiān)測(cè)，而且會(huì)立即糾正問(wèn)題。當(dāng)用戶需要時(shí)，CAD系統(tǒng)會(huì)在裝配上進(jìn)行干涉檢查。它比其他方法更快、更準(zhǔn)確和精確。。CAD也會(huì)闡述列出特征，用戶也會(huì)看到實(shí)體來(lái)糾正位置。 5. 實(shí)例2：膝蓋修補(bǔ)的成型 5.1 背景 快速成型已在醫(yī)療事業(yè)中得到應(yīng)用，然而這種應(yīng)用中，STL文件不會(huì)在CAD模式中得到。通過(guò)醫(yī)療設(shè)備得到數(shù)據(jù)，進(jìn)而從數(shù)據(jù)中產(chǎn)生STL文件。Swaelens和Kluth提出三種方法可以從CT掃描數(shù)據(jù)中成型RP零件。在大部分情況下，用STL分界，在STL交接，用一個(gè)CT掃描器繪制一個(gè)3D曲面的表面。這些文件轉(zhuǎn)化成三角文件形式，這些文件再轉(zhuǎn)化成RP機(jī)器需要的STL文件。從CT掃描到RP 機(jī)械有一個(gè)直接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此掃描平面通過(guò)RP機(jī)器再生出來(lái)。 當(dāng)用這種形式時(shí)，VP幾乎扮演了一個(gè)可忽略的角色。在RP輔助的醫(yī)療成型中，做為一個(gè)觀察者來(lái)改正表面輪廓。Jacob在[5]中從CT掃描的數(shù)據(jù)中構(gòu)建了3D模式。他們認(rèn)為這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于清晰，由于外科是一種精致的人工技術(shù)。我們能在任何一種角度觀察模型，甚至可對(duì)起進(jìn)行操作。用這種方式，醫(yī)生能掌握了解問(wèn)題。這個(gè)研究表明了VP可做3D的觀察器。當(dāng)研究3D模式是否是實(shí)體模式時(shí)，它會(huì)打開(kāi)集成的CAD軟件進(jìn)入這個(gè)進(jìn)程，雖然數(shù)據(jù)交換有些問(wèn)題。 同CAD系統(tǒng)對(duì)照線路如下所示。LB大學(xué)的研究人員從CT掃描數(shù)據(jù)闡明輪廓并且把它們引進(jìn)CAD來(lái)生成平面模型。經(jīng)過(guò)很多努力研制出臀部的實(shí)體模型，整個(gè)過(guò)程用了幾周的時(shí)間。 把CT 掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D的過(guò)程是復(fù)雜而且易產(chǎn)生錯(cuò)誤。他們必須把得到的CT掃描的三點(diǎn)連接起來(lái)形成曲線。當(dāng)表面層疊時(shí)易發(fā)生混亂。當(dāng)一點(diǎn)在很近的點(diǎn)的下方時(shí)，這一點(diǎn)可能不是對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)。 這些曲線必須是獨(dú)立的并且有人工選擇來(lái)定義平面，必須細(xì)心以保證形成的平面近似于原平面。形成原平面后，必須把他們連接起來(lái)形成網(wǎng)格，然后把這些平面混合起來(lái)形成平面模型。如果模型完全被封鎖，CAD系統(tǒng)就會(huì)把它轉(zhuǎn)化成3D模型。 人類(lèi)身體的復(fù)雜性和仿制也是當(dāng)前面臨的一個(gè)問(wèn)題。抽出的大部分曲線用貝塞爾曲線來(lái)代表。一種繪制算法有時(shí)不能從3D數(shù)據(jù)中綜合出貝塞爾曲線。因此這種過(guò)程必須用人工支持[6]。在軟件不能識(shí)別出特征時(shí)如：骨架連接處，就需要人的監(jiān)督，為了估測(cè)一種特征，數(shù)據(jù)必須分成獨(dú)立的數(shù)據(jù)。 直接的交接有兩個(gè)問(wèn)題。從CT掃描的數(shù)據(jù)以圖片的形式自動(dòng)分割。從圖形直接計(jì)算也是可以的。它們不包括足夠的表面信息。因此對(duì)支持構(gòu)筑相應(yīng)的結(jié)構(gòu)的RP系統(tǒng)，這是很困難的。從各部分成功獲得的輪廓是不明顯的。 CT掃描器有一個(gè)入口過(guò)濾器在預(yù)期的密度區(qū)域來(lái)分離區(qū)域。當(dāng)該區(qū)通過(guò)入口裝置時(shí)，在闡明組織時(shí)有一些問(wèn)題。如：對(duì)于一些比一般尺寸大的皮下高密度組織，表面更好定義，轉(zhuǎn)變也很容易。當(dāng)對(duì)低密度結(jié)構(gòu)掃描時(shí)，或結(jié)構(gòu)太小，僅僅部分可以充滿。表面密度的測(cè)量不會(huì)超越入口，因此，一個(gè)固定的入口過(guò)濾器將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸收縮。因此大多樹(shù)調(diào)查聚集在STL交接處。 虛擬成型在生物力學(xué)上有更多的應(yīng)用。CAD常用于設(shè)計(jì)修復(fù)術(shù)。模擬參數(shù)和分析參數(shù)常用于幫助精練零件的設(shè)計(jì)。在一些修復(fù)中，如膝蓋，有限元分析也是很重要的工具。在通過(guò)修復(fù)的手足的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi) ，會(huì)用到運(yùn)動(dòng)模擬和分析。當(dāng)環(huán)境僅370C時(shí)，通常不執(zhí)行核心模擬。 為修復(fù)而制造的快速成型零件，用于概念設(shè)計(jì)和尺寸估測(cè)。在一些情況下能執(zhí)行成型和裝配。但對(duì)另外的情況如：球形連接，卻是不可能的。對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的修復(fù)必須執(zhí)行嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)檢查。 5.2 有限元模擬分析 這個(gè)實(shí)例的研究了基礎(chǔ)的有限元模擬能力和相應(yīng)的RP模型。這次研究的基礎(chǔ)是Chow[8]設(shè)計(jì)的膝蓋修復(fù)，這種修復(fù)是在機(jī)械設(shè)計(jì)的。文件輸出為IGES格式。當(dāng)用PRO/E時(shí)表面形狀是不連續(xù)的并且有時(shí)是不完整的（見(jiàn)圖7.8）。分析軟件常用ANSYS5.4版本。零件用PT集團(tuán)開(kāi)發(fā)的PRO/E建成。PRO/E沒(méi)有一種有限元模擬模式。用于這次研究的RP是在SLA系統(tǒng)建立的。 然而， PRO/E有一個(gè)FEM 編程器允許用戶： 1.添加或修改有限元分析的任務(wù)和模型的基本環(huán)境 2.為所有的元素給出最大和最小尺寸 3.給出一條邊上混成的點(diǎn) 4.給出模型的材料的性質(zhì) PRO/E能通過(guò)創(chuàng)造網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)提前加工零件。在PRO/E中建立零件然后以IGES標(biāo)準(zhǔn)輸出為ANSYS。當(dāng)裝配對(duì)稱(chēng)時(shí)，可以只建立一半，如圖9。 用有限元模擬組件的能力依賴(lài)于用戶的技能和知識(shí)，用戶必須對(duì)有限元模擬中的概念和術(shù)語(yǔ)熟悉。 并非所有的都有綜合的有限元解決方法。在一些情況下有限元文件可以或不可以接收特殊的CAD文件格式。然后，像IGES、DXF、VDA文件格式也是需要的。 數(shù)據(jù)交換不是轉(zhuǎn)化零件數(shù)據(jù)到有限元軟件僅有的障礙。每一個(gè)CAD軟件系統(tǒng)都有不同的實(shí)體模型。在徑節(jié)制造中，兩個(gè)幾何零件用不同的特征造型技術(shù)制造的。一個(gè)零件可由PRO/E網(wǎng)壯形成，不能用ANSYS。因此，用戶的意見(jiàn)是避免這樣的問(wèn)題。 在決定零件的哪種特征可以隱去到仔細(xì)分析時(shí)，使用者的意見(jiàn)也是很重要。同時(shí)保持分析的完整。某種幾何形狀和特征尤其是幾個(gè)邊的交接處，會(huì)產(chǎn)生倒錯(cuò)。因此，這些錯(cuò)誤必須刪除。一些有限文件包允許編輯零件。但一些僅限制編輯。CAD軟件中必須能做這些轉(zhuǎn)變，然后再輸出到有限元軟件。因此必須要一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的用戶提前注意這些問(wèn)題或正確表述這些問(wèn)題，然后改正他們。RP模式做為可視工具更加有用，一個(gè)實(shí)際零件能給人更好的尺寸感知力比在顯示器上。在膝蓋修復(fù)中能做出一個(gè)堅(jiān)固的裝配來(lái)檢查腿骨和徑骨的裝配。實(shí)際上，RP 在裝配中幫助VP確定零件。，也能進(jìn)行一次完全的 動(dòng)力學(xué)檢查暗暗暗暗啊。設(shè)計(jì)者能直觀的估測(cè)零件。當(dāng)模仿腿骨和徑骨的裝配,設(shè)計(jì)者可得到對(duì)沿著軸向垂直方向運(yùn)動(dòng)到是否可以得到的一種直觀的感覺(jué)。然而從虛擬成型中獲的時(shí)機(jī)時(shí)，它卻不能顯示可視的線索，如：這個(gè)設(shè)計(jì)是否笨拙或麻煩，這只有物理成型才能正確展示。 6．結(jié)論 快速成型在動(dòng)力學(xué)模擬裝配和干涉檢查上優(yōu)于VP。做為一個(gè)實(shí)體零件，RP 允許用戶測(cè)定形狀尺寸。這也用于人類(lèi)工程學(xué)和觸覺(jué)估計(jì)。大部分RP零件有機(jī)械性能的缺點(diǎn)。SLA部分是易碎和易彎曲的。在一些RP系統(tǒng)中建立支持的需要也是一個(gè)問(wèn)題。除此之外，RP系統(tǒng)不能做很小的零件。 虛擬成型提供了一個(gè)快速的設(shè)計(jì)過(guò)程。從分析中產(chǎn)生的問(wèn)題也會(huì)迅速解決。用VP來(lái)成型零件可以減少實(shí)體的造型成本和時(shí)間。虛擬成型在硬件和軟件方面要很高的開(kāi)發(fā)成本，這要求有技能和操作熟練的人員來(lái)進(jìn)行，為了完全收益。在VP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換是很少的，而且買(mǎi)主要求零件的完全設(shè)計(jì)。 基于deform模具壽命的預(yù)測(cè) 摘要 本文詳細(xì)介紹了模具基于磨損和塑性變形在熱鍛過(guò)程中使用壽命的計(jì)算方法。熱負(fù)荷和長(zhǎng)期接觸死亡之間會(huì)熱軟化表面層，模具使用壽命大大縮短。此外，模具使用壽命取決于磨損和塑性變形的模具可在很大程度上取決于有限元分析，磨損和熱軟化試驗(yàn)。這些都是一些主要限制因素影響模具的精度和模具使用壽命，并初步形成速度和模具溫度的影響力大大磨損和塑性變形的熱鍛模。在這項(xiàng)研究中，提出了兩種方法估算的使用壽命熱鍛模的塑性變形和磨損，而這些用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品數(shù)量根據(jù)兩個(gè)主要過(guò)程變量，初步形成速度和模具溫度為主軸的組成部分。通過(guò)應(yīng)用所建議的方法，熱軟化的死亡，由于當(dāng)?shù)貧鉁厣仙龑?dǎo)致減少使用壽命的熱鍛模的塑性變形超過(guò)了磨料磨損。 ? 2004埃爾塞維爾灣五，保留所有權(quán)利 關(guān)鍵詞：熱鍛;模具使用壽命;磨損;塑性變形;熱軟化; 回火參數(shù) 1. 前言 熱鍛是最傳統(tǒng)的金屬成形過(guò)程中所使用的關(guān)鍵部件生產(chǎn)中各行業(yè)。其實(shí)，它廣泛用于制造汽車(chē)和工業(yè)機(jī)械部件。特別是，這一過(guò)程可以有效地利用，形成材料的高流動(dòng)應(yīng)力。模具使用壽命大大影響了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。在熱鍛過(guò)程中，模具的使用壽命大大縮短了熱循環(huán)，過(guò)度金屬流動(dòng)和減少模具硬度。 如今，生產(chǎn)成本取決于模具的使用壽命可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的聲音沒(méi)有任何形式的內(nèi)部和外部缺陷在熱鍛過(guò)程。分包商和供應(yīng)商正在受到越來(lái)越多的壓力就減少成本和責(zé)任的發(fā)展，新的組成部分。這些要求是更重要的汽車(chē)行業(yè)。因此，重要的是要提高技術(shù)技能方面的材料科學(xué)和冶金以及在該地區(qū)的模具設(shè)計(jì) 知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD ）和數(shù)值模擬也變得非常有幫助。在鍛造工業(yè)，加工費(fèi)用可達(dá)約50 ％的元件成本。因此，很顯然，減少元件成本需要有一個(gè)優(yōu)化的工具，特別是改善性能和使用壽命 。在熱鍛過(guò)程中，鍛造工具不僅受到機(jī)械應(yīng)力，而且還熱機(jī)械應(yīng)力引起的熱循環(huán)和連續(xù)鍛造業(yè)務(wù)。 正確選擇模具材料和模具制造技術(shù)決定，在很大程度上，使用壽命形成死亡。模具可能要取代有許多原因，如變化方面，由于磨損或塑性變形，惡化的表面光潔度，細(xì)目潤(rùn)滑，打擊或斷裂。許多研究人員進(jìn)行調(diào)查的影響，工藝條件對(duì)模具使用壽命在金屬成形過(guò)程 。表面硬度的死亡減少由于熱軟化熱鍛模。這熱軟化效應(yīng)加速工具失敗。的限制因素的模具使用壽命可同時(shí)或分別發(fā)生在熱鍛過(guò)程。由于不同的特點(diǎn)，工序或產(chǎn)品，模具使用壽命可減少磨損或塑性變形。 本研究開(kāi)發(fā)的兩種方法來(lái)估計(jì)模具使用壽命在熱鍛過(guò)程。其中一個(gè)方法，可以預(yù)測(cè)的塑性變形的模具和其他是計(jì)算的數(shù)額的模具磨損。這些方法已應(yīng)用于評(píng)價(jià)的使用壽命完美收官模熱鍛過(guò)程中汽車(chē)的一部分，可能最大的生產(chǎn)量描述模具使用壽命將評(píng)價(jià)根據(jù)變化的初步成形模具溫度和速度。 2.的方法來(lái)估計(jì)模具使用壽命 本研究開(kāi)發(fā)的兩種方法估算的使用壽命模具在熱鍛過(guò)程。其中一個(gè)方法，可以預(yù)測(cè)的塑性變形的模具;另一種是計(jì)算磨具的磨損。 2.1模具使用壽命基于塑性變形 在熱鍛過(guò)程中，溫度的增加而死亡之間的接觸死亡和熱變形的材料。率的溫度上升可以歸因于幾個(gè)因素，如初始溫度的模具和坯料，接觸時(shí)間和壓力，模具材料及表面處理?xiàng)l件。熱軟化誘導(dǎo)這一溫度上升逐漸降低模具硬度，并最終導(dǎo)致的塑性變形的死亡。 較長(zhǎng)的接觸時(shí)間在高溫引起減少了表面硬度的死亡。為了考慮熱軟化效應(yīng)估計(jì)死亡使用壽命對(duì)塑性變形，這是需要引進(jìn)回火參數(shù)，如圖1.1所顯示的均衡器。這是影響模具硬度變化對(duì)溫度和時(shí)間接觸連續(xù)鍛造周期： 式（1） 其中T是回火溫度（ K ） ， C是材料常數(shù)其中大約有20對(duì)碳鋼， T是鍛煉時(shí)間。另外，從開(kāi)始變形，直到彈出偽造的部分模具表面的溫度變化1鍛造周期，因此采用等效溫度是必需的。相當(dāng)于溫度，可近似表示顯示均衡器： 式（2） 在那里，并且是最高和最低氣溫在1鍛造周期分別。 估計(jì)模具使用壽命的塑性變形的熱誘導(dǎo)死亡軟化，回火時(shí)間在均衡器改為硬度日舉行的時(shí)間，在那里次的時(shí)間，考慮到初始模硬度逐漸降低，達(dá)到臨界硬度的熱軟化所示均衡器： 式（3） 哪里是M值時(shí)，最初的模具硬度等于相應(yīng)的硬度屈服強(qiáng)度模具。 當(dāng)材料是一個(gè)完美的塑料，硬度（硬度）的材料是3倍左右的屈服強(qiáng)度的材料。主要回火曲線這個(gè)熱作模具材料。實(shí)際工作完成淬火模具是在1030℃，然后它的第一個(gè)鍛煉的3小時(shí)在550℃和第二回火為3.5 h在600℃角模具表面被視為離子滲氮過(guò)程的14 h在520℃角 圖1.1 主要回火曲線H13 因此，硬度保溫時(shí)間估計(jì)模具使用壽命認(rèn)為，第一次和第二次鍛煉的時(shí)間，可以得出如下： 那里的T1 ，時(shí)刻是第一次和第二次回火溫度， T1訊號(hào)，氚的硬度舉行次在第一次和第二次Myield價(jià)值的毒性當(dāng)量分別。 為了計(jì)算硬度持有時(shí)間，有效應(yīng)力和等效溫度可從剛塑性有限元分析。 Myield價(jià)值來(lái)確定的主要回火曲線。 T1和T2是代入方程，以獲取硬度保溫時(shí)間。 最后，模具使用壽命整理模具除以硬度保溫時(shí)間由一個(gè)鍛造循環(huán)時(shí)間，及模具使用壽命表示可能最高產(chǎn)量。大綱的估算方法模具使用壽命的影響塑性變形圖所示。 圖1.2 流程圖塑性變形分析 圖1.3 流程圖磨損分析 2.2.模具使用壽命基于磨粒磨損 磨粒磨損是指故意去除材料表面，如在研磨和拋光的工程組成部分和有害物質(zhì)損失時(shí)發(fā)生機(jī)械部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在熱成型，模具鋼應(yīng)具有較高的高溫硬度和應(yīng)保留這項(xiàng)硬度長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫下。影響因素磨損金屬的接觸過(guò)程中的溫度與表面粗糙度，硬度模具材料，正常的壓力，模具表面，滑動(dòng)之間的距離接觸金屬，潤(rùn)滑條件等磨損模具尺寸精度的影響和表面光潔度的產(chǎn)品在熱鍛過(guò)程。 圖2.1 形狀和尺寸的產(chǎn)品和整理死亡 圖2.2工藝設(shè)計(jì)主軸的產(chǎn)品 在這項(xiàng)研究中，為了預(yù)測(cè)磨損剖面的死在金屬成形過(guò)程，查德磨損模型應(yīng)用于所示，均衡器： 式（5） 其中V是磨損深度， K的磨損系數(shù)， P是正常的壓力，模具表面， L是滑動(dòng)距離和H是表面硬度模具。 估計(jì)模具使用壽命基于磨粒磨損，這是需要考慮的硬度變化在高溫下的死和磨損量增加了表層關(guān)于接觸時(shí)間和溫度。數(shù)值模型磨損所顯示的均衡器。 如下公式，是發(fā)達(dá)國(guó)家的考慮硬度變化裸片方向的磨損深度。 式（6） 表1 工藝條件的有限元分析 坯料 材料 AISI 1045 導(dǎo)熱系數(shù)(N/s ?C) 74.93 發(fā)射率 0.3 熱容量 ( N/mm ?C) 3.602 鋼型 原料 H 13 導(dǎo)熱系數(shù)(N/s ?C) 28.6 發(fā)射率 0.3 熱容量 (N/mm ?C) 3.574 （續(xù)）表1 表面處理離子氮化鍛造條件 摩擦系數(shù) (m) 0.3 傳熱系數(shù)(N/smm?C) 11.3 對(duì)流系數(shù)(N/smm?C) 0.02 初始坯/模具溫度(?C) 1200/200 鍛造速度(mm/s) 250 ——————————————————————————————————————————————————— 表 2 條件的變化過(guò)程變量 過(guò)程變量 最初的模具溫度 (?C) 200 300 400 鍛造速度(mm/s) 200 250 300 常壓（ σn ） ，在滑動(dòng)速度（比） ，溫度分布對(duì)模具表面的計(jì)算從剛塑性有限元分析，并允許磨損量和臨界值的表面硬度得到了磨損試驗(yàn)和熱軟化實(shí)驗(yàn)。 數(shù)額磨損各點(diǎn)的模具表面形成一個(gè)周期，通過(guò)計(jì)算磨損分析均衡器，然后與允許值。此外，硬度在磨損表面造成這一數(shù)額的磨損比較的臨界值。如果磨損量小于允許值，硬度在破舊模具表面仍然大于臨界值，然后磨粒磨損分析會(huì)重復(fù)，直至綜合磨損量達(dá)到了允許值。最后，生產(chǎn)數(shù)量表達(dá)模具使用壽命決心從總?cè)藬?shù)的磨損分析。流程圖的估算方法模具使用壽命基于磨粒磨損圖所示。 3.分析及結(jié)果 如圖3.1顯示熱鍛產(chǎn)品的基礎(chǔ)上分析塑性變形和磨損。一個(gè)汽車(chē)零部件，主軸的一部分，是生產(chǎn)的三個(gè)階段組成的破壞和兩個(gè)向前/向后熱鍛行動(dòng)。圖3.2顯示了工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的熱成形主軸的一部分。 圖3.1 損傷因子的最終產(chǎn)品 圖3.2 溫度分布的初始模具溫度 該產(chǎn)品具有高度為320毫米，最大直徑一三一毫米和長(zhǎng)期擠壓一部分。這離散部分最少需要加工和高尺寸精度。不幸的是，圖3.1所示磨損或塑性變形模具發(fā)生在加緊角落顯示為第1、2點(diǎn)。模具的使用壽命取決于這一部分的變化，初步形成和加強(qiáng)這些方面的角落在熱鍛。分析條件的形成和變化的過(guò)程變量估計(jì)模具使用壽命列于表1和表2分別。分布損壞價(jià)值最后階段獲得的有限元分析顯示圖3.3，這些價(jià)值觀念出現(xiàn)高度在兩個(gè)加強(qiáng)角落。損害因素可以用來(lái)預(yù)測(cè)骨折的形成行動(dòng)。 圖3.3 交點(diǎn)力量和速度分布的初始模具溫度。 因此，一定程度的損害這些彎道可能直接關(guān)系到模具的使用壽命。當(dāng)最初的模具溫度很低，這可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)最初的模具溫度高，模具的硬度降低。當(dāng)形成速度變得更快，接觸之間的時(shí)間熱變形材料和模具縮短和相當(dāng)于溫度低。最初的模具溫度控制和選擇的變形速度是非常重要的模具壽命。 圖3.4 有效應(yīng)力及磨損深度初步模具溫度 3.1.影響的初步模具溫度 在金屬塑性成形過(guò)程中，塑性變形和摩擦有助于熱量的產(chǎn)生。溫度發(fā)達(dá)國(guó)家在這一進(jìn)程中的影響力潤(rùn)滑條件下，刀具壽命，性能的最終產(chǎn)品，以及為生產(chǎn)。最重要的是，當(dāng)最初的模具溫度高，溫差內(nèi)外成為一個(gè)小方坯，這小溫差助攻金屬流動(dòng)的聲音。另一方面，較高的表面溫度可降低模具的使用壽命。但如此低的溫度，模具表面可能干擾金屬流動(dòng)，造成表面缺陷。 可以看出，在溫度對(duì)模具表面的兩個(gè)加強(qiáng)角落（點(diǎn)1 ， 2 ）增加不同，由于最初的模具溫度的影響，對(duì)同一鍛造工藝。在初期的模具溫度400℃的第1點(diǎn)，模具的溫度較高的初期，但最高溫度低于200或300要么?角另外，這些結(jié)果清楚地表明，溫度梯度的初始模具溫度400 ℃是非常大的第2點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的分布是力量和速度顯示圖可以看出，節(jié)點(diǎn)力模具表面跌幅為初始模具溫度升高，而速度的工件在附近的模具/材料界面增加，因?yàn)樽畛醯哪＞邷囟壬仙?。這樣做的理由是，金屬流動(dòng)增加隨著溫度的升高。結(jié)果磨粒磨損和應(yīng)力分析整理死于中顯示圖。 9 ，當(dāng)最初的模具溫度為400 ℃時(shí)，磨損深度（ δ ）在第2點(diǎn)是近似一點(diǎn)八九八毫米，是大約4倍，在200 ?角這并不奇怪，因?yàn)橄鄬?duì)速度和工件之間的模具第2點(diǎn)的初步模具溫度400 ℃是高于或者200或300 ?角此外，由于最初的模具溫度升高，硬度鋼表面附近的死亡減少。 圖3.5 溫度分布的形成速度 結(jié)果模具使用壽命據(jù)初步估計(jì)模具溫度，塑性變形和磨損總結(jié)表3和表4分別。作為最初的模具溫度的增加，產(chǎn)量下降?？赡茏畲蟮纳a(chǎn)量受磨損高于的塑性變形的模具。一般來(lái)說(shuō)，屈服強(qiáng)度鋼減少，隨著氣溫的升高，屈服強(qiáng)度還依賴(lài)于事先熱處理。在最初的模具溫度高的原因，減少模具硬度的熱軟化。較高的初始硬度，產(chǎn)量較大的優(yōu)勢(shì)在不同溫度下。從結(jié)果中，模具壽命產(chǎn)生塑性變形的死亡更重要的是從磨損方面初步模具溫度。 表格3、4 圖3.6交點(diǎn)力量和速度分布形成速度 3.2. 影響成形速度 當(dāng)變形速度變得快，形成循環(huán)時(shí)間縮短，而變形力之間的模具和工件增加。可以看出，在圖。溫度對(duì)模具表面的兩個(gè)加強(qiáng)角落（點(diǎn)1 ， 2 ）增加不同，由于形成速度的影響，對(duì)同一鍛造工藝。形成速度為250毫米/秒，模具的溫度逐漸增加，但最高溫度高于300毫米/秒。此外，溫度梯度的形成速度為300毫米/秒的大第2點(diǎn)。 圖3.7有效的壓力和磨損深度成形速度 表格5、6 節(jié)點(diǎn)的分布是力量和速度顯示圖。 11 ?？梢钥闯?，節(jié)點(diǎn)力下降的模具表面形成的速度增加，而速度的工件在附近的模具/材料界面增加，因?yàn)樽畛醯哪＞邷囟壬仙?。這樣做的理由是，金屬流動(dòng)的增加而日益成形速度。結(jié)果磨粒磨損和應(yīng)力分析整理死于中間。當(dāng)形成速度是300毫米/ s時(shí)，磨損深度（ δ ）在第2點(diǎn)是261毫米，約為3倍，在200毫米/秒 當(dāng)形成速度增加，模具使用壽命評(píng)價(jià)塑性變形變得更長(zhǎng)。但它的生命磨損是相對(duì)較短。估算結(jié)果模具使用壽命根據(jù)成型速度顯示表5和表6分別。當(dāng)形成速度是200毫米/ s時(shí)，塑性變形的死亡發(fā)生在年初加緊角落（點(diǎn)1 ， 2 ）由于當(dāng)?shù)氐母邷厮斐傻拈L(zhǎng)期的接觸時(shí)間。由于形成的速度增加，模具使用壽命塑性變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的地方溫度低的短接觸時(shí)間在加強(qiáng)角落。當(dāng)形成速度增加，模具使用壽命的基礎(chǔ)上減少磨損。從結(jié)果中，模具壽命磨損造成的死亡更重要的是從塑性變形方面形成速度 4. 結(jié)論 在這項(xiàng)研究中，兩種方法估算的使用壽命熱鍛模的塑性變形和磨損的建議，這些適用于預(yù)測(cè)的產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)兩個(gè)主要過(guò)程變量，初步形成速度和模具溫度。通過(guò)應(yīng)用所建議的方法，得到了以下結(jié)論。 1）熱軟化模具由于當(dāng)?shù)貧鉁厣仙龑?dǎo)致減少使用壽命的熱鍛模的塑性變形超過(guò)了磨料磨損。當(dāng)形成速度增加，模具使用壽命造成的磨損減少。 2）當(dāng)最初的模具溫度增加，模具使用壽命由塑性變形和磨損降低，特別是塑性變形似乎是主要限制因素模具使用壽命。 3）當(dāng)形成速度增加，模具使用壽命造成的塑性變形，改善由于接觸時(shí)間短的階梯角落，另一方面，它的生命所造成的磨損是短。