选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计毕业设计 本文简介：
选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计目录中文摘要································································3Abstract·····················································
选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计毕业设计 本文内容：
选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计
目录
中文摘要································································3
Abstract·································································4
1绪论···································································5
1.1课题来源···························································5
1.2研究目的和意义·····················································6
1.3选择性激光烧结概述·················································7
1.4
SLS技术的发展历程和现状···········································9
1.5
SLS铺粉装置的目前现状············································10
1.6本章小结··························································12
2选择性激光烧结的铺粉装置的设计·······························13
2.1铺粉装置的总体设计················································
13
2.2铺粉装置的第一种方案··············································13
2.3铺粉装置的第二种方案··············································15
2.4方案的比较及最终选择··············································16
2.5设计方案的设计要求················································16
2.6本章小结··························································17
3
铺粉装置的结构设计··········································18
3.1主机······························································18
3.2成型工作缸························································18
3.3丝杠设计··························································18
3.4
齿轮的设计························································27
3.5步进电机设计······················································31
3.6废料回收缸························································33
3.7铺粉滚筒装置······················································33
3.8送料工作缸························································34
3.9激光器····························································34
3.10振镜式动态聚焦扫描系统···········································34
3.11机身与机壳·······················································36
4
总结························································37
5
致谢························································38
6
参考文献····················································397
附录························································40选择性激光烧结铺粉装置设计摘要：近年来，集中先进的激光技术，粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结（Selective
Laser
Sintering,简称SLS)工艺日渐成熟，SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，具有成形灵活性强，周期短，原料广泛等特点，在汽车，造船，机械，航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用，成为当前成形技术中的一个研究热点和几句发展潜力的前沿技术。为了分析铺粉精度对选择性激光烧结成型质量的影响，设计一种新型的铺粉装置。介绍该铺粉装置的工作原理，结构组成，设计要点。
关键词：选择性激光烧结；粉末；快速成形；铺粉装置；铺粉精度
Design
of
Spreading
Powder
Device
of
Selective
LaserSintering
Rapid
Prototyping
MachineAbstract:
Slective
Laser
sintering(SLS),integrated
the
technologies
of
laser,powder
and
computer-aided
design
become
more
and
more
mature
in
the
past
ten
years.
The
SLS
can
be
used
to
sinter
metal
and
nonmetal
powders
directly
into
full-densified
and
near-net
shaped
products.Because
of
having
the
merits
of
good
flexibility,short
production
periods
broad
raw
materials
and
so
on,the
SLS
is
now
widely
applied
in
many
fields,such
as
automobile,shipbuilding,
spacefight
and
aviation
industry,and
is
considered
as
the
technology
in
advance
position.Precision
of
powder-laying
is
an
important
factor
affecting
selective
laser
sintering
forming
quality.A
new
kind
of
spreading
powder
device
was
designed.The
working
principles,structure
constitution
and
design
points
were
intrduced.
Keywords:Selective
laser
sintering;
powder;
rapid
shaping;
spreading
powder
device;
accuracy
of
powder-laying
1
绪论
1.1
课题来源
在机械制造业，长期以来采用的加工方法是减材制造法，即用刀具从较大的毛坯上逐步切除无用材料来制作工件的方法，传统的车、铣、刨、钻、磨等切削加工方法，以及现代的电火花成形与激光切割都属于减材制造法。它是机械制造业最常用的方法，减材制造的工件精度高，表面品质好，成形材料与加工机床之间通常不存在从属依存关系，因此适用材料广泛，不需要机床制造商研制提供专用的材料。但是，它采用的毛坯通常必须由铸造或锻造而成，并且往往还需要模具预成形，加工周期较长，材料利用率低，成本较高，此外，还受刀具或模具的限制，有时甚至无法成形一些内部形状很复杂的工件。
图1-1
机械制造方法
a)减材制造b)增材制造
增材制造法的出现是在20世纪80年代，率先实现增材制造的是快速成形技术，又称为自由成形技术，其核心是将所需成形工件的复杂三维形体通过切片转化为简单的二维截面的组合，因此不必要采用传统的加工机床和工、模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，在计算机控制的快速成形机上直接成形三维工件。成形过程如下：①利用快速成形机中的软件，沿模型的高度方向对模型进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓图。②快速成形机按照这些轮廓图，分层沉积材料，成形一系列二维截面薄片层。③快速成形机使片层与片层之间相互黏结，将这些片层顺序堆积成三维工件实体。由于增材制造法通过三维至二维的转化使工件的成形大为简化，因此只需传统切削加工30%至50%的工时和20%至35%的成本，就能直接制作复杂的三维工件，在机械制造业引起了巨大的反响，曾经被誉为制造业的一场革命。
在这20多年的努力下，实现快速成形工艺的关键设备已经有5种商品化，即：激光固化式（SLA）、激光烧结式（SLS）、贴片刻写式（LOM）、喷墨黏粉式（3DP）和熔融挤压式（FDM）等形式的快速成形机。在这5种快速成形机中，前3种都是用激光束使材料逐层成形，本篇论文所设计的题目是基于激光烧结式，即用激光束烧结材料使之成为三维工件的快速成形机。现设计一套自动铺粉装置，实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度、粉末层密度大小的精确控制，目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验的要求水平。
1.2研究目的和意义
金属成形精度和密度是快速成形技术在工业应用中的关键问题之一，近年来，集中先进的激光技术粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结工艺日渐成熟，SLS无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，在汽车造船机械航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用。
选择性激光烧结技术有如下的特点：
（1）
材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙塑料金属陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型（或芯），用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。
（2）
SLS技术不需要特殊支撑，多余材料易于清理，适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到100%。
（3）
工艺过程简单。与其他原型制造工艺（如SLA,LOM等），SLS成形无须研究专门的废料清除工艺。
（4）
具有广阔的应用前景。SLS可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从从目前的国内外SLS技术的研究情况来看，覆膜砂，石蜡粉以及塑料粉三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研发阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。
在本论文中所设计的选择性激光烧结机械系统中铺粉装置，它是对选择性激光烧结成形质量是有重大的影响，它实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度，粉末层密度大小的精确控制，目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验要求的水平。
铺粉装置的特点：
（1）整套装置利用了机械部件与电气元件的组合，实现了机电一体化，提高可工作效率与自动化程度。
（2）铺粉装置机构装配简单，结构紧凑。
（3）粉末层的密度可以根据所用粉末材料的特性通过调节步进电机的运动参数进行适当的调节，扩大了快速成形机的使用范围。
对成形工件质量，是否符合用户所要求，在未来增材制造技术中将会越来越受到重视，随着选择性激光烧结技术的成熟，我们对产品的要求会越来越高，而对影响工件的质量的各种因素将会越来越受到科研学者的重视，而铺粉装置仅是其中的因素之一，而且它也有很多改进的地方，所以，在未来的发展过程中，它的意义是非常重大的。
1.3选择性激光烧结概述
激光选区烧结工艺SLS（selected
laser
sintering），又称选择性激光烧结，它是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术。
SLS工艺的基本思想是基于离散-堆积成形的制造方式，实现从三维（CAD）模型到实体原型/零件的转变。选择性激光烧结快速成形技术的原理如下：
（1）
在计算机上，实现零件模型的离散过程。首先利用CAD技术构建被加工零件的三维实体模型；然后利用分层软件将三维CAD模型分解成一系列的薄片，每一薄片称为一个分层，每个分层具有一定的厚度，并包含二维轮廓信息，即每个分层实际上是2.5维的；再用扫描轨迹生成软件将分层的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。
（2）
在SLS成形机上，实现零件的层面制造。堆积成形的过程：首先在成形缸内将粉末材料铺平，预热之后，在控制系统的控制下，激光束以一定的功率和扫描速度在铺好的粉末层上扫描。被激光扫描过的区域内，粉末烧结成具有一定厚度的实体结构。激光未扫描的地方仍然是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去除，这样得到零件的一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞上移一定距离，成形活塞下移一定距离，通过铺粉操作，铺上一层粉末材料。继续下一层的激光扫描烧结，而且新的烧结层与前面已成形的部分连接在一起。如此逐层地添加粉末材料，有选择地烧结堆积，最终生成三维实体原型或零件。
（3）
全部烧结完成后，要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨，烘干等处理便获得原型或零件。
激光选区烧结快速成形设备的主要构成①机械主体部分②光路系统③控制系统④冷却装置⑤辅助加热装置等部分组成。
下面简单介绍各个部分的组成：
机械主体部分
（1）
机架
用于支撑设备的其他部分。
（2）
工作平台
用于安装铺粉机构和活塞缸，同时作为它的安装基面。
（3）
铺粉机构
有滚轮式和刮板式两种。作用是不断提供成形用的粉末并将粉末铺平。滚轮式在直线运动过程中作反时针旋转，将供粉缸中的粉末送至成形缸，并使平面平整。对于大多数粉末材料，滚轮式结构的铺粉效果优于刮板式结构。
（4）
供粉系统
有活塞顶出式和漏斗下料式两种。无论何种方式，成形时每次的送料量均应大于成形室的单层成形体积。
（5）
集料箱
用于收集铺粉过程中多铺的粉料和卸料。
（6）
通风除尘机构
光路系统
（1）
激光器
在SLS成形机上用于烧结塑料聚合物粉末的激光器多采用二氧化碳激光器，最大输出功率为50W，其特点是寿命长，效率高，结构紧凑，输出稳定，可靠性高，易于控制。
（2）
反射镜
将激光束导入聚焦系统。
（3）
扩束聚焦系统
为了得到较小的聚焦光斑。
（4）
扫描器
（5）
指示光源
由于加工用的激光束是不可见光，不便调试和操作，引入可见光，能够清晰看见激光光路，便于各光学元件的定位
（6）
光束合成器
控制系统
SLS成形机的控制系统由计算机和多快控制卡组成。其基本过程是由计算机控制铺粉机构，将粉末均匀地铺在烧结面上，然后控制激光器和扫描器，使激光束在烧结面上扫描。完成一层的烧结后，烧结面下降一段距离，完成一次烧结过程。不断重复，最终就烧结成了三维实体。一般情况下铺粉装置有多台伺服或步进电机，其中有控制供料缸和成形缸的，一种用于驱动铺粉小车作水平运动，一台用于铺粉小车的滚轮转动，由计算机对各步进电机驱动器进行控制。
1.4
SLS技术的发展历程与现状1.4.1选择性激光烧结技术的发展历程
SLS最初由德国萨斯大学奥斯汀分校的CARL
DECKARD于1987年在其硕士论文中提出，之后美国的DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备sinter
station2000。随着研究的不断深入，特别是激光束控制技术的突破，美国的DTM公司，德国的EOS公司，比利时的Leuven大学，英国的MCP公司，我国的北京隆源自动化成型有限公司，南京航空航天大学，西北工业大学，华北工学院和华中科技大学等单位研发的SLS成形机，功能不断完善，性能不断提高。按SLS的原材料特性的不同，SLS的发展可分为2个阶段：1）利用SLS技术烧结低熔点的材料。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段，所用的材料是聚合物，低熔点金属或陶瓷的包覆粉末（或陶瓷与聚合物的混合物）；2）利用SLS技术直接烧结高熔点金属材料（如钛合金，镍合金等），这是SLS的重要发展方向
之一。
国外许多快速成形系统开发公司和使用单位对快速成形材料进行了大量的研究，开发出了多种适合于快速成形工艺的粉末材料。美国的DTM公司于1993年推出了Rapidsteel制造技术，在SLS-2500Plus系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具，此模具EOS公司开发了可直接对未预热的金属粉末进行烧结的EOSINT
M250系统。该系统所使用的由不同金属粉末组成的混合粉，适用于制作滚轴和注塑模具。日本大阪大学焊接研究实验室的MURAKMI
T等用激光焊接技术，成功制备出高精度高分子材料工件，也可以制备具有高致密度但表面精度稍差的金属件，与此同时，SLS用粉末材料的研究也取得进展，粉末的品种越来越多。
目前，在国内，正在逐渐运用于生物应用领域，采用SLS技术可快速制造医用模型，个体化设计和生产植入体及组织工程支架，并可通过调整SLS和后处理工艺参数，实现对生物医用材料的微观结构及力学性能的控制，只生物医学应用领域具有重大的价值，比如在当前北京科技大学新材料技术研究院正在研究采用SLS成形技术结合后处理的方法制备生物医用的多空金属材料，已经取得了一定的成果，所以，这可以说明，利用SLS技术，能方便地制备利用细胞粘附和长入的表面粗燥且多孔的金属材料，尤其是生物相容性和力学性能优良的钛及钛合金材料，这将是SLS技术在制备生物医用材料领域的一个重要的发展方向。（当前，在基于选择性激光烧结技术的基础上，也提出了一种密排电阻丝烧结这种新型快速成形方法—一种新的成形过程中的加热方法。意义就在于替代价格昂贵的激光器，可以大大减小成型设备成本，并且可以整截面层同时烧结成型，具有区别于其他快速成形技术的独特的优点。如果这项技术得到推广，那么它将在快速成形技术又将是一大亮点，使得未来的快速成形技术得到进一步发展和应用。）
总而言之，选择性激光烧结技术是当前较成熟的快速成形方法之一，它在航空，航天，医用等领域逐渐得到重视，这在我们国家建立节约型，环境友好型的中国将会具有重大的意义，它值得我们的科学家，研究者去研究，去普及，去推广到更多的领域。
1.5
SLS铺粉装置的目前现状
目前市场上SLS成型机产品很多，但从成型过程来看，其原理大体分为两种。一种是DTM为代表，而另一种是以EOS为代表。下面就以这两种为例，分别加以介绍
1.5.1DTM-分缸铺粉
成型系统的主体结构在一个封闭的成型室中安装两个刚体活塞结构。一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，用于红外线板将粉末材料加热之恰好低于烧结点的某一温度。成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，而成型缸内活塞下一相同量。铺粉滚筒将粉料均匀的铺在成型缸的加工面上。激光束在计算机控制下以给定速度和能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之初粉末被烧结，固化为给定厚度的一层，为烧结的粉末被用来作为支撑。这样，零件的第一层制作出来了
。而后，供料缸，成型缸分别重复操作上述动作。激光束按第二层信息扫描，被烧结的粉末未固化成第二层。如此反复至完成。如图所示
图1
DTM式
1.5.2-送料槽铺粉
在E.O.S系统中，烧结固化过程与DTM过程相同。而铺粉方式有所不同。粉末的铺撒是有一个槽型喷嘴实现的，其导向跟踪板的轮廓被设计成当喷头从一边偏向另一边是保持喷力的方向始终垂直于工作面。喷头侧面设计有刮刀装置。
图2
E.O.S式1.6本章小结
本章是全文的前言部分：
1，本文的课题来源，背景，是来自于当前前沿制造技术的部分，增材技术是当今社会一个很好的发展趋势，因此，这要求我们科研者具有开拓创新精神，致力于该方向的研究。
2，研究的目的和意义，本文主要是对SLS制造技术的铺粉装置的设计，它对成形工件的质量的影响是十分重大的，它的改进，优化或者设计创新对以后SLS的在增材制造技术领域或有很多重大的突破。
3，SLS快速成型技术的当前背景和研究现状以及它的铺粉装置的当前的研究的现状。
2
选择性激光烧结的铺粉装置设计
2.1铺粉装置的总体设计
选择性激光烧结快速成型机主要由数据处理和成型执行机构两大部分组成。数据处理部分包括根据三维模型构建加工轨迹的离散过程软件，并由与快速成型机配套的计算机处理。成型执行机构部分根据离散后的信息由数控设备来完成执行和控制加工过程。本文对执行机构即铺粉装置进行了两种方案的构思，所设计方案如下所示
2.2铺粉装置第一种方案
2.2.1铺粉装置的原理
选择性激光烧结快速成型机执行机构原理如下图，由工作台，铺粉装置，激光器，激光光路发生系统外加辅助系统组成。铺粉装置主要由伺服电机，滚珠丝杠，铺粉轧筒，工作缸体，齿轮和齿条等组成。
在烧结前或烧结过程中，把要烧结的粉末倒入供粉缸8中，根据工艺要求对供粉缸8进行预热，预热温度用温度传感器进行检测，并能进行闭环自动控制。待供粉缸中的粉末达到预定的预热温度后，由计算机发出指令，控制铺粉轧筒3由供粉缸8向成形缸9移动，把供粉缸的活塞6顶起的一定量的粉末均匀，平整地铺在成型缸9的工作面上，激光开始扫描烧结。如此循环往复，层层堆积直至整个零件4完成为止。在这一工作过程中，密封装置使工作腔保持密封，其作用一是保持工作具有恒定的温度；二是保证粉末只在工作腔内活动，余料回收方便；三是避免烧结过程中发生氧化反应。图2-1
成型机构工作原理图
1,齿轮
2，工作台
3，铺粉轧筒
4，工件
5，激光发生器
6，活塞
7，滚珠丝杠
8，供粉缸
9，成形缸
10，伺服电机
2.2.2铺粉装置的机构
图2-2
铺粉装置的结构
2.3铺粉装置的第二种方案
该铺粉装置的工作原理和第一种方案基本是差不多，但是它在机构的设计中未选择用联轴器连接而是选择使用齿轮传动，而且在成形缸的右侧设置了废料回收缸，以便能够节约材料，让材料得到充分利用。其结构如下图所示图2-3铺粉装置的机构
2.4方案的比较及最终选择
方案一与方案二的比较分析得知，方案一装配简单，结构紧凑，粉末层的密度可通过步进电机进行适当的调节，方案二结构虽复杂，但从节约原材料的角度去考虑，而且齿轮传动工作可靠，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高，所以方案二是一个可行性方案。
通过比较，选择设计方案二，进行设计和论证。
2.5设计方案的要求：
工作内容和要求：
成型空间：300×300×300mm
最大成型件的重量约为：5Kg
烧结深度/托盘的层间下降距离：0.1mm
Z方向的定位精度：0.01mm
2.5本章总结
本章主要是对铺粉装置整体的一个构思，通过分析比较，确定最终的选择方案，而且所设计的方案主要是在本文第一章所阐述的DTM式的铺粉装置，当前国内主流是E.O.S式的铺粉装置，而国外选择的多是DTM式的铺粉装置。所以鉴于此，选择尝试设计DTM式的铺粉装置。3
铺粉装置的结构设计
3.1主机
主机主要由成型工作缸，废料回收缸，铺粉轮筒装置，送料工作缸，激光器振镜式动态聚焦扫描系统，机身与机壳等组成。
3.2成型工作缸
在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距离及为层厚。零件加工完后，缸升起时，一边取出制件和为下一次假工作准备。工作缸为圆型缸，下部有活塞装置，活塞杆由连接装置连接丝杠螺母装置。丝杠有步进电机驱动，丝杠转动，带动丝杠螺母上下移动，通过连接件从而使活塞作上下运动。具体结构如下图
图3-1
传动部件
结构尺寸：底为直径400毫米的圆形，高为300毫米。3.3丝杠的设计
3.3.1丝杠的类型的确定
滚珠丝杠副的组成及其特点：
滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件一滚珠。它由丝杠，螺母，滚珠和反向器四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返向通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。
与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副除上述的优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。
从作用上来看，两者相同
从应用上去看，滚珠丝杠多用于数控机床，定位工作台。而滑动丝杠一般仅用于传递力，无较高定位要求不长的场合。
基于选择性激光烧结的快速成型技术的铺粉装置的设计要求，定位精度要较高，因为滚珠丝杠副更适合于此。
3.3.2丝杠的设计
丝杠的导程计算：
Pho---导程
（mm）
Vmax---工作台最大移动速度（mm/min）
nmax---电机最大转速（r/min）
I---
传动比，从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比。
通过对已知条件的比较，初步选定丝杠导程为4mm。
丝杠螺母位置简图如下：
图3-2
滚珠丝杠(1)
滚珠丝杠进给力的计算
在设计滚珠丝杠时，首先确定其名义直径，螺距及滚珠直径等，确定上述参数一般是放在防止疲劳点蚀的基础上，对滚道上的点而言，其应力状态是交变的接触力。因此设计时必须保证它在一定轴向负载的作用下，这种名义直径和螺距的滚珠丝杠回转一百万转后，不产生点蚀现象，这个负载成为滚珠丝杠的最大动载荷。
作用在滚珠丝杠上的进给力主要包括上下运动件及成型原料的重力和运动件间摩檫力，其数值大小模拟机床丝杠导轨的计算大小。
对于活塞，牵引力可由下式计算：
Fm=KFx+f?(Fz+G)
式中
Fx
Fz-----重力
N
K-------颠覆力矩影响的实验系数
f?
---------运动件上摩檫系数
G---------移动部件重量
N
由于此设计采用的运动件摩擦较小，所以f?=0.03~0.05，取f?=0.05，
（2）
滚珠丝杠的刚度计算
1
轴向总刚度
????
滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件(如：轴承、支承、螺母座等)的影响。
图3-3
丝杠传动副公式：
1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaL
Rtot---传动系统轴向总刚度（N/μm）
RaL---
支承轴承刚度（N/μm）
Rs---
丝杠刚度（N/μm）
Rnu---
螺母刚度
（N/μm）
Fa
---
轴向负荷
（N）
2
支承刚度
??
支
δ=
Fa/Rtot
δ---
轴向弹性变形量
（μm）
承轴承刚度RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。
RaL=Fa/
δaL
RaL---支承轴承刚度
（N/μm）
Fa
---
轴向负荷
（N）
δaL---
支承轴承弹性变形量（μm）
3
螺母刚度
??
在多数情况下，丝杠刚度Rs
远远小于螺母的刚度Rnu，Rnu一般为Rs的3至5倍。
有预加载荷的螺母刚度
???当检测预紧载荷Fao等同于额定动载荷Ca的10%及轴向载荷F为额定动载荷Ca的30%时，螺母刚度为系列表中刚度值的80%，若预紧载荷Fao不同于额定动载荷Ca的10%时，则刚度计算如下：
Rnu
---
螺母刚度（N/μm）
R
---
系列表中的刚度值（N/μm）
Fao
---
轴向负荷
（N）
Ca
---
系列表中的基本动载荷
δ---
刚度计算系数
δ=0.1
为垫片式预警、
δ=0.05为增大钢球式预警
4
丝杠刚度
???丝杠刚度Rs取决于安装支承的形式。设计采用一端固定支承图3-4
丝杠支撑Rs1---
丝杠刚度（N/μm）
d0
---公称直径（mm）
Ls1
---轴承与螺母的距离（mm）
Dw
---
滚珠直径（mm）
?一般来说丝杠在使用时，1000mm长的丝杠在每上升1oC就有12μm的伸长量，因此即使滚珠丝杠的导程经过高精度的加工，也会因温升而产生变形，使定位精度有所误差，除了选择正确的润滑剂及冷却方式外，还应采用以下措施：
·
机械高速运转升温，达到稳定状态后使用；
·
丝杠安装时施予预拉载荷；
·
使用闭环控制的方式定位。
(3)
滚珠丝杠强度的计算
在计算滚珠丝杠时，首先从工作负载推算出最大动负载，计算时可采用滚珠轴承同样的方法，从《机械零件》得：Q—最大动负载
N
F—工作负载N
L—寿命
（以106位单位）
而寿命L可按下式计算n—滚珠丝杠的转速
r/min
T—使用寿命时间
h
查表得
T=15000h
初步计算导程L0
vmax—活塞最快快进速度
mm/min
vmax
=3600mm/min
nmax—丝杠最大转度r/min
nmax=1500r/min
所以
L0=3600/1500=2.4
初取L0=4mm
得丝杠的转速
=
900
r/min
所以寿命值
考虑到滚珠丝杠在运转中有冲击振动和滚珠丝杠的硬度对其寿命的影响，最大动负载的计算公式为：
Q=·
fw·
fH
·F
fw—运转系数
查表取
fw=1.2（轻微冲击）
fH—硬度系数
查表取
fH=1.0
（滚道实际硬度HRC大于58）
Q=
×1.2×1.0×216.4=2420
N
根据最大动负载的值，选取滚珠丝杠的公称直径d0=16mm,
选用的滚珠丝杠螺母副的型号为SFU1605-4型，其额定动载荷为3390N，符合设计要求。具体参数如下表：型号
滚珠丝杠尺寸
循环×圈数
滚珠直径
螺旋角
动负载
中径
大径
导程
SFU1605-4
16
15.5
4
3×1
1.762
2?33″
3390
表3-1
丝杠设计参数
一般情况下数控机床的导程精度为E级
（4）传动效率的计算
根据《机械原理》，丝杠的传动效率η可按下式计算：
η=
λ—丝杠的螺旋升角
Φ—摩擦角
滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角约为10′，即
tanΦ=f=0.003~0.004。
所以
η==
即滚珠丝杠副效率为96%。
（5）
稳定性的验算
由于丝杠的两端采用的是深沟球轴承和角接触球轴承，此种情况下，丝杠不会发生失稳现象。故不需要稳定性验算。（6）丝杠固定支撑件选择
丝杠选择一端固定，另一端支撑。固定端如下图
图3-5
丝杠固定端支撑端如下：
图3-6
丝杠支撑端3.4齿轮的设计此设计中，齿轮作用只是平稳安全的传递运动转矩，及改变传动方向。故而原则上可选低传动比的任意齿轮配合。
下面就举一例计算，假设设计一对闭式单级直齿圆柱齿轮，传动比
选小齿轮齿数=21，=i=67.2
取=67，传动比
按齿轮弯曲疲劳强度设计
闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，验算接触强度。
查表得K=1.5，取
N.m
由公式可知：
计算端面重合度，则
查表选取可得：；
查表得：
，选
；
按齿面硬度均值51HRC，查得；
取，设计齿轮模数；
将确定后的各项数值代入设计公式，求得：
修正：
查表选取第一系标准模数m=4mm。
齿轮主要几何尺寸：
校核齿面接触疲劳强度：
查表得（按不允许出现点蚀）
按齿面硬度均值51HRC，在MQ和ML线中间查出：
选取：
，；
将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得：
接触强度满足要求。
图3-7
齿轮
3.5步进电机的设计
3.5.1采用步进电机作为送粉缸和成型缸的驱动装置
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成线位移或角位移的控制电动机，由于步进电机的步距角或转速，不受电压波动和负载的影响，不受环境条件（温度，压力，冲击和振动）的限制，仅与脉冲频率同步，能按控制脉冲的要求立即启动，停止，反转或改变转速，它每一转都有固定的步数，在步丢步的情况下运行时，步距误差不会长期积累，并且步进电机与单片机技术相结合，使其优点得到充分发挥，基于这些优点再结合本装置，故采用步进电机。
3.5.2步进电机选择类型
1，类型的选择通常情况下，步进电机分为三种类型:①永磁式步进电动机，它的优点就是功率小；在断电的情况下，有定位转矩。缺点就是步距大，启动频率低。②反应式步进电机。优点在于能做成多相，结构简单，且经久耐用。③永磁感应式步进电机（混合型电机）。具有步距小和较高频率，兼控制功率小的优点，缺点就是结构较为复杂。
基于本装置的要求，提升装置精度高，动态响应快。故通过比较，选择采用混合型步进电机。
2，电机步距角的选择
一般电机的一个步距角对应控制系统定位精度的1/2,由于Z轴的精度要求为：0.01mm,丝杠导程选择为:4mm可初步选择步距角0.9/1.8的步进电机,选择42BYG永磁感应子式步进机
具体参数：
绝缘电阻：500V；DC??
100MΩ；?
绝缘强度：500V?；AC
1
Minute
温?
升：65K；
环境温度：-10~+55℃；
绝缘等级：B?图3-8
电机结构
矩频特性：
图3-9
矩频特性图
电机相数4；
电压2.4v；
电流1.2A；
电阻2?；
电感1.3mH；
静转矩1.2Kg.cm；
长度33mm；宽度40mm；出轴长8mm；轴径8mm。
3.6废料回收缸
废料回收缸为回收铺粉是溢出的粉末材料之用。
回收缸的尺寸为200mm400mm400mm,用螺栓螺母配合，固定于机身上。
3.7铺粉滚筒装置包括铺粉滚筒及其驱动系统，其作用是把粉末材料均匀的铺平在工作缸上。滚筒由钢芯和包裹于外部的塑料组成。上部套在圆形导轨之上，由丝杠传动，实现X方向的进给运动。每次工作时，铺粉筒先运动至右限位，而后退回。
图3-10铺粉滚筒装置
3.8送料工作缸
提供烧结所需的粉末材料。结构设计与成型缸基本相同，因要保证供料充足，所以体积要比成型缸大，高为400mm。
3.9
激光器
提供烧结粉末材料所需的能源。
用于固态粉末烧结的激光器有以下几种
二氧化碳激光器
Nd:YAG激光器
根据应用蜡粉材料，选用二氧化碳激光器
列表如下:表3-2
激光参数
根据2000年所产激光器各项性能指标统计，其购买成本假设15千美元/台；运行成本按每月计算，激光器耗损3千美元/台/月，电力消耗0.05千美元/台/月。
3.10
振镜式动态聚焦扫描系统
振镜式动态聚焦扫描系统由XY扫描头和动态聚焦模块组成。X，Y扫描头上的两个镜子在步进电动机的控制下，把激光束反射到工作面预定的X，Y坐标上。动态聚焦模块通过步进电动机调节Z方向的焦距，使反射到X，Y任意坐标点上的激光束始终聚焦在同一平面上。动态聚焦扫描系统和激光器的控制始终是同步的。具体结构如图
图3-11
振镜式动态聚焦扫描系统
扫描工作台的X方向运动由直径16mm的丝杠驱动，而运动支撑有两个圆柱导轨完成，运行导轨直径20mm。驱动丝杠的电机选用57BYG503型，静转矩可达12kg.cm。扫描工作台的Y方向运动由直径12mm的丝杠驱动，由直径20mm的单圆柱导轨支撑。驱动丝杠电机选用57BYG303型步进电机，静转矩7.0kg.cm。
双圆柱导轨的结构特点：
1）圆柱面既是导向面，又是支撑面，结构简单，便于采用淬火钢，延长导轨寿命，减少磨擦力。
2）圆柱导轨在两端支撑上刚性较差，选用用较大的直径，导向面较大时精度稳定。
3.11
机身与机壳
机身，机壳给整个快速成型系统提供机械支撑和所需的工作环境。
总
结
通过本学期的毕业设计，我较全面地掌握了快速成型中激光烧结技术的工作的原理和机械设计。在进行SLS设计时，我受益匪浅，想想这四年的学习。能在这次毕业设计中体现出来，实属高兴，本次设计，我觉得我得到了这些收获：
1很好的重温了三年的专业知识。
2自己动手去学习CAD等软件，完成了制图工作
3
去图书馆查阅相关资料，完成自己的毕业设计，使我明白，知识的积累需要自己通过实践，才能得到。
其实，在这次设计中，得到的远不止这些，碍于篇幅，就不在叙述，我相信，这次的毕业设计，给我一生都是受益匪浅的。
致
谢
在毕业设计期间，我敬爱的导师XX老师以其极为丰富的理论和实践经验，严禁的治学态度以及和蔼的处事方式，给了我很大的帮助。本论文的研究和撰写更是在XX老师的悉心指导下完成的。周老师在学业上要求严格，认真指导，在生活上给予我很多热情的关怀和鼓励。在此我真诚地献给他我最由衷的感谢!
在论文撰写以及本课题的研究过程中，我还得到了本专业同学热心的帮助，对他们在课题调研期间无微不至的照顾和帮助表示诚挚的感谢。
感谢各位评审专家对本论文进行了审阅，并指正了论文中的错误和不足，
在此，向毕业设计期间曾经对我学习，生活等给于帮助过的领导，老师，同学和朋友表示最真挚的谢意！
此外，我还衷心感谢给予我积极的人生观和生存技能，并培育教育我的四年的母校！向母校致敬！
参考文献
[1]安琦,顾大强.机械设计[M].北京：科学出版社，2008
[2]赵丁选.光机电一体化设计使用手册[M].北京：化学工业出版社，2003
[3]王至尧.特种加工成形手册[M].北京：化学工业出版社，2009
[4]王运赣，王宣.三维打印技[M].武汉：华中科技大学出版社，2013
[5]张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2012
[6]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006
[7]赵又红,周知进.机械设计课程设计指导[M].长沙：中南大学出版社，2011
[8]沈鸿.机械工程设计手册[M].北京：机械工业出版社，1982
[9]欧阳鸿武，陈欣等.特种粉末选择性激光烧结快速成型技术[J].粉末冶金材料科学与工程,2007.2
[10]潘琰峰，沈以赴，顾东东，等.选择性激光烧结技术的发展现状[J].工具技术，2004，38（2）：
3-7
[11]杨军慧，党新安，杨立军.选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设[J].机床与液
压.2010,1001-3881
附
录
英文翻译：选择性激光烧结温度场的数值模拟
张坚
李云健等华东交通大学
运载工具与装备国家教育部重点实验室
摘要：金属混合粉末钨铜的激光烧结过程是通过ANSYS有限元软件模拟的，其中温度场下有辐射，对流和热物理参数这些因素做为模拟条件。在一些文献中研究表明激光功率和扫描速度等这些关键参数直接影响烧结成型。研究显示当扫描速度恒定时，随着激光功率的增加烧结深度会增加，相反，当激光功率恒定时，随着扫描速度的增加而烧结深度会有所下降。在烧结深度中选择合理的加工过程参数来满足烧结质量的要求，结合烧结的深度合理的利用烧结功率和扫描速度的参数。
关键词：选择性激光烧结
数字模拟
温度场
烧结深度1
引言
钨铜混合材料，一种典型的二阶段伪合金，它具有良好的导电性，铜的热传导性和高熔点和钨的高硬度。它被用作电接触，电极材料，特殊用途的军用物资（例如火箭的喷嘴），还有高气密性包装的CPU散热器衬底和固态微波炉等等，因此，钨铜混合材料已经广泛应用于工业和军用。
选择性激光烧结技术，是最近研究的一个热点课题，它能够从3DCAD软件中
，直接制造金属模型或者较复杂形状的部分原型，去得到应有的功能来满足要求。SLS有望获得高密度的钨铜合金和得到其他加工方法很难完成的具有复杂状的零件。本篇论文，主要是讲通过有限元ANSYS软件数字模拟钨铜合金粉末在温度场中的分布，分析激光功率和扫描速度对烧结深度的影响。由烧结深度选择合理的工艺参数，对钨铜合金粉末的的烧结成型具有重大的意义.
2建立模型
2.1建立数学模型
熔池在周围的空气和SLS粉床上产生热变化，这个导热性由下面的等式表达：
代表有效的热传导粉末系数：
代表压实粉末密度；
C代表材料的热热量；
代表分散的热空气：
激光能量密度。假设烧结之前是均匀分布的最初的温度设为T0，开始的显示条件如下所示：
为了简化计算，假设在衬底的底部没有热量的损失，在SLS中，热的损失是有传导和辐射造成的，边界条件显示如下：
代表有效的热传导粉末系数；
h代表热传导系数；
T代表金属粉末在某一刻的温度；
Stefan-bdtzmann固定值；
代表初始温度；
代表实际对象的热辐射系数。
2.3
物理模型的建立
为了简化烧结模型和计算时间，在下面建立有限元模型，混合粉末由钨和铜以一定的比例混合。网格为3.4mm×1.6mm×0.3mm.在激光烧结空间和热的影响区域和减少时间上为了确保足够的网的密度，不同的网的尺寸能够用于衬底和烧结层。烧结层最小的厚度为0.1mm.然而衬底的网是最大的。
下面的图2中显示在激光的高斯分布，激光能量的中心是最高的，激光能量随着远离中心点而连续降低。将激光点分成4×4，则1，2，3所对应的衰变系数分别为0.8359552，0.5226424，0.3267576.
图1
图2
在烧结过程中，激光能量遵从高斯分布：
q代表激光能量密度;
P代表激光能量；
A是激光到粉床的激光吸收比率；
r代表粉床上的一个点到激光中心的距离;
W是激光点的半径。
3
结果和分析
粉末是有钨和铜以一定比例混合的，融化温度分别是3380°和1083°。下面的表格1和图3显示了其他的。
工艺参数假设为直径为0.4mm,扫描空间是0.3mm,粉末厚度是0.1mm,空气传导系数是10，粉床的有效辐射系数为0.8。
表1
图3
图4显示了池深度的有效扫描速度，有图可见，当激光功率是固定值时，烧结深度随着扫描速度的增加而减少，在v=0.12m/s时，烧结深度为0.29mm，然而在v=0.02m/s时，烧结深度为0.076mm.原因是因为当激光功率固定时，扫描速度的增加，输入的激光能量会减少，同时，能量在粉末粒子停留的时间就就较少，特别是在高的扫描速度下，在能量和粉末粒子之间持续时间是极短的，甚至粉末粒子不能够融化，因为能量转换到粉末粒子周围没有足够的时间，但是在低的扫描速度下，温度提升很容易导致巨大的累积效果和比较大的温度梯度。
图5显示了粉池中激光功率的影响，正如图所见，当扫描速度固定时，烧结深度在提高随着烧结功率的提高。在p=195w时，烧结深度仅仅是0.08mm,p=235w时烧结深度是增加到0.21mm.原因是扫描速度是固定的，而激光功率的提高，输出能量密度也在提高，但是过多的激光功率会使温度太高以至于粉末烧结层有巨大的收缩，这很容易导致工件的翘曲和开裂。
图4
粉池中扫描速度的影响
图5
粉池中激光功率的影响
激光功率和扫描速度是直接影响烧结成型的关键参数，较高的扫描速度不仅仅能有效地抑制熔池的扩张和“溅”的现象，而且能提高形成效率。合理的激光功率不仅仅能确保更好的层的粘接，而且也可以减少烧结层的收缩和翘曲。
烧结深度必须大于粉层的厚度，目的在于穿透当前的粉末层时确保相邻的粉层更好的粘结。否则，相邻的粉层将会分开，获得的粉池中零件的强度和形成的准确性，甚至在形成过程中都不能实现。图6显示了在一个特定的激光功率和扫描速度下，不同时间下Z方向的温度分布。正如图所示，在t=0.05875s时，0.1mm的温度是明显高于铜的融化点（1356K），它暗示了烧结深度大于粉层厚度，同样地，烧结深度在t=0.11125s是0.14mm，在t=0.211125是0.19mm,所以粉末厚度低于烧结深度，在当前工艺参数下，相邻的结合点在第一层和底层是最强的，而且冶金的结合层也是比较好的。
SLS的3D部分完成线的表面和层的重叠，通过烧结形成的固体结构应该满足下面的2个条件。
1，覆盖程度的能量应该要求在扫描光束之间，也就是说，在一个确定的功率密度下，扫描速度不能太高，，以确保有足够的功率输入使粉末层在当前层粘接在一起，而且没有散粉的情况下，形成2D的表面结构，
2，粉末厚度要低于烧结深度，也就是说，烧结功率应该确保在穿透当前层时使相邻的层更好的粘结，这样就能更好的形成3D的立体结构。
图6
不同时间Z方向的温度分布（1-t1=0.05875s,
2-t2=0.11125s,
3-t3=0.21125s)
4
总结1，当扫描速度固定时，随着激光功率的提高烧结深度也会提高，另外，当激光功率固定时，随着扫描速度的增加烧结深度会下降。
2，选择合理的工艺参数且在烧结深度下满足烧结质量的要求，通过分析烧结深度，合理利用烧结功率和扫描速度。
选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计毕业设计 本文关键词：烧结，毕业设计，选择性，成型，激光
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选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计毕业设计》
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