基于3D打印的齿轮系设计与制作【原创含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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基于3D打印的齿轮系设计与制作【含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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I基于 3D 打印的齿轮系设计与制作摘要： 本文介绍了 3D 打印的基本概念、基于激光和喷墨 3D 打印的原理、发展趋势以及 3D 打印的局限性，同时介绍了 3D 打印机的工作原理、分类以及 3D 打印材料等内容。本论文还针对带式传送机设计出二级展开式减速器，根据给出的零件尺寸要求，计算并设计出结构合理、性能优良的齿轮系统的关键部件结构及其尺寸。然后通过数据导入，利用 SolidWorks 画出齿轮和上箱体的三维模型图，再将实体建模的图形转化成 3D 打印机可识别的格式，然后对零件进行切片处理，打印机系统会生成 G-code 切片数据，计算机根据切片数据可以控制打印机喷头的行径轨迹，最后将减速器器的齿轮和上箱体制作出来。通过打印减速器的关键零件，熟悉 3D 打印的基本原理以及打印过程，了解对制作出来的零件后期处理的方法。关键词：3D 打印；SolidWorks；齿轮系统设计；后处理IIGear Design and Production Based on 3D PrintingAbstract: This article describes the basic concepts of 3D printing, principles and trends of laser and inkjet 3D printing, and the limitations of 3D printing. At the same time, it introduces the working principles, classification, and 3D printing materials of 3D printers. This paper also designs a two-stage unfolding reducer for the belt conveyor. According to the given part size requirements, the key components of the gear system with reasonable structure and excellent performance are calculated and designed. Then through data import, using SolidWorks to draw a three-dimensional model of the gear and the upper box, the solid modeled graphics into 3D printer identifiable format, and then slicing parts, the printer system will generate G-code slice data Depending on the slice data, the computer can control the trajectory of the printers nozzle. Finally, the reducer gear and the upper case are manufactured. By printing the key parts of the reducer, familiarize yourself with the basic principles of 3D printing and the printing process, and learn about the post-processing methods for manufactured parts.Keywords: 3D printing; SolidWorks; gear system design; post processingIII目录摘要 .目次 .1 绪论 .11.1 3D 打印的概念 .11.2 3D 打印原理 .11.2.1 基于激光的 3D 打印技术原理 .11.2.2 基于喷墨的 3D 打印技术原理 .21.3 3D 打印的发展趋势 .21.4 3D 打印发展瓶颈 .31.4.1 基于激光的 3D 打印设备的主要问题 .31.4.2 基于喷墨的 3D 打印设备的主要问题 .4IV2 3D 打印机的概述 .42.1 3D 打印技术的概念 .42.2 3D 打印机的工作原理 .52.3 3D 打印机的种类 .52.3.1 LOM 3D 打印机 .62.3.2 SLA 3D 打印机 .72.3.3 FDM 3D 打印机 .72.3.4 SLS 3D 打印机 .82.3.5 3DP 3D 打印机 .92.3.6 SLM 3D 打印机 .92.3.7 DLP 3D 打印机 .102.4 3D 打印机主要的性能及其参数 .112.4.1 机器设备的尺寸 .112.4.2 机器设备能够打印的材料 .112.4.3 机器打印的移动速度，打印层厚，以及定位精度 .112.4.4 机器的软件要求 .112.4.5 喷嘴的直径 .112.4.6 材料的线径 .112.5 打印零件的材料 .122.5.1 工程塑料 .122.5.2 光敏树脂 .122.5.3 橡胶类材料 .122.5.4 金属材料 .122.5.5 陶瓷材料 .12V2.5.6 其他 3D 打印材料 .123 齿轮系统的设计 .123.1 系统设计的依据和参数 .133.2 传动参数的总体设计 .133.2.1 传动方案的确定 .133.2.2 电动机的选择 .133.2.3 传动比的计算及分配 .143.2.4 传动装置的运动和参数计算 .143.3 带的设计计算 .153.3.1 确定设计功率并选择带型 .153.3.2 带的基本参数计算 .153.3.3 带轮的结构设计 .163.4 传动零件的设计计算 .163.4.1 高速级斜齿圆柱齿轮的设计计算 .163.4.2 初步计算传动的主要尺寸 .173.4.3 低速斜齿圆柱齿轮的设计 .193.4.4 斜齿轮圆柱齿轮上作用力的计算 .203.4.5 中间轴的设计计算 .213.4.6 低速轴的设计 .253.5 箱体结构设计 .283.6 装配图和主要零件图 .294 3D 打印流程 .304.1 打印的零件 .304.2 打印机和打印材料的选择 .30VI4.3 计算机辅助设计 .314.4 切片处理 .324.4.1 齿轮的切片处理 .324.4.2 上箱体的切片处理 .344.5 齿轮和上箱体后期处理 .365 结论 .38参考文献 .39致谢 .40第 1 页 共 40 页1 绪论1.1 3D 打印的概念“3D 打印”在业内有很多术语，可以将其称为“快速成型技术”(Rapid Prototype)，也能将它称为“增材制造技术 ”(Add material manufacture)，也可以称为“RPM 技术” ，即“快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing”。3D 打印技术出现的时间是在 20 世纪末期，它采用材料堆积的方法，逐步发展成为制造业中的一种高新技术，在制造业发展中有着举足轻重的作用，是近几十年来公认的最重大成果之一。英国著名杂志经济学人曾描述 3D 打印技术将改变传统的生产方式，其发展空间广阔，很可能推动第三次工业革命早日到来。1.2 3D 打印原理将三维建模的模型先离散化，再将离散后的数字模型导入计算机中，在计算机控制下，离散后的数字模型进行逐层加工，这样数字模型就被转换成立体的实体模型，这就是 3D 打印技术的基本原理。下面介绍两种最为常见的 3D 打印技术：1.2.1 基于激光的 3D 打印技术原理 基于激光的 3D 打印技术研发的 3D 打印机，材料的成型的方式通常由两种，一种是利用激光束照射打印材料，使其固化成型，另外一种是利用激光烧结粉末材料。激光烧结技术原理为：工作前将预先准备好的粉末材料倒入粉末缸中，如果粉末材料是金属粉末，还需要将整个工作台加热，加热到一定温度可以减少金属粉末在激光烧结的过程中发生热变形的程度，利于层与层之间可以更好的结合，以此保证成型零件的加工精度。工作时，粉末缸在活塞的推动下缓慢上升，粉末在滚压机的作用下，均匀的平铺在工作活塞上。然后激光束对平铺在工作活塞上的粉末进行烧结，被烧结的粉末材料积聚成型，未被烧结的材料散落在粉末缸中，这样就形成了零件的一层表面。此时，工作缸下降，又有新的一层粉末散落在工作缸上，滚压机再将散落的粉末均匀的平铺再活塞上，激光再次烧结便形成了新的一层零件轮廓。这样不断的循环加工，层层烧结叠加，三维零件就会被完整加工出来。光固化技术的原理与激光烧结技术原理稍有不同，首先是加工的材料不同，光固化技术的材料是树脂。加工时，树脂与支撑材料之间形成一层截面，这层截面在激光束的照射下会被固化成型。这样往复的重复该过程，截面一层一层的累加，成型件就会被加工出来。将多余的粉末去除，对零件的模型的表面进一步处理后，零件就被最终加工完成。第 2 页 共 40 页图 1.1 激光打印机原理图1.2.2 基于喷墨的 3D 打印技术原理喷墨打印机与激光打印机不同，利用喷头喷射粘结剂将粉末材料粘结成型。工作前，粉末散落在在工作台上，铺粉辊开始转动，散落的粉末被均匀的分布在工作台上。利用喷头喷射粘结剂，粉末在粘结剂的作用下凝结成型，形成了一层截面。喷头的运行轨迹受计算机控制，计算机根据离散的数字模型信息控制喷射轨迹。当零件的一层截面成型后，工作台下降一个层厚，再次进行铺粉和喷黏结剂以形成零件另一层截面的加工。这样不断的循环加工，层层凝结成型，三维零件就会被加工出来。为了能够加强凝结的强度，可以将加工成型的零件用胶水或者蜡液在其表面进行固化处理。改变粘结剂的颜色，还可以制作出色彩缤纷的原型件。理论上说，可以利用 3D 打印机打印出任何三维实体模型。在实际的加工生产中，3D 打印的应用范围也非常广泛，随着近几十年的发着，打印技术在生物医疗、建筑工程、模具制造、传统制造业、国防军工、配件饰品行业等众多行业都有应用。图 1.2 喷墨打印机原理图1.3 3D 打印的发展趋势第 3 页 共 40 页3D 打印技术的应用将改变传统制造业生产模式，将对制造工艺、制造技术和制造模式三个方向带来重大革新。一是改变了传统的制造工艺。3D 打印原理加工零件的过程属于加式制造，不需要切割材料，可以将零件直接加工出来，少了很多中间环节。不但节省了原材料，而且大大缩减了加工时间，改变了传统的制造工艺方法。例如，在航空航天工业领域中 3D 打印技术就得到了广泛应用。用于航空航天的金属材料通常是固体钛，而固态钛的价格十分昂贵，如果采用传统的切削加工，切削下来的材料对飞机的生产制造没有任何作用。传统的加工制造无疑对材料造成很大的浪费，飞机的制造成本将会大大增加。空客的母公司欧洲宇航防务集团( EADS)生产制造的飞行器就是采用 3D 打印技术，用钛粉末打印制造飞行器的部件而减少制造成本。其研究人员指出，用 3D 打印制造出来的部件与传统的加工制造相比，可以节约 90%的原材料，而且与传统加工制造的部件具有同样的使用寿命。二是革新了制造技术。3D 打印技术是建立在多门学科与知识的基础上发展起来的高新技术，综合应用了激光技术、光化学、数字建模技术等学科。3D 打印技术是新型的制造技术，打破了传统的制造工艺，对促进智能制造及其相关产业的的发展起到了积极的作用。三是改变了制造模式。自第二次工业革命以来，机械制造的生产方式主要以装配生产线为主，而 3D 打印将会打破这种传统的生产线模式，使产品生产特点更加的个性化和定制化。在不久的将来，或许消费者只要提供设计图，并将数据传输给 3D 打印机，就可以在短时间内将产品直接“打印出来” 。随着 3D 打印技术的普及及推广，产品的生产周期将会大大缩减，产品推向市场的时间也会提前。机械制造生产作业不再需要大规模的生产线，生产工人的数量大幅度削减，生产仓库里的零部件库存也不需大量堆积， “社会化制造”的繁荣即将到来。 “社会化制造”最大优势是可以建立制造资源网、互联网渠道，建立快速而高效的可持续发展的生产模式，即实现供应链、市场销售到用户服务一体化，推动敏捷制造和精益制造全球化发展。1.4 3D 打印发展瓶颈1.4.1 基于激光的 3D 打印设备的主要问题 目前激光 3D 打印机设备还存在一些不足，首先是激光打印机的打印速度比较慢，加工一个小型零件就要花费几个小时。激光 3D 打印机由于激光扫描耗时长，材料粘结也需要时间，所以大大限制了加工零件的速度。目前 3D 打印机的打印速度一般在 80mm/s，有的打印机的打印速度达到 150mm/s。在实际的生产中，如果零件的打印速度慢，产品的生产周期就会被增加，生产制造过程中便第 4 页 共 40 页很少会考虑 3D 打印这种生产方式，而且 3D 打印所需的人力和物力成本高，故很难在工业化生产中大规模的使用。 其次，激光 3D 打印机加工零件的尺寸比较小，不能加工大型零件，同时也制约了激光 3D 打印机的应用。目前，激光头可移动的范围小，不然零件打印的精度将受到影响。如果打印产品的尺寸很大时，激光头受到移动范围的限制，不仅加工时间长，而且很难保证产品的加工精度，所以只能打印比较小的产品。另外，国内大多数公司不常使用基于激光的 3D 打印设备制作模型，由于市场导向，材料粉末供应少，而且可供选择的材料也不多，所以国内供选择的打印材料少而且价格高。1.4.2 基于喷墨的 3D 打印设备的主要问题 目前，基于
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