分段堆積雕銑成形工藝中材料擠出的應用

分段堆積雕銑成形工藝中材料擠出的應用

0自動擠出自動成型工藝方法的提出分段積累和雕刻雕塑是一種將積累形成與傳統(tǒng)cnc加工相結合的復合形成方法。同時，它具有積極延進的柔軟度和傳統(tǒng)形成的精度。其在宏觀上(工件整體角度)采用了堆積成形的概念,微觀上(每一段內)的具體實現(xiàn)上則是應用傳統(tǒng)的去除材料的加工方法,是對典型快速成形工藝中采用的分層處理與材料層片添加成形方法的一個突破。分段堆積/雕銑成形是通過兩種方式來實現(xiàn)的。其一是直接加工;其二,對于刀具干涉結構采用先在支撐材料上加工復制腔體,再澆注零件材料,通過“復制”過程獲得干涉結構的實體部分。本文提出的工藝方法,可以通過三軸數(shù)控雕銑機床實現(xiàn)對任意復雜結構的零件加工成形。由于是三維加工,避免了傳統(tǒng)快速成形工藝的“臺階”效應,工件的表面質量可以達到傳統(tǒng)機械加工的水平。其成形原理如圖1所示。由此可見,實現(xiàn)該工藝的自動成形過程,首先必須解決兩種材料——零件材料和支撐材料的自動擠出問題。材料擠出過程中牽涉的一些難點問題,如擠出量和擠出軌跡的精確控制等,尚未得到很好的解決,嚴重制約該項技術實用化程度的提高。本文在充分分析該工藝的特點基礎上,自主設計開發(fā)了一套用于支撐材料——高性能蠟的自動擠出裝置。實驗結果表明,該裝置設計方案正確,使用效果良好。1擠出裝置方案設計首先應考慮的問題:(1)高聚物(蠟)的特性。高性能蠟為晶體結構,熔融溫度范圍為110～140℃,熔融后粘度低,流動性好。(2)自動擠出裝置用途。①用于小型精密零件的加工;②集成在一臺雕刻機的主軸箱上;③精確控制每次擠出量;④實現(xiàn)溫度的精確控制。基于以上幾條因素的考慮,確定設計該擠出裝置的總體方案:(1)擠壓系統(tǒng)。蠟為熱塑性材料,可反復加熱使用,采用單螺桿擠出,能夠保證流動的平穩(wěn)性和對流量的精確控制。(2)加料系統(tǒng)。普通的塑料擠出機原料為塑料顆粒,而高性能蠟的原料為塊狀,若用專門機械造粒將使工藝復雜化,且裝置為小型,不適于傳統(tǒng)的塑料擠出模式。本裝置采用蠟料先熔融再送入螺桿的方案,故不考慮蠟料輸送過程中的塑化問題。(3)傳動系統(tǒng)。采用步進電機作為動力源,直接與螺桿聯(lián)接,結構緊湊,控制系統(tǒng)也相對簡單。(4)加熱溫控系統(tǒng)。包括熔融蠟的加熱系統(tǒng)和機筒段的加熱系統(tǒng),考慮采用加熱棒和加熱圈加熱。而溫度控制可采用精度較高的PID控制。(5)螺桿轉速控制系統(tǒng)。包括步進電機、驅動器,由PC機編程產生脈沖信號,驅動步進電機轉動,通過改變脈沖頻率改變其轉速。2自動過載設計2.1壓迫系統(tǒng)的設計2.1.1螺釘設計(1)螺母形狀選擇選用等距漸變螺桿,由于進料已經是熔融態(tài)的蠟,所以只需保留熔融段。(2)螺紋的初始尺寸螺桿直徑D:根據(jù)前期實驗得到的高性能蠟的固化時間,確定蠟料擠出流量,再由生產能力的經驗公式:Q=βD3n,計算得出螺桿直徑D=15mm,考慮裝置的小型化,以及該公式為塑料擠出的經驗公式,對于熔融態(tài)蠟,其計算值偏大,故修正為D=14mm。長徑比L/Ds:加料為熔融態(tài)蠟,不需要大的長徑比,取Ds=8,設計中可依實際情況修正。螺紋升角ψ:使導程=直徑,取ψ=18°。壓縮比i:保證擠出口處有足夠壓力,取i=2。螺槽深度H:加料為熔融態(tài)蠟,且流動性好,即使采用較深的螺槽,螺桿也足以滿足強度和剛度要求,并能夠增大輸送量,故取螺桿始端螺槽深度Hmin=3mm,根據(jù)壓縮比i=2,計算出末端螺槽深度Hmax=1.5mm。螺紋斷面形狀:蠟的流動性好,為便于螺桿加工,選用矩形截面螺紋,各參數(shù)確定如下:R=0.5mm,r=0.5mm,r1=r2=0.2mm,e=3mm。螺桿頭部結構:由于蠟被擠出后為自由沉積,不需進入口模成型,故對蠟的流動平穩(wěn)性要求不高,不采用分流板,且錐角取90°。2.1.2主缸設計(1)名稱：選擇機械結構類型因為螺桿長度不大,故采用整體式機筒,加工方便,同時能夠保證裝配精度和加熱的均勻性。(2)連接管道和出口頭的方法考慮該裝置為小型實驗裝置,擠出頭需經常裝拆,故選用自制冕形螺母連接。2.1.3化學腐蝕嚴重考慮螺桿和機筒的工作狀況,溫度為140℃左右,壓力不高,扭矩不大,可能有輕微刮磨,無化學腐蝕。所以采用40Cr作為螺桿和機筒的材料,完全能夠滿足各方面性能要求。2.2u3000生態(tài)該裝置為實驗用小型裝置,加熱筒的體積為400mL。蠟料在加熱筒中受熱熔融成液相,在重力作用下液態(tài)蠟料流入擠出系統(tǒng),實現(xiàn)加料。加熱筒底部錐角取90°。2.3給排水設計2.3.1驅動功率及傳動扭矩該裝置擠出系統(tǒng)有別于標準擠出機的輸送方式,故不能采用經驗公式計算其工作特性,估算其驅動功率P<100W,再由公式M=P/n計算其傳動扭矩M<2N·m。轉速要求:nmin=20r/min,nmax=200r/min,調速范圍nmin/nmax=1∶10,調速方式采用步進電機直接調速,電機軸與螺桿用半圓鍵聯(lián)接。2.3.2自潤滑軸承的選用軸承布置形式采用止推軸承位于兩個徑向軸承之間,這樣,簡化結構設計,便于軸承拆裝。另外,徑向軸承選用封閉的自潤滑球軸承,對中間的止推軸承也起到密封和保護作用。軸承型號如下:徑向軸承選用滾動軸承6204,止推軸承選用滾動軸承51204(校核計算略)。至此,裝置的螺桿擠出單元設計完畢,整個擠出裝置裝配圖、三維分解圖和實物照片見圖3。2.4螺母螺旋壓力計的設計2.4.1光催化機電設計根據(jù)前文對裝置工作特性的分析,選用北京斯達特機電科技發(fā)展有限公司的86BYG250B型步進電機,以及與其配套的SH-2H090M型驅動器。其相關數(shù)據(jù)見表1和表2。SH-2H090M型驅動器的輸入信號共有三路:步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE。它們在驅動器內部分別通過270Ω的限流電阻接入光耦的負輸入端,且電路形式相同,見圖4。OPTO端為三路信號的公共正端,三路信號輸入信號在驅動器內部接成共陽方式,所以OPTO端須接外部系統(tǒng)的VCC,如果VCC是+5V則可直接接入,給驅動器內部光耦提供8～15mA的驅動電流。步進脈沖信號CP用于控制步進電機的位置和速度,驅動器每接受一個CP脈沖就驅動步進電機旋轉一個步距角,CP脈沖的頻率改變則同時使步進電機的轉速改變,控制CP脈沖的個數(shù),則可以使步進電機精確定位。本驅動器的CP信號為低電平有效,要求CP信號的驅動電流為8～15mA,對CP的脈沖寬度也有一定的要求,一般不小于5μs,見圖5。換向電平信號DIR用于控制步進電機的旋轉方向。此端為高電平和低電平時,電機分別為不同的兩個轉向。電機換向必須在電機停止后再進行,并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后,以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出,見圖6。脫機電平信號FREE:當此信號起作用時(低電平有效),電機處于自由無力矩狀態(tài);當此信號為高電平或懸空不接時,取消脫機狀態(tài)。2.4.2機構控制裝置直接利用計算機內部電源為驅動器OPTO端提供+5V的電壓,用VC對計算機打印機端口編程,控制驅動器的步進脈沖信號CP和換向電平信號DIR,進而改變步進電機的轉速和轉向,圖7為接線示意圖。參數(shù)設置通過WINDOWS界面完成,以便今后整個數(shù)控加工系統(tǒng)的集成。程序界面和流程圖分別如圖8和圖9所示。2.5加熱溫度系統(tǒng)的設計2.5.1塑化加熱作用該裝置不同于一般的塑料擠出機,其蠟的熔化所需熱量絕大部分來源于外部加熱,蠟料輸送中的塑化加熱作用不明顯。由于加熱筒容積小,熱量分配時,只有少部分熱量被蠟料帶走,大部分熱量通過筒身和冷卻系統(tǒng)散失。因此,該系統(tǒng)的熱量來源和分配及其比例關系可用下式表示:H外熱(絕大部分)+H內熱(極少)=H蠟(小部分)+H損失(大部分)2.5.2系統(tǒng)加熱方法采用電阻加熱,其外型尺寸小,重量輕,拆裝方便。在加熱筒的四角鉆孔,放置四根加熱棒,在機筒外則用兩段加熱圈加熱。2.5.3熱壓法設置油氣壓推廣位置為防止加熱筒多余的熱量通過傳動機構傳遞給電機,造成電機過熱,有必要設計絕熱冷卻系統(tǒng)。主要是在加熱筒與傳動機構之間設置絕熱蓋板,其材料選用隔熱性能好且耐高溫的聚四氟乙烯。但如果加熱時間超過1h,絕熱蓋板將失去隔熱作用。因此有必要增加水冷系統(tǒng),具體方法是在軸承座表面車出螺旋溝槽,纏上冷卻水管,用小功率水泵輸水冷卻。2.5.4溫度采集元件的控制蠟的熔融溫度和擠出溫度需分別控制,故采用兩套溫控系統(tǒng)。在加熱筒壁和擠出頭兩處分別放置熱電偶作為溫度采集元件。要保證熱電偶放置的深度,以精確測量物料的溫度。示溫部分采用數(shù)字顯示儀,溫控調節(jié)采用精確的PID控制,功率調節(jié)采用PWM控制。溫控系統(tǒng)原理圖和溫控箱實物圖見圖10和圖11。3高效的實驗結果經過一段時間的使用證明,該裝置達到了預期的設