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（毕业设计全套）熔融沉积成型机床设计（打包下载）

.挤出装置的组成挤出装置结构图如下图所示挤出装置分别由挤出机构，导热机构，喷嘴组成。图.原理图挤出机构是喷头的重要组成部分，没有了挤出机构，物料棒就无法连续供给到导热装置，使得喷嘴得不到熔融状态的叠加物料，工件无法完成加工。在设计挤出机构过程中，我们先定下设计方案，然后初定设计参数，最后进行数据的校核，看看是否满足要求。挤出机构中，主要是要实现两个滚轮带动棒料缓缓下落的功能，因此需要个步进电机步进电机在低速运动时，很难实现有效控制，并且很容易出现漂移，低频是容易出现震动和失步，所以需要个传动比较高的配合，例如对直齿轮在图.中轮由步进电机作为动力转动，为了方便棒料的拆卸和挤出机构的清洁，滚轮应该是个从动轮，改装成为个滑动型的顶出装置，实现紧松调节的顶出装置为了方便棒料的进入，还应该有个棒料的导入嘴，其作用是为了防止棒料的卡死和减少摩擦。因此整个挤出装置的主要部件为导入嘴步进电机两个滚轮对齿轮组顶板以及支撑端板。如图.所示图.挤出机构.挤出机构齿轮组设计该齿轮组选用直齿圆柱齿轮传动，精度均为级，为了使整个喷头结构简单和重量减轻，并且要求强度高和耐磨性好，故小齿轮材料选用号钢调质，硬度为，大齿轮材料选用号钢正火，硬度为，二者材料硬度差为。初选齿轮模数为，压力角为度，小齿轮齿，传动比选择，则大齿轮齿数为。按齿面接触强度来设计试选载荷系数.由下图图.齿面接触强度得区域系数.由标准圆柱齿轮传动的端面重合度图如下图图.标准圆柱齿轮传动的端面重合度得标准圆柱齿轮传动的端面重合度.由下表表.齿宽系数选取齿宽系数为由下表.表.弹性模量得由下图.和.可知图.图.得小齿轮大齿轮其中为小齿轮的转速，小齿轮与步进电机直接相接，由步进电机的参数可知按接触疲劳选寿命系数由下图.图.弯曲疲劳选寿命系数取小齿轮大齿轮失效概率为，安全系数为.初步选取两齿轮模数小齿轮齿数为大齿轮齿数为则分度圆直径分别为和按齿根弯曲强度设计计算载荷系数查取齿形系数和应力校正系数为如下表表.齿形系数和应力校正系数由上表得由下图.图.调制处理钢查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限由于在前页中已经查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数.计算大小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大，则用小齿轮的数值进行计算。设计计算故齿轮的模数，这样设计的齿轮既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并且做到了结构紧凑，避免浪费。则小齿轮齿数为大齿轮齿数为几何尺寸计算如下表.表.挤出机构直齿轮参数挤出机构直齿轮相关参数齿轮参数小齿轮大齿轮轴齿轮模数.齿数压力角分度圆直径.齿顶高.齿根高齿全高齿顶圆直径.齿根圆直径基圆直径.齿距齿厚.齿槽宽.标准中心距.传动比有了该对齿轮组的尺寸数据，就可以设计喷头挤出机构各个零部件的相关参数，进而可以完成挤出机构的设计。.轴设计作用在齿轮上的力大齿轮上的力为圆周力径向力小齿轮上的力为圆周力径向力初步确定大齿轮轴的最小直径如下表.所示表.轴直径分布选轴的材料为钢，调质处理。根据上表，取，于是轴的结构设计拟定挤出机构轴上的零件的装配方案选用下图.所示图.传动轴.ⅠⅡ的直径为与其配合轴承的直径，为了满足最小直径要求，于是选内径为，外径为的深沟球轴承，尺寸系列为，级公差，级游隙。所以该处的轴直径为，轴承的厚度，所以ⅠⅡⅡⅢ轴段与ⅠⅡ之间要有个定位轴肩，在Ⅱ处定位轴肩，则，所以ⅡⅢ轴段的直径取ⅡⅢ，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为.，所以此处长度为ⅡⅢ.。.ⅢⅣ轴段齿轮，该齿轮在轴上，相关参数如表所示，所以直径为齿轮齿顶圆，则ⅢⅣ.，分度圆直径为.。故长度为齿宽ⅢⅣ.。.与轴承配合ⅥⅦ的直径为标准值，深沟球轴承型号为，长度为轴承套大齿轮垫片和螺母的厚度之和，所以最小尺寸为ⅤⅥ，取整，则得ⅤⅥ。.轴ⅤⅥ段安装轴承，Ⅴ处为定位轴肩，尺寸与之前的轴肩样，因此直径为ⅤⅥ，长度比轴承厚度要短，则长度为ⅤⅥ在轴ⅣⅤ段，为轴承的定位轴肩，尺寸与之前的轴肩样所以ⅣⅤ轴段的直径取ⅣⅤ，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为.，所以此处长度为ⅣⅤ.。到此，我们就可以得到挤出机构的相关零件的所以参数了。则挤出机构的建模爆炸图如下图.所示图.挤出机构的建模爆炸图其中包括棒料材料，顶针螺帽，顶针，顶针接头，右顶板，右板，步进电机，螺钉，入嘴，转接头，传动轴，小齿轮，六角螺钉，大齿轮，垫片，左板，深沟球轴承以及左顶板。.挤出机构流道口设计根据熔丝沉积成形的基本工艺原理，原料丝材直径为，然而喷嘴流道的直径是比小的孔，因此挤出头中的熔体流动管道包含如下两个基本组成部分直径分别为略大于丝材直径和的等截面圆形管道和由到的锥形过渡圆管道。与挤出头结构对应，熔体流道中的流动过程分为三段，即直径为段的等截面圆管流动，由到的过渡段锥形管道流动和直径为的等截面圆管流动。熔体流动包括连续变化的三个过程，整过挤出头流道中的总压力差为三段压力差之和，如公式.所示其中系数无因次压力梯度为参考粘度为参考剪切速率为熔体沿管道的体积流率直径缩小系数为流体压力梯度与流率系数，对于牛顿流体，对于高聚物等非牛顿流体如熔体，取系数。图.挤出头流道示意图公式.计算流道两端的压力差实际上为熔体在流道中流动时的沿程压力损失，相应的阻力即为沿程阻力，它主要是由于材料粘性而在熔体中产生的摩擦阻力。另外，流道中局部可能存在的紊流会对流体产生附加阻力来说非常小，在此将其忽略不计，即可认为，与上式计算的压力差相应的阻力即为流道对丝材送进的全部阻力。由于本工艺中，流道中未熔丝材要承担活塞作用，利用丝材本身来传递驱动机构的驱动力，驱动力对熔体的作用面积即为丝材截面积，也就是流道入口处的截面积况，因此所需的丝材送进的驱动力的理论计算公式即为下面根据公式.进步分析驱动力与有关参数间的关系驱动力与流率的关系根据公式.，驱动力与流率间存在下列非线性关系对于本系统采用的材料熔体非牛顿流体来说，在左右，所以即对于非牛顿流体来说，流率增加时，伴随的压力和所需驱动了并不是成比例的线性增加。当流率从开始增加时，在最初阶段，压力会有急剧的上升，但流率增加到定值后，尽管流率有很大增加，但相应压力和驱动力的变化却比较小。实际进行的熔体流动实验也证明了这点。在挤出头流道直径依次缩小的情况下，各段长度对应的比例系数为。当时即为即较小直径的喷嘴出口段的长度对总压力差的影响最大，是过渡段的倍，是入口段的倍。所以挤出头设计时，在满足出丝口定径功能的前提下应尽量减小喷嘴出口段的长度，这对减小挤出头中的总体流动阻力效果最为显著。实例计算分析这里以种特定配方的塑料为例进行计算分析，在工作温度下基本参数如下参考剪切速率时，参考粘度恒定剪切速率下粘度的温度系数，幂指数，熔体密度。取如图所示的流道尺寸由,设工作时进丝速度，丝材直径为.。计算得，最后计算获得。。因为这个驱动力为计算的理论值，进行了些近似和忽略，所以在利用这个值作参考选择电机和设计送丝结构时应该适当放大。.加热腔的设计本课题研发的熔丝沉积成形系统采用对摩擦轮将直径约为的丝状料带入加热腔，丝材在加热腔内加热熔融，粘度降低，并从出口挤出，实现熔丝沉积造型。图.为丝材在流道中熔融挤出过程示意图图.丝材在流道中的熔融挤出过程示意图加热腔入口溢料问题的分析当加工做成中，送丝突然中断过长时间，处于流道口上的所以丝材会因受热，距离入口处温度较低不至于融化，但会因受热而膨胀，直径变大，出现卡死现象距离入口较远处温度高而导致融化，使得再加工时出现熔浆溢出现象。流涎问题的分析在进行工艺实验的过程中发现，送丝电机停止转动以后，喷嘴并不会马上停止出丝，而是长时间的由快到慢的缓缓出丝，我们把这种现象称为“流涎”流涎是挤出头起停响应滞后现象的种表现形式。本系统所采用的丝材为材料，是种非结晶型无定形聚合物。高分子材料在不同的温度下具有不同的形变特性。图为非结晶型聚合物温度形变曲线。在温度较低时，材料呈现刚性固体状，称之为玻璃态当温度升高至玻璃化温度几后，高聚物呈现柔软的弹性状，称之为高弹态温度继续升高至粘流温度今则会出现粘性流动，称之为粘流态。图.非结晶型聚合物温度形变曲线我认为，导致流涎的原因主要为在停止送丝后，由于余热的存在，热膨胀使得处于粘弹态丝材被迫压出解决方案从根本上说，解决入口溢料问题的关键是减少入口处丝材的受热，同时保证定的温度梯度。经过分析，我认为可以通过减小或消除高弹区粘弹区来减小流涎量。直接的方法就是减小流道高温区的容积，希望丝材只在喷嘴前端的过渡区熔融，这样压力可以直接传递到喷嘴处。针对如图.所示结构的不足，进行了如下改进方面减小了加热铜块的厚度，另方面适当增加摩擦轮与加热块的距离，在其间加入热障块。这种结构减少了丝材在流道内的受热长度，减小高温段的体积，从而减小处于高弹态的材料，达到减小流涎量的目的。建模效果图如下图.建模效果图很多机械设备在加工过程中，由于过热而影响到加工精度和稳定性。例如支撑板材过热会发生形变，从而导致了加工过程中对刀的误差以及加工误差。并且会产生累积效应，使得最终的加工零件与设计的零件有差距。因此，我们应该在喷头上加入风扇和散热片。来可以起到散热作用二来，细密的网格结构起到定的保护作用。因此喷头机构整体装配效果如图所示图.喷头机构整体装配效果图参考文献.