小型三角洲式3D打印机的机械结构设计

摘 要 随着新兴技术的发展，逆向工程技术在近几年得到了高速的发展，其中也包括了3D打印技术。为提高快速成型技术的应用水平，快速高效的处理已成为3D打印技术发展的新课题。在分析3D打印机的发展概况、基本原理的基础上，提出了三角洲式FDM 3D打印机的总体设计方案，并对3D打印机的机械结构进行了设计，主要包括：框架设计、传动装置设计、送料装置、电控元选择等方面，此外对关键零件进行了校核。通过提高喷嘴的精度，提高了射流精度。传动部分采用滑动螺杆与滚动导轨相结合，保证传动精度提高传动效率。使用线性步进电机直连丝杠，使响应更加准确、快速，简化了中间传动环节，使精度更高。关键词：3D打印技术；并联机床；传动机构；步进电机；喷头IAbstract With the development of emerging technologies, reverse engineering technology has been developed rapidly in recent years, including the 3D printing technology .And now 3D printing technology has been widely used in the field of mechanical manufacturing. To improve the application level of rapid prototyping technology and fast -efficient processing has become a project of 3D printing technology.To analysis the development of the 3D printer, we put forward the overall plan of design of the delta type FDM3D printer based on the ultimate principle, and to design the mechanical structures of the 3D printer , including frame design, transmission design, feeding device, control element selection. Furthermore the key parts have been checked. Printing precision has been improved by improving the accuracy of nozzle; With form of combining the sliding screw and rolling guide in the transmission part is not only ensure the transmission accuracy, improved the transmission efficiency, used the linear stepper motor that directly connected with screw but also made the response more accurate and fast. with no intermediate transmission links, the mechanical structure is simplified. and made a higher precision. Key words: 3D printing technology; parallel machine tool; transmission mechanism; stepping motor; nozzle目 录摘 要IAbstractII第一部分 本科毕业设计调研报告51.1 概述51.2 学生、教师简介51.3 调研时间及调研形式61.4 调研企业及其概况61.5 调研内容61.5.1 课题所涉及技术领域的基本情况61.5.2 该项目的设计方法、研发手段、技术特点均与项目或结构有关81.5.3 现阶段存在的技术问题81.5.4 市场需求及产品应用前景分析91.5.5 结论10第二部分 本科毕业设计可行性论证报告112.1 设计课题要达到的设计目的112.2 调研结论112.3 方案设计122.4 设计方案论证132.4.1 技术方面132.4.2 制造方面132.4.3 经济性方面132.4.4 现有的知识储备方面132.4.5 结论14第三部分 毕业设计计算书143.1 打印机框架整体设计143.1.1 打印机框架尺寸设计143.1.3 连杆的强度校核163.2 挤出部件设计173.3.1丝杠的选取及其校核203.3.2 螺杆的设计213.强度校核223.3.5销的计算及校核26参考文献28致 谢29V 第一部分 本科毕业设计调研报告1.1 概述3D打印，作为一种制造业创新发展的新的趋势，3D打印集材料、设计、制造一体化，其未来的发展和影响程度可能会远远超出我们的想象。就像过去3D打印的优势一直被认为是在制作样机或是特殊零部件方面，但是随着各种新材料和技术进步，3D打印完全可以胜任都市制造的生产需要。它对传统设计理念和机理的颠覆，或许正是像深圳这样制造业发达区域向下一阶段制造业高地转型支柱领域。在IMTS上，由3D打印零部件组装的汽车，从众多展品中脱颖而出，大量吸引人们的眼球，其都得益于3 D打印技术的成就，机器和运动控制技术的使用，以及在材料科学取得的进展。汽车车身材料为碳纤维增强聚合物，车轮和轮毂则由金属材料直接打印而成。整个过程花费44小时，包括40个部件。当打印完成后，首款3D打印车试驾吸引了众多媒体关注和报道。那年的IMTS 展览上，Cincinnati公司的BAAM的系统被用来生产、设计、打印3D打印汽车。从此，随着科技的快速发展及进步，我们的生活水平也随之不断地提高，同时，人口的增长也在急剧增长，我们需要越来越多的商品来满足物质生活的条件。这必然会导致对物品的要求越来越高，这将受到广大群众的喜爱，以及精品、独特和非量项目。现在，3D打印技术应广泛应用于医疗行业、科研、产品模型、建筑设计、制造和食品。1.2 学生、教师简介学 生 简 介姓名专业班级学号Xxx机械设计制造及其自动化机械9班201302477 指 导 教 师 简 介校内外教师姓 名工作单位专 业职 称学校教师xxxxxx科技大学机械制造副教授1.3 调研时间及调研形式 调研时间：2015年2月29日3月25日 调研形式：前往黑龙江科技大学实训中心以及图书馆和在网上查阅各种资料，观察了3D打印机的机械结构和工作形式，并拍了许多照片和视频，同时也做了大量的测绘，对3D打印机的机械结构设计及工作原理有了初步的了解。1.4 调研企业及其概况 黑龙江大学科技工程实训与基础实验中心是一所以实践教学为主的教学单位，成立于2006二月，教学面积约有19000平方米，包括利用奥地利政府贷款引进的具有欧洲资质的数控培训设备在内的各种仪器设备总价值4000余万元，各类教职员工95人，中心由工程实训基地、物理实验室、机械实验室、电工电子技术实验室、数控实训室、工程教育部、6个基础教学机构1.5 调研内容1.5.1 课题所涉及技术领域的基本情况3D打印机所涉及的领域主要是制造业。经过长时间的探索和发展，3D打印技术已经走过了漫长的道路，并已能够实现600分辨率的单层单层厚度为0.01毫米。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印5。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额6。3D Systems公司在2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位5。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机5。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起5。在欧洲和美国的发达国家，3D打印已经开发出成功的商业模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型8。国内3D打印技术起步晚。但是自3D概念一出，立即受到了热捧，3D打印技术近年来在国内日趋升温；据前瞻产业研究院统计，2012年中国3D打印市场规模约为10亿元，2013年翻了一番达到20亿元9。但是与美国、德国等发达国家相比，中国的3D打印产业仍处于起步阶段，国内3D打印应用仍主要停留在科研阶段，并未实现在工业及个人消费领域大规模推广10。经过许多年的探索和发展，3D打印技术已经走过了漫长的道路，并已能达到600dpi的分辨率和0.01毫米的单层厚度进行打印。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratuss两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有雄厚的技术实力，企业特点和研发团队等。当前局势就是，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。3D打印使用的另一个领域是消费品行业。作为一家在纽约创意消费品公司通过网络设计方案离奇为用户，用3 D打印技术制作有形产品并通过电子市场销售，每年推出60种创新产品，营收达100万美元。1.5.2 该项目的设计方法、研发手段、技术特点均与项目或结构有关设计方法：用SolidWorks软件对3D打印机进行三维图的设计。其次，利用AutoCAD设计了二维图，完成了毕业设计指导书的编写。研发手段：参考国产3D打印机著名品牌极光尔沃Z603S打印机的机械结构，根据市场的需求及设备的结构性能进行设计。技术特点：主要对3D打印机的机械结构及传动结构进行设计，使结构更加简单，同时又能完成以前相同的工作，并且造价更加便宜。其他装置：加热装置机械传动装置送料装置控制元件和机架等装置。1.5.3 现阶段存在的技术问题1. 高成本和耗时时间长3D打印仍然是一项昂贵的技术。因为制作材料因素，使得3D打印变得高本低收的局面，制造效率不高。2.规模生产没有优势由于这种技术具有分布式制造的特点，它没有大量的生产加工的优势。目前，3D印刷还没有取代传统的制造条件，批量，规模等，高效率和低成本的传统方法减少材料制造。现在看来3D打印不可能取代大规模生产。除了3D打印也是没有直接生产复杂的复合产品，如汽车，即使该技术取得了重大进展，未来，所有的印刷是一个汽车需要几个月，成本远远高于大规模生产汽车去一半对每个汽车的成本。因此，对于大量刚性需求的生产，它具有大规模生产规模经济的优势仍然集中在“个性化，定制”3D打印生产模式更经济。3.打印材料受到限制 虽然许多3D打印材料已经创建，同质化和异质性，新材料仍然需要，一些新材料正在开发中。这种需求包含两个层面，一是不仅需要对已经得到应用的材料工艺结构特性关系进行深入研究，以明确其优点和限制；二是需要开发新的测试工艺和方法，以扩展可用材料的范围。4.精度和质量问题 因为加工原理和传统的技术还不完善，发展慢，印刷精密成型零件（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性、等）和化学性质如大多不能满足实际工程的需求，不是一个功能部件，只能做原型的使用，所以其应用将被打折扣。同时，因为3D打印机打印材料的加工技术，层叠式的打印方式，不能和整体铸造件传统的模具，以及零件的材料组织和结构决定了零件的性能。（1）是设计工具需进一步优化，3D打印要求开发和广泛运用计算机辅助设计（CAD）工具6；（2）是可用材料需持续拓宽，目前的可用原料还不多，需逐步从树脂、塑料扩展到陶瓷、金属，乃至最新的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等材料发展6；（3）是生产过程需要加强工艺控制；（4）造价成本过高。1.5.4 市场需求及产品应用前景分析随着科学技术的飞速发展，印刷材料的更新换代，信息、控制等技术的飞速发展。未来，3D打印技术的发展将呈现出精细化、智能化、概括化和方便化的发展趋势。增强速率和打印的精度，利用连续打印，印刷大，多种材料的打印工序，实现提高最终产品的质量性能。开发了3多种3D打印材料，智能材料、功能梯度材料、纳米材料、材料、材料和复合材料，特别是金属材料成形技术，在未来的研究方向和热点领域有着潜在的应用前景；3D打印机是小型化、桌面化、体积更便宜、操作更方便、更能适应专业分销、生产、设计和制造一体化的需要，并且需要家庭应用；将在生物医药、建筑等领域创新应用的车辆，服装，等等。航空航天与国防：在GE中国研发中心仍在三维印刷工程师。就在那之前，其普通的打印机打印了飞机引擎的重要部分。和传统的打印制作比较，减少了30%的零件成本，缩小40%的生产时间。由于无法庆祝成就，他们匆匆忙忙地踏上新的征程。医疗保健行业： 3D打印机颌骨，作为人体骨骼的3D打印产品，在14年已经出现了该技术，但目前为止还在完善中。 建筑设计：在施工中，工程师和设计师接受了3D打印机的建筑模型，速度快，成本低，环境友好，美观。这完全取决于设计师，同时可以节省大量的材料。 食品工业：是的，它是“打印”食物。研究人员已经在尝试打印巧克力。也许在不久的将来，许多看起来一模一样的食物是“打印”出来的食品3D打印机。当然，到那时可能会贵很多倍。1.5.5 结论 3D打印技术：首先，利用三维设计软件进行实体造型的设计，形成三维实体模型，用一定厚度的图层生成二维截面信息，然后根据每个图层的横截面信息，使用不同的方法来生成截面形状。这个过程重复一遍又一遍，层层堆叠起来形成三维实体。层的厚度可以相等或不同。层越薄，部件精度越高。层叠式融合技术是最常用的技术之一。3D打印机的工作原理如图2所示，1电线送到淋浴头，这是加热熔化，和印刷材料从喷嘴挤出粘在台面上，然后迅速冷却和凝固。当其中一个部分被打印时，工作台将降低前一个打印的高度，然后移动到下一级打印。这个循环重复，直到整个实体完成。通过此次调研，让我对3D打印机设备制造这个行业有了一定的认识。了解了3D打印机设备的发展历程，国内外存在的差距和未来的发展趋势。对3D打印机也有了清楚的认知。通过与老师的交流和老师的介绍还有所查阅的资料，对3D打印机的的机械结构和工作原理及其在实际工作工程中所产生的一些问题及缺陷所以这次的调研对我所设计的3D打印机有非常大的帮助。第二部分 本科毕业设计可行性论证报告2.1 设计课题要达到的设计目的 设计参数：最大运行速度：80mm/s，Z向定位精度：0.01mm;喷头定位精度：0.005mm;成型空间：200200200mm;整体尺寸：600500400mm；2.2 调研结论通过调研可以发现3D打印机在如今的中国还是具有很大的发展前景。3D打印机能快速打印成型制造出新的模型以及模具，使得他们的产品和科研速度加快，很符合中小企业以及各类大中院校的发展，在当今社会上有很多喜欢DIY的人，他们喜欢制作各类的小东西，此3D打印机也能满足他们的需求。所以市场还是很广阔的。了解市场，把理论与实际紧密结合才能设计出满足市场需求，有发展前景的3D打印机。所以在此课题设计中掌握好设计方法，弄清楚3D打印机的机械结构和工作原理是设计成功的关键。2.3 方案设计(1) 方案一三角洲结构这一类结构机身侧边是一个三角形，三角形底部是放成型平台的地方。它的工作原理是，X轴移动的平面上的两个Z轴电机在活动，而Z轴重叠的垂直中心线的机身形成三角形。打印机围绕Y轴移动，热床围绕Y轴移动。所以需要特别注意打印对象和热床之间的粘合。图2-1 方案一示意图(2) 方案二 矩形结构式其结构与机械中的数控铣床很是类似。三轴位置承接的三个尺寸，喷嘴在设计尺寸上可以达到任意位置，从3D到印刷过程的发展，这类机器是开发出比较完整的机器，商业化程度最高。其工作原理为：成型平台移动是沿Z轴移动的，喷头可以沿XY两方向做成型运动。图2-2 方案二示意图2.4 设计方案论证2.4.1 技术方面方案一优点为速度较快，精度较高，结构简单，适合DIY.缺点为所占据的空间较大，稳定性较差，所以这种结构适合在有固定场所使用。方案二其优点为精度较高，速度较快，较为成熟稳定，可搭载多喷头。但是它的成本比较昂贵，调试复杂，容易损坏，维修困难等确定。2.4.2 制造方面打印机的机架采用的是铝合金材料，采用机械加工方法；其余的标准件都采用采购的形式，丝杠采用丝杠螺母；国家已标准化采用采购形式；外壳的材料选用塑性材料，制造方法采用激光切割。2.4.3 经济性方面在制造成本上，方案二比方案一高，方案二所采用的大功率的驱动电机成本较高。并且后期的调试比较复杂，维修较为繁琐，综合来看方案一性价比要比方案二高。所以方案一要优于方案二。2.4.4 现有的知识储备方面在调研过程中了解到3D打印机的原理及组成，所以在设计3D打印机时，对重要部件进行一设计计算，例如：丝杆、螺杆、轴承、联轴器等。2.4.5 结论通过以上的分析，可得出方案一的结构设计理论较为合适，并符合设计要求，并且其制作成本更低，满足市场需求。则采用方案一。第三部分 毕业设计计算书3.1 打印机框架整体设计3.1.1 打印机框架尺寸设计原始成形尺寸：200200mm，高度200mm。整体尺寸计算模型如Error! Reference source not found.所示，等边JHG为圆P的外切圆，其中|PQ|=|PK|=|PL|=100mm，GKHJ，HLGJ，JQGH，则可以得到|HG|=|GJ|=|HJ|=2|HK|=2|PK|tan60=346.41mm考虑到零件结构和安装以及任务书的要求，正三棱柱的底边边长取400mm，高度值取600mm。图3-1 打印机整体尺寸模型3.1.2 连杆长度罗斯托克运动机构的简化模型如图3.2所示。可知当6根杆在一个面上时，处于极限位置，取得连杆的最小值。3.2简化模型由工作原理可知，三角形ABC具有等边关系，|AB|=|AC|=|BC|=400，其中CFAB,ADBC,BEAC,由等边三角形的三线合一性质可得，O点为三角形ABC的中心。则|AO|=|BO|=|CO|=0.67|AB|sin60=0.67400 sin60=230.94mm，则直接为6的连杆长度最小值是230.94mm。为了保持打印机的外观，三棱镜的尺寸保持不变，当滑块位于三棱镜时，打印机底座上的喷嘴的最高点时，在另一个极限位置，连杆的长度取得最大值，现将rostock 运动机构的简化模型如 图 31所示 图 01连杆最大化后的简化模型3.1.3 连杆的强度校核 在小型三角洲3D打印机中除了连杆外各个部件所承受的载荷均很小，所选用的材料的强度均满足要求；连杆在运动过程中可能受到一定程度的拉力，因此应检查连杆的强度。在本设计中，链接是由304不锈钢棒直接到6mm。连杆的工作过程和打印机喷嘴的质量是非常小的，并且在连接杆的强度的影响可以忽略不计，和张力的大小是不连接在连接杆的两端，使连杆可以等效为两力，对第二力杆径10 N端的力在本设计中，连接杆采用304不锈钢棒直接6mm。此二力杆两端所受力大小为10N。由材料力学中的轴向拉伸于压缩的强度公式计算得： 通过查找机械设计手册可以得出：，故足够满足设计的要求。3.1.4 机械结构传动装置设计由打印机的整体尺寸和工作原理可知，该处的传动属于远距离直线传动，可选用的传动方案有螺杆传动和皮带传动，两种传动的优缺点比较如表2所示。综合考虑3D打印机的各个方面情况，本设计中的传动方案选择皮带传动。皮带传动分为普通V带传动和同步带传动，两种传动的比较如表3所示。传动的平稳性和精准性对于保证打印机的工作精度和速度是至关重要的，从表2可知，同步带与V带相比传动更加平稳和准确，因此本设计选用同步带传动，由机械设计手册选取MXL型同步带和MXL型同步带轮。本次设计的传动方案选择同步带传动，从本打印机的整体设计考虑，同步带是打印机中最易损坏零件，同步带的工作寿命决定了整台打印机的工件时间，所以有必要计算下同步带的工件寿命23。同步带的寿命与多种因素有关，主要是:皮带的强度和耐磨性，应力周期特性，以及最大工作载荷的几何特性。在出现同步带疲劳寿命或齿面磨损的形式时，可以说明同步带已经失效了，所以疲劳寿命成为同步带的操作指标。3.2 挤出部件设计3.2.1 偏心联轴器设计单螺杆泵的工作原理是在单螺杆的定子轴线上旋转偏心单头螺杆的转子（螺杆）。在传动轴和螺杆之间需要有个偏心联轴器连接。本设计是为了简化设计和设计偏心联轴器的基本结构。如图 32所示，螺钉有一个螺纹，其任意截面是一个半径为R的圆，,截面的中心位于螺旋线上且与螺杆的轴心线偏离一个偏心距e，绕轴旋转且沿轴向移动而形成的17图 02偏心联轴器3.2.2 传动轴 根据挤压头的设计，电机输出轴联轴器连接后，再传递到轴，需要在轴上有一个轴承，轴的设计如图3.5所示，L1节段连接接头，L2段用于轴承支撑，L3段连接偏心联轴器。图 03传动轴3.2.3 螺杆设计螺杆的啮合的螺杆和机筒与螺杆之间的间隙是位于小之间的关键部分，彼此在泵腔内，形成多个空间转弯，下室应V增大，呼吸在溶液中，然后关闭；关闭腔沿轴的推动下，形成了新的吸入侧，和个人的封闭腔的动作，和流体不断被挤出。螺杆结构如图 34所示，螺杆的直径（D）与长径比（L/D）是螺杆的基本参数18。图 04螺杆3.2.4 挤出装置的整体 挤压装置的原理是利用空间啮合的螺杆泵熔化的巧克力转移。螺杆的位置可分为两种类型：水平和垂直。本设计所用到的是单螺杆立式安装，整体设计就如Error! Reference source not found.所示。3.2.5 温度传感器 温度传感器按工作原理分为接触式和非接触式，它们的比较如表7所示。由上表分析，接触式温度传感器的特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，接触式温度测量系统具有结构简单、体积小、可靠、维修方便、价格低廉，容易形成多元化的浓度的测量与控制系统；接触温度传感器用于1000C时误差很大，所以选择非接触式的较为合适。其中，热敏电阻的镍的有效温度测量范围在-150-300，精度在0.2%-0.5%之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲镍更加适合作为温度传感器。3.2.6 机械位置传感器 机械位置传感器的采用压力传感器，用于检测喷嘴的三色染料用量对胶的用量，以及现状进行印刷原材料。当事情不够，反馈和提醒用户添加油漆，胶水或原材料。考虑到各因素的影响，采用电位器来测量并达到较高的精度。3.3 重要零件的选择、设计和校核3.3.1丝杠的选取及其校核1. 丝杠的选取 滚珠丝杠副已标准化，所以只需选择正确的模型。滚珠丝杠的负载包含了由印刷材料引起的重力和摩擦力。根据机械设计手册可以得出丝杠转速不宜太高，在1030r/min即可。因为打印机的结构特性，设定为额定动载荷，设计其精度为3级，可靠性为90%。其中从资料上可得出精度系数，可靠系数，载荷系数 根据机械设计4中的丝杆选取表，取滚珠丝杠的直径d0=16mm，选用滚珠丝杠螺母副型号为3216-2，其额定负荷为10766N，大约能承受1000kg的重量，对于小型三角洲3D打印机足够用。2.丝杆的校核和电机的确定滚动导轨的丝杆的直径为16mm，则所需力矩为 计算得： Nm考虑滚珠丝杠副摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机转速变化时应保证恒转矩，因此安全系数3更可靠、更合适，所以电机转矩是Nm故选步进电机型号为LC57HS0601步进电机，其静力矩为0.065Nm，步矩角0.9，相电流0.5A，重量为0.12kg，尺寸为mm。3.3.2 螺杆的设计 螺杆的材料选择38CrMoAIA钢。单螺杆挤出机螺杆的基本几何关系如图 45中。决定螺杆的性能因数是螺杆的几何结构。因此设计出合理的几何形状及尺寸即可得出所需螺杆。图 05螺杆几何结构1. 螺杆的径向尺寸由传动比计算螺杆的直径是螺杆的外径，公称直径与气缸直径相同。螺杆的直径是螺杆挤出的公称尺寸。这是因为螺杆的直径越大，机床的输出越高，螺杆的直径就可以估算出机床的容量。取Ds=32 mm。上筒内径与螺杆外径之间存在径向间隙。显然，有以下关系： (3-6)代入数据得：机床的螺纹表面和内孔可以形成近似矩形的物料流道，通常称为螺旋槽。螺槽内容料体积的参数决定螺槽深度H。当忽略径向间隙时，螺旋深度为螺纹高度。2.螺杆的轴向尺寸螺杆具有普通螺纹导程和螺旋角的通用元件螺纹导程S和螺旋角。导程S=32 mm。大多数的单螺杆挤出机配备了单线程的螺丝，所以间距等于铅。螺旋角将螺钉的径向尺寸与轴的尺寸相连接，并具有以下关系： (3-7)代入数据得：即螺旋角螺旋轴的宽度B是螺杆轴的宽度。同样，螺杆的轴向宽度是b=4 mm和螺距有以下关系： mm定义螺槽法向宽度W以及螺棱横向宽度e，分析得出式子： (3-8)代入数据得： mm mm 3.强度校核已知螺杆材料为38CrMoAIA钢，许用应力MN/m2，机头的压力P=10 MPa，螺杆的最高转速，驱动电机功率为1.5 kW，驱动装置效率。4. 计算轴向力由常规螺杆的经验关系式： (3-9)带入得： MN由式 (3-10)计算压应力： MN/m2由式 (3-12)计算扭矩： Nm由式 (3-13)计算剪应力： MN/m2由式 (3-14)计算螺杆强度： MN/m2校核结果：螺杆强度符合要求。5. 刚度校核 根据螺杆的材料为38CrMoAIA钢， GN/m2，螺杆的许用扭转角。由式 (3-15)计算扭转角： 校核结果：刚度符合要求。3.3.3 轴的计算和校核 在此次设计中设有多根轴，例在进给结构中设有3根丝杆轴，挤出机构中有1根传动轴。由于挤压装置中的轴垂直安装，载荷小。该轴结构简单，无需校核其刚度和强度。在本设计中，XYZ的精度要求很高，轴的长度较大。比较XYZ轴所受载荷的大小，YZ轴的安装都是竖直的，所以其受的载荷相对X轴的工作台要小些。且丝杆轴主轴轴仅考虑弯曲变形。在这里，我们选择一个典型的轴，在X轴的阀芯轴。1.初估轴径 本次设计轴材是45号刚，以提高轴的性能，则采用调质处理。通过机械设计发现得出MPa，根据公式得出： (3-16)需先确定轴的最小轴径。一般来说，键槽的直径应该增加5%。开键轴增加估计轴颈值7%的小径。通过上述的参数，得出合适的轴径为： mm， 因为最小轴径d应该能够得到最接近的一个点，在带轮的安装位置，设有一个键槽，则轴需要拉长5%。 mm，通过上述计算，轴径可取mm，同时顺带安装联轴器。轴的各处轴径依次分别为mm，此处安装角接触球轴承；mm，此处尺寸的确定是根据轴承的安装要求来确定的。轴的各轴段的尺寸如图 46所示：图 06丝杆轴的各段尺寸2. 轴的刚度校核将丝杆轴简化为图 47所示的简支梁。图 07丝杆轴简化成简支梁简化过程：丝杆轴两端简化地分成A、B两端点。将控制X轴的机构将重力细化成集中力，并施加到中点处，因为主轴轴线在中点时，可以得到最大的挠度，也就是对工作台的精度影响最明显。设工作台整体重量。（1）计算变形。丝杆轴横截面的惯性矩为 (3-17) 代入数据得： 当Fc受力时，挠度和截面的转角会随之发生在C点位置上如图4.4所示，分别为图 08挠度转角图 (3-18) (3-19)代入数据得： mm rad（2）校核刚度许用挠度与许用转角： mm rad而mmmmradrad在X轴的进给精度是0.01mm时，所得刚度满足要求。3.3.4 轴承寿命计算1. 初选轴承型号 由于轴的工作条件和轴颈尺寸，采用轴承型号为。有机械设计手册查得：最大静载荷kN，额定静载荷kN，.2. 计算轴承的当量动载荷 在XYZ进给系统中，轴的最高转速为682r/min，且轴承所承受的轴向力较大。所以对于轴承进行校核。B点受力情况计算 N 1480.1 ND点受力情况计算 N N在B点所受径向载荷 (3-20)在D点所受径向载荷 (3-21)代入数据得N ；N 由于B点的径向载荷大于D点的径向载荷，则轴承寿命计算按B点上轴承受力进行分析最为合适。3. 轴承的寿命计算 因为本次设计工作环境温度低于120，由机械设计相关表查得温度系数，所以该轴承的寿命为： (3-22)代入数据得h因为12000h，故选用7205C轴承能满足使用要求。3.3.5销的计算及校核圆柱销GB119-86 46固定铰孔小的干扰和可承受的荷载很小,可以承受不大的载荷。为保证定位精度和联接的紧固性,不宜经常拆卸,主要用于定位,也用作联接销和安全销。此次设计用作于定位，则需要进行必要的验算，以满足三角洲结构安全的需要。转矩为250Nm、轴的直径为16mm、销的直径4mm、销的长度6mm。由公式，许用挤压应力y：y = 4T/DdL (3-23)y=4250/1646=2.6Mpa 由机械手册表，对于销的常用可取y=30Mpa 因为yy,所以满足要求许用剪切应力j (3-24)由机械手册表，对于销的常用可取因为,所以满足要求则可以得出次直径为4，长度为6的圆柱销GB119-86,可以满足设计要求，故可以选择。参考文献1许廷涛3D打印技术J电脑与电信，2012,9 :5-72机械设计师手册.北京:机械工业出版社，20063蔡恩泽3D打印颠覆传统制造业J 中国中小企业，2012,11 :46-47 4 刘厚才，莫健华,等.三维打印快速成形技术及其应用 J机械科学与技术，2008，9:12-14 5 陈步庆，林柳兰，等三维打印技术及系统研究 J机电一体化，2005，（4）:31-32 6 杨小玲，周天瑞.三维打印快速成形技术及其应用，浙江科技学院学报，2009,21(3):78-80. 7王金娥等机电一体化课程设计指导书M北京大学出版社，2012 8胡发宗，赵毅，等.三维立体打印机的成形技术，上海交通大学,2012(8):16-18. 致 谢时光匆匆，四年的大学生涯即将画上句号。大学四年感谢孜孜不倦的老师，还有善良可爱同学们，中国地质大学长城学院陪伴了我四年，不但教会了我知识，更是让我懂得了成长需要的责任与担当，成熟与稳重。毕业论文暂告收尾，这也意味着我在中国地质大学长城学院的四年学习生活既将结束。回望过去，四年的大学生涯，让我在众多老师的指导下，学习了我未来所需的知识，也让我在离家数千公里的保定有了另一个家，这里的老师和同学们就像我的家人一样，那么的亲切可爱。在这里，首先我要感谢我的导师张美云教授。感谢老师的悉心指导我才能顺利完成我的论文。在选题之前我对3D打印机特别感兴趣，感谢老师对本选题的重视，从提纲、完成初稿、修改再到定稿都一一过问，花费了大量心血。导师对学生论文一丝不苟的精神深深促动了我，也鼓励我要成为这样的人，不只是在对待毕业设计还是未来的路，都要认真踏实的对待。其次，我必须感谢父母对我学业的支持，虽然离家较远，但是父母的关心无时不在，让我备受感动。然后，我要感谢大学所有的老师和同学们，谢谢你们的关心和鼓励，谢谢你们的帮助与支持，让我度过了一个有意义有阳光的大学。感谢在做毕业设计的时候所有给我帮助的人，谢谢你们帮我战胜困难，坚持到最后完成此次毕业设计。感谢我的母校-中国地质大学长城学院。 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，和参与本人论文答辩的各位老师表示真诚的感谢，谢谢。31