分段堆积雕铣成形工艺中材料挤出的应用

分段堆积雕铣成形工艺中材料挤出的应用

0自动挤出自动成型工艺方法的提出分段积累和雕刻雕塑是一种将积累形成与传统cnc加工相结合的复合形成方法。同时，它具有积极延进的柔软度和传统形成的精度。其在宏观上(工件整体角度)采用了堆积成形的概念,微观上(每一段内)的具体实现上则是应用传统的去除材料的加工方法,是对典型快速成形工艺中采用的分层处理与材料层片添加成形方法的一个突破。分段堆积/雕铣成形是通过两种方式来实现的。其一是直接加工;其二,对于刀具干涉结构采用先在支撑材料上加工复制腔体,再浇注零件材料,通过“复制”过程获得干涉结构的实体部分。本文提出的工艺方法,可以通过三轴数控雕铣机床实现对任意复杂结构的零件加工成形。由于是三维加工,避免了传统快速成形工艺的“台阶”效应,工件的表面质量可以达到传统机械加工的水平。其成形原理如图1所示。由此可见,实现该工艺的自动成形过程,首先必须解决两种材料——零件材料和支撑材料的自动挤出问题。材料挤出过程中牵涉的一些难点问题,如挤出量和挤出轨迹的精确控制等,尚未得到很好的解决,严重制约该项技术实用化程度的提高。本文在充分分析该工艺的特点基础上,自主设计开发了一套用于支撑材料——高性能蜡的自动挤出装置。实验结果表明,该装置设计方案正确,使用效果良好。1挤出装置方案设计首先应考虑的问题:(1)高聚物(蜡)的特性。高性能蜡为晶体结构,熔融温度范围为110～140℃,熔融后粘度低,流动性好。(2)自动挤出装置用途。①用于小型精密零件的加工;②集成在一台雕刻机的主轴箱上;③精确控制每次挤出量;④实现温度的精确控制。基于以上几条因素的考虑,确定设计该挤出装置的总体方案:(1)挤压系统。蜡为热塑性材料,可反复加热使用,采用单螺杆挤出,能够保证流动的平稳性和对流量的精确控制。(2)加料系统。普通的塑料挤出机原料为塑料颗粒,而高性能蜡的原料为块状,若用专门机械造粒将使工艺复杂化,且装置为小型,不适于传统的塑料挤出模式。本装置采用蜡料先熔融再送入螺杆的方案,故不考虑蜡料输送过程中的塑化问题。(3)传动系统。采用步进电机作为动力源,直接与螺杆联接,结构紧凑,控制系统也相对简单。(4)加热温控系统。包括熔融蜡的加热系统和机筒段的加热系统,考虑采用加热棒和加热圈加热。而温度控制可采用精度较高的PID控制。(5)螺杆转速控制系统。包括步进电机、驱动器,由PC机编程产生脉冲信号,驱动步进电机转动,通过改变脉冲频率改变其转速。2自动过载设计2.1压迫系统的设计2.1.1螺钉设计(1)螺母形状选择选用等距渐变螺杆,由于进料已经是熔融态的蜡,所以只需保留熔融段。(2)螺纹的初始尺寸螺杆直径D:根据前期实验得到的高性能蜡的固化时间,确定蜡料挤出流量,再由生产能力的经验公式:Q=βD3n,计算得出螺杆直径D=15mm,考虑装置的小型化,以及该公式为塑料挤出的经验公式,对于熔融态蜡,其计算值偏大,故修正为D=14mm。长径比L/Ds:加料为熔融态蜡,不需要大的长径比,取Ds=8,设计中可依实际情况修正。螺纹升角ψ:使导程=直径,取ψ=18°。压缩比i:保证挤出口处有足够压力,取i=2。螺槽深度H:加料为熔融态蜡,且流动性好,即使采用较深的螺槽,螺杆也足以满足强度和刚度要求,并能够增大输送量,故取螺杆始端螺槽深度Hmin=3mm,根据压缩比i=2,计算出末端螺槽深度Hmax=1.5mm。螺纹断面形状:蜡的流动性好,为便于螺杆加工,选用矩形截面螺纹,各参数确定如下:R=0.5mm,r=0.5mm,r1=r2=0.2mm,e=3mm。螺杆头部结构:由于蜡被挤出后为自由沉积,不需进入口模成型,故对蜡的流动平稳性要求不高,不采用分流板,且锥角取90°。2.1.2主缸设计(1)名称：选择机械结构类型因为螺杆长度不大,故采用整体式机筒,加工方便,同时能够保证装配精度和加热的均匀性。(2)连接管道和出口头的方法考虑该装置为小型实验装置,挤出头需经常装拆,故选用自制冕形螺母连接。2.1.3化学腐蚀严重考虑螺杆和机筒的工作状况,温度为140℃左右,压力不高,扭矩不大,可能有轻微刮磨,无化学腐蚀。所以采用40Cr作为螺杆和机筒的材料,完全能够满足各方面性能要求。2.2u3000生态该装置为实验用小型装置,加热筒的体积为400mL。蜡料在加热筒中受热熔融成液相,在重力作用下液态蜡料流入挤出系统,实现加料。加热筒底部锥角取90°。2.3给排水设计2.3.1驱动功率及传动扭矩该装置挤出系统有别于标准挤出机的输送方式,故不能采用经验公式计算其工作特性,估算其驱动功率P<100W,再由公式M=P/n计算其传动扭矩M<2N·m。转速要求:nmin=20r/min,nmax=200r/min,调速范围nmin/nmax=1∶10,调速方式采用步进电机直接调速,电机轴与螺杆用半圆键联接。2.3.2自润滑轴承的选用轴承布置形式采用止推轴承位于两个径向轴承之间,这样,简化结构设计,便于轴承拆装。另外,径向轴承选用封闭的自润滑球轴承,对中间的止推轴承也起到密封和保护作用。轴承型号如下:径向轴承选用滚动轴承6204,止推轴承选用滚动轴承51204(校核计算略)。至此,装置的螺杆挤出单元设计完毕,整个挤出装置装配图、三维分解图和实物照片见图3。2.4螺母螺旋压力计的设计2.4.1光催化机电设计根据前文对装置工作特性的分析,选用北京斯达特机电科技发展有限公司的86BYG250B型步进电机,以及与其配套的SH-2H090M型驱动器。其相关数据见表1和表2。SH-2H090M型驱动器的输入信号共有三路:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入光耦的负输入端,且电路形式相同,见图4。OPTO端为三路信号的公共正端,三路信号输入信号在驱动器内部接成共阳方式,所以OPTO端须接外部系统的VCC,如果VCC是+5V则可直接接入,给驱动器内部光耦提供8～15mA的驱动电流。步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度,驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角,CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变,控制CP脉冲的个数,则可以使步进电机精确定位。本驱动器的CP信号为低电平有效,要求CP信号的驱动电流为8～15mA,对CP的脉冲宽度也有一定的要求,一般不小于5μs,见图5。换向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平和低电平时,电机分别为不同的两个转向。电机换向必须在电机停止后再进行,并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后,以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出,见图6。脱机电平信号FREE:当此信号起作用时(低电平有效),电机处于自由无力矩状态;当此信号为高电平或悬空不接时,取消脱机状态。2.4.2机构控制装置直接利用计算机内部电源为驱动器OPTO端提供+5V的电压,用VC对计算机打印机端口编程,控制驱动器的步进脉冲信号CP和换向电平信号DIR,进而改变步进电机的转速和转向,图7为接线示意图。参数设置通过WINDOWS界面完成,以便今后整个数控加工系统的集成。程序界面和流程图分别如图8和图9所示。2.5加热温度系统的设计2.5.1塑化加热作用该装置不同于一般的塑料挤出机,其蜡的熔化所需热量绝大部分来源于外部加热,蜡料输送中的塑化加热作用不明显。由于加热筒容积小,热量分配时,只有少部分热量被蜡料带走,大部分热量通过筒身和冷却系统散失。因此,该系统的热量来源和分配及其比例关系可用下式表示:H外热(绝大部分)+H内热(极少)=H蜡(小部分)+H损失(大部分)2.5.2系统加热方法采用电阻加热,其外型尺寸小,重量轻,拆装方便。在加热筒的四角钻孔,放置四根加热棒,在机筒外则用两段加热圈加热。2.5.3热压法设置油气压推广位置为防止加热筒多余的热量通过传动机构传递给电机,造成电机过热,有必要设计绝热冷却系统。主要是在加热筒与传动机构之间设置绝热盖板,其材料选用隔热性能好且耐高温的聚四氟乙烯。但如果加热时间超过1h,绝热盖板将失去隔热作用。因此有必要增加水冷系统,具体方法是在轴承座表面车出螺旋沟槽,缠上冷却水管,用小功率水泵输水冷却。2.5.4温度采集元件的控制蜡的熔融温度和挤出温度需分别控制,故采用两套温控系统。在加热筒壁和挤出头两处分别放置热电偶作为温度采集元件。要保证热电偶放置的深度,以精确测量物料的温度。示温部分采用数字显示仪,温控调节采用精确的PID控制,功率调节采用PWM控制。温控系统原理图和温控箱实物图见图10和图11。3高效的实验结果经过一段时间的使用证明,该装置达到了预期的设