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优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763摘 要三维打印机不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的应用将会更加广泛。3D 打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具 ,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。这项技术目前正迅猛发展,已越来越引起人们的广泛重视。本文通过了解世界各地的 3D 打印成果，结合 Makerbot_Replicator 和 Ultimaker 3D 打印设备，设计出一款新型的 FDM 3D 打印设备的挤出机构，适用于家庭和办公场地，当然，也可以在加工车间工作。本设计首先通过分析提出了 3D 打印机挤出机构的设计方案，然后从传动机构和挤出机构两大方面进行了详细设计与校核，最后通过 CAD 软件绘制了该挤出机构的装配图与主要零件图。关键词：3D 打印机 挤出机构 齿轮 双螺杆优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763Abstract3D printer not only reduces the cost of three-dimensional objects, and inspire peoples imagination. Future applications of 3D printers will be more extensive. 3D printing technology is the most prominent advantages without any machining or tooling, parts of any shape can be generated directly from the computer graphics data, thus greatly shortening the product development cycle, improve productivity and reduce production costs. This technology is now developing rapidly, has increasingly attracted widespread attention. Through understanding around the world of 3D printing results, combined with Makerbot_Replicator and Ultimaker 3D printing equipment, design a new type of FDM 3D printing device extrusion mechanism, suitable for home and office space, of course, you can also work in the machine shop. The design is first made by analyzing the design of 3D printers out bodies and then carried out a detailed design from the drive mechanism and check out the two aspects and institutions, and finally draw a diagram of the extruded body assembly through CAD software with key parts diagram. Keywords: 3D printer Extruder mechanism Gear Gwin-screw 优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763目 录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的意义 .11.2 国内外 3D 打印设备的研究现状 .11.2.1 国外 3D 打印设备的研究现状 .11.2.2 国内 3D 打印设备的研究现状 .21.3 3D 打印设备的发展趋势 .21.3.1 3D 打印产业的未来发展前景 .21.3.2 3D 打印技术未来发展的主要趋势 .31.4 3D 打印设备的结构特点 .3第 2 章 总体方案及结构设计 .52.1 总体设计要求 .52.2 总体方案的设计 .52.2.1 传动机构方案设计 .52.2.2 挤出机构方案设计 .6第 3 章 传动机构设计 .73.1 电机的选择 .73.1.1 电动机的性能和分类 .73.1.2 本传动机构电动机的类型选择 .73.2 传动比的分配 .93.3 各轴运动及动力参数计算 .93.4 齿轮组设计 .113.4.1 齿轮精度及材料的选择 .113.4.2 按齿面接触强度设计 .113.4.3 按齿根弯曲强度设计 .143.4.4 几何尺寸计算 .16优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397633.5 轴设计 .173.5.1 作用在齿轮上的力 .173.5.2 最小轴径的确定 .17第 4 章 挤出机构的设计 .204.1 挤出机构的设计要求 .204.2 挤出机构的组成 .214.3 双螺杆挤出机构设计 .224.4 挤出机构流道口设计 .234.5 加热腔的设计 .254.6 加热腔入口溢料问题的分析 .264.6.1 流涎问题的分析 .264.6.2 解决方案 .27总 结 .29参考文献 .30致 谢 .31优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763第 1 章 绪论1.1 课题研究的意义三维打印（3D Printing） ，即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。 “三维打印” 意味着这项技术的普及。三维打印机不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的应用将会更加广泛。3D 打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具 ,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。这项技术目前正迅猛发展,已越来越引起人们的广泛重视。随着技术的进步，现在 3D 打印机在电影动漫、气象、教育、外科医疗等领域都能发挥独特的作用。在教育领域，3D 打印机能够将抽象概念带入现实世界，将学生的构思转变为他们可以捧在手中的真实立体彩色模型，令教学更为生动；在建筑领域，3D 打印机能够为曲面异形建筑的重要精密构件快速制作精确模型，实现传统建筑模型制作无法达到的工艺水平；在工业生产领域，3D 打印机可以为金属铸件直接打印模型、模型插件和图案；在地理空间领域，3D 打印机可以轻松将 GIS 数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘；而在娱乐艺术领域，3D 打印机还可根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像。1.2 国内外 3D 打印设备的研究现状1.2.1 国外 3D 打印设备的研究现状3D 打印技术的核心制造思想最早起源于 19 世纪末的 美国， 1995 年，麻省理工创造了“三维打印 ”一词，当时的毕业生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案5 。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图 3 最早的 3D 打印机6 图 4 现代 3D 打印机6当前世界上最流行的 RP 技术有立体光刻（Stereolithography，SLA） 、叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） 、熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling，FDM） 、选择性激光烧结（ Selective Laser Sintering，SLS）等工艺方法。FDM 快速成形系统与 SLA，LOM，SLS 等系统的最大区别在于 FDM 没有采用激光系统，因此可以把成本降到最低7-11。图 1.5 FDM 165012 图 1.6 Genisys Xs131.2.2 国内 3D 打印设备的研究现状我国在 3D 打印设备的研究上起步比较晚。我国最早在快速成形技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。其中，清华大学以 FDM 和 LOM为主，西安交通大学则是 SLA，北京隆源自动成形系统有限公司为 SLS，而华中科技大学主要为 LOM 与 SLS。国内的家电行业是对快速成形技术反应最为敏捷的行业，广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的经济效果14-16。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图 7 北京殷华 图 8 江苏敦超1.3 3D 打印设备的发展趋势1.3.1 3D 打印产业的未来发展前景根据国际快速制造行业权威报告WohlersReport 2011发布的调查结果，全球3D 打印产业产值在 19882010 年间保持着 26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到 2016 年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到 31 亿美元，2020 年将达到 52 亿美元17。但 3D 打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有 3D 打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前 3D 打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前 3D 打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D 打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。图 9 纳米级别微型 3D 打印机6 图 10 太空 3d 打印机61.3.2 3D 打印技术未来发展的主要趋势随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D 打印技术也将被推向更高的层面。未来， 3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。拓展 3D 打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397631.4 3D 打印设备的结构特点目前世界上主流的 3D 打印设备为三维粉末粘接（ Three Dimensional Printing and Gluing，3DP ） 、熔融沉积制造（ Fused Deposition Modeling，FDM） 、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS） 。其中，三维粉末粘接和熔融沉积制造可以多色打印，而选择性激光烧结则加工速度快，可加工金属粉末。它们的共同特点为18-23：(1) 能作为一种输出设备直接与使用 CAD 的计算机相连，并且由设计者亲自操作，使用方便，不需依靠专门的快速成形服务机构或实验室就能及时制作模型及用于产品设计的快速校验；(2 ) 整个生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造；(3 ) 设备体积小、运行和维护成本低“ 成形过程中无毒无污染，可在普通的办公室内使用，所以对环境无特殊要求”由于没有昂贵复杂的激光系统，所以整体造价大大降低。操作简单，因此该机易于普及；(4 ) 材料费用低，如石膏、淀粉等产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产；(5) 产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越，这是传统制模方法无法比拟的；(6) 成形速度快，加工周期短，成本低，一般制造费用降低 50% ，加工周期节约 70%以上；三维打印成型的不足之处：(1) 产品的强度较低 “由于采用液滴直接粘接成形，产品的强度低于其它快速成形方式，一般需要进行后处理”；(2) 产品的精度有待提高 “由于材料是粉末，其表面精度受粉末材料特性的制约” 。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763第 2 章 总体方案及结构设计在此结构设计之前，已经有前人对此类机构做了部分设计研究，所以本文的设计研究只要是在已有的研究基础之上，注重考虑 3D 打印挤出机构的设计，对 3D 打印挤出机构部分结构进行重新设计改良。2.1 总体设计要求本文研究的 3D 打印设备属于家庭桌面电器领域，涉及多轴联动，且 3D 打印设备的主要运动关节采用直线元件驱动，形成相互联动运动机构的运动形式，具有成型速度高，材料使用效率好，精度可控，消耗功率低而制造成本低的特点。按照建造一台小型规格 3D 打印设备样机的规格要求以及运动范围参数，如表 2.1所示下：表 2.1 3D 打印设备设计规格要求构建尺寸 200*185*195mm精度 0.1mm层厚 0.1-0.3mm （可调）构建速度 24 h 以上最大打印温度 260以下原材料 3mm ABS 丝材挤出机送丝速度 1.5m/min本文要求针对以上性能的打印机，设计其挤出机构。通过对前人做的部分设计的研究，提出如下设计方案。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397632.2 总体方案的设计2.2.1 传动机构方案设计考虑到结构紧凑性和传动的平稳性，本次采用齿轮传动，通过对结构的分析有以下结论：（1） 为避免传动齿轮影响原料丝材的送丝，齿轮尺寸不能取太大；（2） 为了保证电机不与入嘴干涉，有必须有较大中心距。基于以上两因素，此次采用小齿轮输出，并增加中间过渡齿轮采用三轴传动的形式，传动机构方案如下：输 出 齿 轮输 出 轴过 渡 齿 轮电 机输 入 齿 轮图 2-1 传动机构简图2.2.2 挤出机构方案设计本次 3D 打印机属于家庭桌面电器领域，参数要求如下：原材料 3mm ABB 丝材挤出机送丝速度 1.5m/min从以上参数可以看出，该 3D 打印机原料使用量比较小，送丝速度比较低。如果采用普通滚轮式送丝机构则需要采用较大减速比的减速机构才能满足要，这样会导致挤出机构结构尺寸及重量均会比较大。因此本次采用双螺杆送丝机构，由于丝材 ABS 材料具有一定的塑性变形能力，因此该处的双螺杆送丝机构本身类似于涡轮蜗杆传动，即使不使用任何减速器机构其本身也可以有很大的传动比。即挤出机构方案如下：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763主 动 螺 杆 从 动 螺 杆丝 材图 2-2 双螺杆挤出机构第 3 章 传动机构设计3.1 电机的选择3.1.1 电动机的性能和分类电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。现就这两种类型电机论述如下：(1) 交流电动机交流电动机简单、耐用、可靠、易维护、价格低、特性硬，但起动和调速性能差，轻载时功率因素低，一般在无调速要求的机械广泛应用。在可变级频率电源供电下可平滑调速。(2) 直流电动机直流电动机的调速性能好，范围宽，采用电子控制，能充分适应各种机械负载特性的需求，但它的价格贵、维护复杂且需要直流电源，因此只有在交流电动机不能满足要求时才采用。其中串励电动机的特点是起动转矩大、过载能力大、特性软、适用于电力牵引机械等。复励电动机的起动转矩和过载能力比并励电动机大，但调速范围稍窄。电机分别有：步进电机、伺服电机，究竟选择哪个电机比较合适，我们做了一些对比如下表 3.1：表 3.1 动力元件的比较电机 因素 步进电机 伺服电机成本 低 高优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763平稳性 低频存在振动 低频平稳控制 简单 复杂结构 简单 复杂分辨率 较高 高尺寸 小 较小出于成本、应用场合和尺寸的考虑，我选择直流伺服电机作为 3D 打印机挤出机构的动力元件。3.1.2 本传动机构电动机的类型选择由于本设计中电动机是用来给挤出机构做动力，且载荷平稳，常温下连续运转，生产批量为小批量，所以按工作要求及工作条件选用直流电动机。（1）选择电动机的功率(容量)电动机功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。功率过小不能保证工作机的正常工作，若功率选得过大，电动机的价格高，效率和功率因数都较低，造成浪费。负荷稳定(或变化很小) 、长期连续运转的机械(例如运输机)，可按照电动机的额定功率选择，而不必校验电动机的发热和起动转矩。选择时应保证rP0式中 电动机额定功率，kW；0P 工作机所需电动机功率，kW；r所需电动机功率有下式计算=rPW式中 工作机所需有效功率，有工作机的工艺阻力及运行参数确定；W 电动机到工作机的总效率。传动装置的总效率 ，有传动装置的组成确定。多级串联的传动装置的总效率为： W321.本次送丝电机负载很小，只需要克服送丝阻力及构件之间的摩擦力。因此本次选用电机额定功率为 50W。（2）确定电动机的转速选择电动机，除了选择合适的电动机系列及容量外，尚需确定适当的转速。因为容量相同的同类电机，可以有不同的转速。电动机转速相对工作机转速过高时，优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763势必使传动比增大，致使传动装置复杂，外廓尺寸增大，制造成本高。而选用电动机转速过低时，优缺点刚好相反。因此，在确定电动机转速时，应分析比较，权衡利弊，安最佳方案选择。挤出机送丝速度： ，送丝速度不高。min/5.1v为减小传动机构结构尺寸，本次选用电机转速为 1500r/min传动装置总效率 = . . . .联 齿 轮4轴 承 滚 筒带按机械设计课程设计手册表 4.2-9 取：联轴器效率 =0.99联齿轮传动效率 =0.97齿 轮滚动轴承效率 =0.98轴 承滚筒效率 =0.96滚 筒带传动效率 =0.95带则传动总效率 =0.990.970.98 0.960.95=0.814螺杆转速 = （p 为螺杆螺距，此处取 p=1mm）wnmin/150.rpv查机械设计课程设计手册表 4.12-1，选择 90ZYT01 型号直流电动机，其额定功率 =50W，转速 1500 r/min。0P3.2 传动比的分配传动装置的总传动比可根据电动机的满载转速 和工作机轴的转速 ，由 =0nWni算出。然后将总传动比合理地分配给各级传动。总传动比等于各级传动比的连乘wn0积，即 21i当设计多级传动比的传动装置时，分配传动比是一个重要的步骤。往往与有传动比分配不当，造成尺寸不紧凑、结构不协调、成本高、维护不便等许多问题。传动比可按下式分配214.3ii优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763即 减 ii4.131式中 分别为高速级和低速级的传动比； 为减速器的传动比。21,i 减i本设计中，传动装置的总传动比= = =1iwn015根据机械设计课程设计手册表 4.2-9 取 =2.5，则齿轮传动机构比为：带i=1齿3.3 各轴运动及动力参数计算在选出电动机型号、分配传动比之后，应将传动装置中各轴的传递功率、转速、专据计算出来，为传动零件和周的设计计算提供依据。(1)各轴的转速可根据电动机的满载转速及传动比进行计算。(2)各轴的功率和转矩均按输入计算，有两种计算方法，其一是按工作机的需要功率计算；其二是按照电动机的额定功率计算。前一种方法的优点是，设计出的传动装置结构尺寸较为紧凑；而后一种方法，由于一般所选定的电动机额定功率 略0P大于所需电动机功率 ，故根据 计算出个州功率和转矩较实际需要的大一些，设rP0计出的传动零件的结构尺寸较实际需要的大一些，因此传动装置的承载能力对生产具有一定的潜力。将传动装置中各轴从高速到低速依次定为轴、轴(电动机的 0 轴)，各轴的输入功率为 ，各轴转速为 ，各轴的输入转矩21,P,21n为 ，则本设计中传动系统各轴功率、转速和转矩的计算为：,21T0 轴：0 轴即电动机轴= =50WPr=1500 r/min 0n=9.55 =9.55 =0.318 Nm0T0150.3轴：轴即中间齿轮轴优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763= =0.05 =0.049KW1P0齿98.0= =1500 r/minn= =9.55 =0.312 Nm1T15.95014.3轴：轴即主动螺杆轴= . . =0.049 0.98 0.98=0.047 kW2P1齿 轮轴 承= =1500 r/minn=9.55 =9.55 =0.3Nm2T215047.3整理各轴运动及动力参数如下：轴名 功率 wP/转矩 mNT/转速 in)/(r电机轴 50 0.318 1500 49 0.312 1500 47 0.3 15003.4 齿轮组设计3.4.1 齿轮精度及材料的选择该齿轮组选用直齿圆柱齿轮传动，精度选择 7 级，因为喷头结构设计使他尽可能简单，而且不宜过重，所以选的材料用 45 号钢（调质） ，硬度为 250HBS，而大齿轮没有过重的要求，所以选 45 号钢（正火） ，硬度为 210HBS。二者材料硬度差为 40HBS。先选择齿轮模数为 1 压力 20 度 由于减速比为 1，故三个齿轮齿数均取相同，该处取 5321z3.4.2 按齿面接触强度设计（1）试选载荷系数 kt=1.6（2）由下图 4.4.1128：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图 4.4.11得区域系数 ZH=2.5（3）由标准圆柱齿轮传动的端面重合度图如下图 4.4.1228：图 4.4.12 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：=0.765 =0.82优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763 =1.585（3）由下表 4.4.128：表 4.4.1 齿宽系数选取齿宽系数为： d=1（4）由下表 4.228：表 4.4.2 弹性模量得 ZE=189.8M（5）由下图28c 和 d 可知：得 Hlim1=550MPa（小齿轮） Hlim2=400MPa（大齿轮）应力循环次数：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763N1=60n1jLn=60其中 n1 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n1=3000r/mim（6）按接触疲劳选寿命系数：由下图 4.4.1328：图 4.4.13 弯曲疲劳选寿命系数 KFN取小齿轮 、大齿轮 失效概率为 1%，安全系数为 s=1.4 H1=初步选取两齿轮模数 、齿数 15321zz则分度圆直径分别为： md3213.4.3 按齿根弯曲强度设计（1）计算载荷系数 k1=（2）查取齿形系数 和应力校正系数 为如下表 4.4.3：表 4.4.3 齿形系数 和应力校正系数优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763Z 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 272.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.6 2.571.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.60Z 28 29 30 35 40 45 50 60 70 80 902.55 2.53 2.52 2.45 2.40 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.201.61 1.62 1.625 1.65 1.67 1.68 1.70 1.73 1.75 1.77 1.78由上表得 （3）由下图 4.4.1428：图 4.4.14 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（4）由于在前一页中已经查得弯曲疲劳寿命系数 、（5）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 s=1.4 1= 2=263.57MPa；优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763（6）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。（7）设计计算m故齿轮的模数 m=1，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。则齿轮齿数 。15321zz3.4.4 几何尺寸计算几何尺寸计算如下表 5：表 5 直齿轮参数挤出机构直齿轮相关参数齿轮参数 输入齿轮 输出齿轮 过渡齿轮模数 m 1 1 1齿数 z 15 15 15压力角 20 20 20分度圆直径 d=mz 15 15 15齿顶高 ha=1*m 1 1 1齿根高 hf=1.25*m 1.25 1.25 1.25齿全高 h=2.25*m 2.25 2.25 2.25齿顶圆直径 da=(z+2)*m 15 15 15齿根圆直径 df=(z-2-2*0.25)*m 12.5 12.5 12.5基圆直径 db=dcosa 14.0954 14.0954 14.0954齿距 p=3.14*m 3.14 3.14 3.14齿厚 s=p/2 1.57 1.57 1.57齿槽宽 e=p/2 1.57 1.57 1.57优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763标准中心距 a=m*(z1+z2)/2 15传动比 i=z2/z1 1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。3.5 轴设计3.5.1 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3.5.2 最小轴径的确定初步确定大齿轮轴的最小直径如下表 4.5.128所示：表 4.5.1 轴直径分布选轴的材料为 45 钢，调质处理。根据上表，取 A0=103，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 4.5.1 所示：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763153.53.59.250.7532.758-0.013-0.0228+0.024+0.0158+0.024+0.0159 9 M63.23.2图 4.5.1 传动轴（1）-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 8mm，外径为 12mm 的 SKF 深沟球轴承，尺寸系列为 00，0 级公差，0 级游隙。所以该处的轴直径为 10mm，轴承的厚度 T=5mm，所以 L-=4.6mm（2）-轴段与- 之间要有一个定位轴肩，在处定位轴肩，则 h=2mm，所以- 轴段的直径取 d-=12mm ，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为0.2mm，所以此处长度为 L-=0.2mm 。（3）-轴段齿轮，该齿轮在轴上，相关参数如表 5 所示，所以直径为齿轮齿顶圆，则 d- =19.52mm，分度圆直径为 19.2mm。故长度为齿宽 L-=1.4mm+1mm+1.4mm=3.8mm。（4）与轴承配合-的直径为标准值 8，SKF 深沟球轴承型号为 61800，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 L-= =(6+6+3+9.3)mm=24.3mm，取整，则得 L-=25mm。（5）轴-段安装轴承，处为定位轴肩，尺寸与之前的轴肩一样，因此直径为：d- =10mm，长度比轴承厚度要短，则长度为 L-=4.8mm（6）在轴-段，为轴承的定位轴肩，尺寸与之前的轴肩一样，h=2mm，所以- 轴段的直径取 d-=12mm ，因为齿轮端面与挤出机构内壁的距离为0.2mm，所以此处长度为 L-=0.2mm 。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：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763第 4 章 挤出机构的设计4.1 挤出机构的设计要求很多技术都有自己的关键技术，熔丝沉积成形也不例外，挤出技术是熔丝沉积成形工艺的关键使能技术。挤出机构是实现熔丝沉积成形的关键部件，在机械运动控制的精密控制下，从原材料的棒料形态转换到堆积路径单元的形态，层层堆积粘结形成三维实体。挤出机构系统在熔丝沉积成形系统的基本要求是：将原料丝材送入加热腔中，在其中及时而充分地熔化，变为熔融态，然后从满足精度要求的喷嘴中挤出成细丝状，按预设的扫描路径填充堆积成形。送丝速度要与扫描速度相匹配，以形成均匀一致的材料堆积路径，满足成形工艺要求。采用功能分解思想，挤出头系统的功能要求可以分解为以下几点24-27：l)将原料丝材从丝筒上拉出，提供成形原料，即原料丝材的供应功能。2)将原料丝材送入加热腔，称为原料丝材送进功能，简称送丝功能。3)将送进的固态原料丝材及时而充分地熔化成为熔融态，简称熔丝功能。4)提供熔融态材料稳定流动的通道，简称流道功能。5)将熔融材料挤出喷嘴，简称挤出功能。6)对挤出熔融态物料进行定径，变为满足要求的更细小直径的丝材以进行堆积，简称定径功能。7)出丝速度应该可控，并能根据扫描速度进行调整，以相互匹配，简称速度匹配功能。8)出丝应能根据路径扫描要求及时起停，以保证高质量的成形路径，尤其在路径起停处，简称出丝起停控制功能。 。工艺原理中一个重要思想就是借助加热腔中未熔丝材的活塞作用，将熔融材料挤出喷嘴。出丝推力近似等于送丝驱动力，送丝功能 2)和挤出功能 5)是等效的。 。在以上各项功能中，前六项是基本功能要求，是实现工艺原理的必要条件，后两项则是实现高质量成形的必要条件，是提高造型精度的关键。在进行挤出头系统设计时，还应遵守工艺优化的要求以及其他特殊要求等，具体包括以下方面27 ：l)在合适的加热功率下按一定速度送入加热腔的材料经过熔化充分!均匀，在加热腔中处于合适的熔融区间(靠控温系统实现)。2)加热腔加热功率应尽量小，该部分应采取隔热措施。一方面减少热量损失，减少能源消耗，另一方面减少高温对其它部件的影响。3)送丝机构应能提供足够大的推动力，以克服高聚物材料挤出时产生的阻力。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397634)加热腔和喷嘴结构对流动的阻力尽量小。在满足要求的前提下加热腔流道应尽量短，既减少流动阻力，又可减小挤出头总体尺寸。5)结构合理易于安装和拆卸，并可方便地与系统其他部件集成。6)符合人机工程原理，方便人工操作和维护。4.2 挤出机构的组成挤出机构结构图如下图所示：挤出装置分别由挤出机构，导热机构，喷嘴组成。由左图的原理图可知，FDM 的工作原理，就是通过挤出机构把 FDM 的物料棒送到导热机构，使物料在导热机构中融化。然后通过喷嘴打印到工作台上，在X、Y 轴的联合运动作用下实现工件的一层一层叠加，渐渐把所需零件加工出来。图 4.3 FDM 原理图优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763挤出机构是喷头的重要组成部分，没有了挤出机构，FDM 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，所有应该有一个步进电动机，因为步进电动机在高速的时候控制力可以，但是在速度低的时候控制力不足，所以应该连接一对传动比比较大的直齿轮。下图中是由步进电动机作为动力，通过小齿轮带动大的直齿轮，然后带动滚轮，从而实现棒料的下落。除了齿轮组和电动机，挤出机构还有导入嘴， 嘴应该设计开头较大，防止物料溢出，或者因为太小二卡死。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、一对齿轮组、顶板、以及支撑端板。如图 4.4 所示图 4.4 挤出机构4.3 双螺杆挤出机构设计前述已选定螺杆螺距 p=1mm，结合整体结构尺寸，取螺杆外径 d=20mm，详细结构尺寸如下图示：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763110.20.2153.53.59.250.7532.758-0.013-0.0228+0.024+0.0158+0.024+0.0159 9 M63.23.2图 4.5 主动螺杆4.4 挤出机构流道口设计根据熔丝沉积成形 FDM 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24。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 4.6 所示：优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763(4.6)其中：系数 ；无因次压力梯度为参考粘度； 为参考剪切速率；Q 为熔体沿管道的体积流率；直径缩小系数 ；n 为流体压力梯度与流率系数，对于牛顿流体 1，对于高聚物等非牛顿流体( 如 ABS 熔体)，n 取 1/3；系数 。图 4.6 挤出头流道示意图公式(4.6)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 F 的理论计算公式即为：（4.7）下面根据公式(4.7) 进一步分析驱动力与有关参数间的关系29：(1)驱动力与流率 Q 的关系根据公式 (4.7)，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 ABS 熔体(非牛顿流体)来说，n 在 1/3 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 0 开始增加时，在最初阶段，压力会有急剧的上升，但流率增加到一定值后，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。优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763实际进行的 ABS 熔体流动实验也证明了这一点。(2)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 9：3：1 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 3 倍，是入口段的 9 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
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