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三維打印機耗材專用擠出機設計 摘 要 三維打印即快速成形技術的一種 它是一種數(shù)字模型文件為基礎 運用粉末狀 金屬或塑料等可粘合材料 通過逐層打印的方式來構造物體的技術 三維打印機用 到的耗材 如塑料等 需要用到擠出機 本課題針對該擠出機進行設計 本次設計的三維打印專用耗材擠出機采用單螺桿擠出機 單螺桿擠出機主要由 傳動系統(tǒng) 加料系統(tǒng) 擠壓系統(tǒng) 加熱冷卻系統(tǒng) 控制系統(tǒng)和機架等幾部分組成 本文首先分析了單螺桿擠出機的工作原理及技術參數(shù) 接著對擠出機擠壓系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)等進行了詳細設計與校核 最后使用 CAD 二維軟件繪制了擠出機的裝配圖 和主要零件圖并采用 Solidworks 三維軟件設計了擠出機的三維模型 關鍵詞 擠出機 螺桿 齒輪 CAD Solidworks Abstract Forming a three dimensional printing technique that is rapid which is a digital model as a base using a powdered metal or plastic materials may be bonded by way of the printed layer by layer technology to construct the object 3D printer used supplies such as plastic etc need to use the extruder the topic for the extruder design The special design of 3D printing supplies extruder using a single screw extruder single screw extruder mainly by the transmission system feeding system extrusion systems heating and cooling systems control systems and a framework of several parts This paper analyzes the working principle and technical parameters of a single screw extruder and then on the extruder extrusion system transmission system such as a detailed design and verification finally using a two dimensional CAD software to draw a diagram of the extruder assembly and major parts drawing and three dimensional software design using Solidworks three dimensional model of the extruder Keywords Extruder Screw Gear CAD Solidworks 三維打印機耗材專用擠出機設計 目 錄 摘要 I ABSTRACT I 第一章 緒 論 5 1 1 課題背景 5 1 2 擠出機概述 5 1 2 1 擠出成型工藝流程 5 1 2 2 擠出機主要裝置 6 1 3 擠出機的工作原理 6 1 3 1 擠出機的分類 6 1 3 2 單螺桿擠出機的結構 7 1 3 3 單螺桿擠出機工作原理 8 第二章 擠壓系統(tǒng)的設計 9 2 1 螺桿主要參數(shù)計算 9 2 1 1 螺桿長徑比的確定 9 2 1 2 螺桿轉速的確定 9 2 1 3 擠出機產量的確定 9 2 1 4 擠出機功率的確定 10 2 1 5 螺桿螺紋的設計 10 2 2 機筒的設計 11 2 2 1 機筒結構類型 11 2 2 2 加料口的設計 11 2 2 3 機筒與機頭的聯(lián)結方式 12 2 2 4 螺桿與料筒的間隙 12 2 3 螺桿與機筒材料的選擇及校核 12 2 3 1 材料的選擇 12 2 3 2 螺桿強度校核 12 2 3 3 機筒強度校核 14 第三章 傳動系統(tǒng)的設計 15 3 1 確定各級效率 15 3 2 分配傳動比 15 三維打印機耗材專用擠出機設計 3 2 1 總傳動比 15 3 2 2 各級傳動比的粗略分配 15 3 3 各軸功率 轉速和轉矩的計算 15 3 3 1 0 軸 電動機軸 16 3 3 2 軸 減速器高速軸 16 3 3 3 軸 減速器中間軸 16 3 3 4 軸 減速器低速軸 16 3 4 減速器高速級齒輪的設計計算 17 3 4 1 材料的選擇 17 3 4 2 按齒面接觸強度確定中心距 17 3 4 3 驗算齒面接觸疲勞強度 19 3 4 4 驗算齒根彎曲疲勞強度 20 3 4 5 齒輪的主要幾何參數(shù) 21 3 5 減速器低速級齒輪的設計計算 21 3 5 1 材料的選擇 21 3 5 2 按齒面接觸強度確定中心距 22 3 5 3 驗算齒面接觸疲勞強度 23 3 5 4 驗算齒根彎曲疲勞強度 24 3 5 5 低速級齒輪主要參數(shù) 25 3 6 軸的設計計算 26 3 6 1 高速軸的設計 26 3 6 2 中間軸的設計 26 3 6 3 低速軸的設計計算 26 3 7 軸的強度校核 26 3 7 1 低速軸校核 26 3 7 2 作彎矩圖 27 3 7 3 精確校核軸的疲勞強度 29 3 7 4 中間軸校核 30 3 8 滾動軸承的選擇及其壽命驗算 34 3 8 1 低速軸軸承 34 3 8 2 高速軸軸承 35 3 9 鍵聯(lián)接的選擇和驗算 37 3 9 1 中間軸上鍵的選擇 37 3 9 2 低速軸上鍵的選擇與驗算 38 三維打印機耗材專用擠出機設計 第四章 擠出機輔助零件的設計 39 4 1 聯(lián)軸器的選擇 39 4 2 推力軸承的選擇及校核 39 4 2 1 軸承的選擇 39 4 2 2 軸承的校核 39 4 3 花鍵的選擇及校核 39 4 3 1 花鍵的選擇 39 4 3 2 花鍵擠壓強度校核 39 4 4 減速器的潤滑及密封形式選擇 40 總 結 41 參考文獻 42 致 謝 43 三維打印機耗材專用擠出機設計 第一章 緒 論 1 1 課題背景 三維打印 3D Printing 即快速成形技術的一種 它是一種數(shù)字模型文件為基 礎 運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料 通過逐層打印的方式來構造物體的技術 過去其常在模具制造 工業(yè)設計等領域被用于制造模型 現(xiàn)正逐漸用于一些產品的 直接制造 特別是一些高價值應用 比如髖關節(jié)或牙齒 或一些飛機零部件 已經 有使用這種技術打印而成的零部件 三維打印 意味著這項技術的普及 三維打印機不僅使立體物品的造價降低 且激發(fā)了人們的想象力 未來三維打 印機的應用將會更加廣泛 3D 打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具 就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件 從而極大地縮短產品的研制周期 提高生產率和降低生產成本 這項技術目前正迅猛發(fā)展 已越來越引起人們的廣泛重 視 隨著技術的進步 現(xiàn)在 3D 打印機在電影動漫 氣象 教育 外科醫(yī)療等領域 都能發(fā)揮獨特的作用 在教育領域 3D 打印機能夠將抽象概念帶入現(xiàn)實世界 將 學生的構思轉變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸嵙Ⅲw彩色模型 令教學更為生動 在建 筑領域 3D 打印機能夠為曲面異形建筑的重要精密構件快速制作精確模型 實現(xiàn) 傳統(tǒng)建筑模型制作無法達到的工藝水平 在工業(yè)生產領域 3D 打印機可以為金屬 鑄件直接打印模型 模型插件和圖案 在地理空間領域 3D 打印機可以輕松將 GIS 數(shù)據(jù)轉化為三維地形及城市景觀模型或沙盤 而在娛樂藝術領域 3D 打印機還可 根據(jù)電子游戲 三維動畫以及其他創(chuàng)作產生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像 1 2 擠出機概述 1 2 1 擠出成型工藝流程 擠出成型是橡膠工業(yè)的基本加工工藝之一 它是指利用擠出機及其輔機 使膠 料在螺桿的推動下 連續(xù)不斷地向前運動 再借助于口型擠出各種所需形狀的半成 品 然后由特定的輔機配合 來完成擠出成型或其他作業(yè)的工藝過程 擠出成型工 藝的優(yōu)點主要是操作簡單 經濟 半成品質地均勻 致密 容易變換規(guī)格和斷面形 狀 設備占地面積小 結構簡單 造價低 靈活機動性大 生產能力大 且能連續(xù) 操作 塑料板的擠出成型可用聚氯乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚碳酸酯 ABS 聚偏氟 乙烯和聚苯乙烯等樹脂 其生產工藝順序如圖一 原料混合 擠出機造粒 擠出機塑化成型 三輥壓光 冷卻輸送 切邊 按聚氯乙烯板制品用配方選料計 量 牽引 切割 質量檢查 入庫 圖 三維打印機耗材專用擠出機設計 PVC U 異型材的生產工藝路線主要分為單螺桿擠出機成型工藝和雙螺桿擠出機 成型工藝 單螺桿擠出成型工藝適用于小批量 小規(guī)格異型材生產及裝飾型材生產 其塑 料板擠出機成型設備生產線如圖二 圖二 塑料板擠出生產線 1 擠出機 2 成型模具 3 三輥壓光機 4 冷卻輸送輥組 5 切邊裝置 6 牽引裝置 7 切斷機 8 制品檢查堆放平臺 1 2 2 擠出機主要裝置 1 擠出成型裝置 擠出機與成型模具 它是制件成型的主要部件 熔融塑料通過它獲得一定的幾 何截面和尺寸 本設計將主要針對擠出機的工作原理進行分析研究 2 冷卻定型裝置 該裝置包括真空定型和水冷卻兩部分 當溫度為 190 左右 PVC U 熔融型坯 從機頭口模出口后 立即進入冷卻定型模 模內抽真空 使型材外壁和定型模具表 面貼緊 并用水通過定型套進行冷卻定型 對真空吸附要求吸附力大而且均勻 定 型套分型要求密封性好 特別是在筋與棱角處吸附要好 以保證型材外觀和尺寸精 度及表觀質量 3 牽引裝置 異型材擠出型坯進入定型套后 由于真空吸附力和摩擦力作用 必須配置牽引 力牽伸 才能保證正常擠出 同時也保證型材壁厚 尺寸公差 性能及外觀要求 使型材擠出速度和牽引速度相匹配 門窗異型材生產中通常采用履帶式牽引機 其 夾緊面較寬 型材受力均勻 牽引速度穩(wěn)定 4 切割與翻轉裝置 為使擠出異型材滿足運輸 儲存和裝配要求 需將型材切割成一定長度 這里選 用的是行走式圓鋸 翻轉裝置主要作用是支承制品 使制品定向 保證制品平直并 將其堆積成垛 這里選用的是采用氣動翻板式 制品切割后自動進入托架 三維打印機耗材專用擠出機設計 1 3 擠出機的工作原理 1 3 1 擠出機的分類 隨著塑料擠出機成型工藝的廣泛應用和發(fā)展 塑料擠出機的類型日益增多 分 類方法也不一致 按螺桿的空間位置可分為臥式和立式擠出機 按螺桿的轉速又可 分為普通擠出機 高速和超速擠出機 按螺桿的數(shù)量來分 分為無螺桿擠出機 單 螺桿擠出機 雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機等 目前 我們主要研究的是單螺桿擠出機和它的結構特點以及它的工作原理 1 3 2 單螺桿擠出機的結構 單螺桿擠出機主要由傳動系統(tǒng) 加料系統(tǒng) 擠壓系統(tǒng) 加熱冷卻系統(tǒng) 控制系 統(tǒng)和機架等幾部分組成 其基本結構如圖三所示 圖三 單螺桿擠出機基本結構 1 機頭聯(lián)接板 2 分流板 3 冷卻器 4 加熱器 5 螺桿 6 機筒 7 液壓泵 8 測速電機 9 止推軸承 10 料斗 11 減速機 12 冷卻管 1 傳動系統(tǒng)由驅動電機 減速機 8 止推軸承 9 等組成 其作用是驅動螺桿 5 旋轉 為螺桿 5 旋轉提供所需的扭距和轉速 承受螺桿軸向力 2 加料系統(tǒng)由料斗 10 加料斗座等組成 料斗用于儲存一定量的塑料 加料 斗座除支撐斗外 還在機筒 6 和減速機之間起連接作用 3 擠壓系統(tǒng)由螺桿 5 機筒 6 等組成 是擠出機工作的 心臟 部分 完成對塑 料的連續(xù)輸送 塑化 均化 定壓定量擠出 4 加熱冷卻系統(tǒng)由加熱器 4 冷卻器 3 冷卻管 12 等組成 以保證擠壓系統(tǒng)中 的塑料能夠在一定工藝要求的溫度范圍內完成塑化和均化 三維打印機耗材專用擠出機設計 5 控制系統(tǒng)由電控柜 檢測元件 儀器 電氣元器件及其他電器裝置等組成 實現(xiàn)對擠出機的運轉及工藝條件的測控 1 3 3 單螺桿擠出機工作原理 當擠壓系統(tǒng)加熱到給定工藝溫度并保溫一定時間后 啟動電機 通過減速機提 供給螺桿所需的扭矩和轉速 料斗中的塑料在自重或加料器推力的作用下 由加料 口進入螺槽 隨著螺桿的旋轉 塑料在與機筒螺桿摩擦力的作用下被向前輸送 物料在擠壓系統(tǒng)中的形態(tài)變化 如圖四所示 塑料自料口進入螺桿后 在旋轉 著的螺桿作用下 通過料筒內壁和螺桿表 面的摩擦作用向前輸送 在成型過程中 物料以粉狀或顆粒狀從料斗加入至擠出機 后 要完成輸送 壓實 壓縮 熔融塑化 均化成均勻融體的過程 在螺桿加料段 松散的固體粒料 或料末 充滿螺槽 隨 著物料的不斷輸送 物料開始被壓實 當 物料進入壓縮段后 由于螺桿螺槽深度逐 漸變淺以及機頭的阻力 使塑料逐漸形成 高壓 并進一步被壓實與此同時 在料筒外加熱以及螺桿與料筒內表面對物料的強 烈攪拌 混合和剪切摩擦所產生的內摩擦剪切熱的作用下 塑料溫度不斷升高 與 料筒相接觸的某一點 塑料溫度到達熔點 開始熔融 隨著物料的輸送 繼續(xù)加熱 熔融的物料量逐漸增多 而未熔融物料量相應減少 大約在壓縮段的結束處 全部 物料都轉變黏流態(tài) 但這時各點溫度尚未均勻 經過均化段的均化作用就比較均勻 了 最后螺桿將熔融物料定量 定壓 定溫地擠入到機頭 機頭中口模是個成型部 件 物料通過它而獲得一定截面的幾何形狀和尺寸 再經過冷卻定型和其它工序 就可得到成型好的制品 圖 四 三維打印機耗材專用擠出機設計 第二章 擠壓系統(tǒng)的設計 2 1 螺桿主要參數(shù)計算 2 1 1 螺桿長徑比的確定 查閱三維打印機產品手冊可知目前的三維打印機對塑料的使用量通常在 5 50Kg h 參照下表擠出機規(guī)格參數(shù)選定螺桿直徑 D 45mm 對于不同塑料所采用 的長徑比不同 一般在 15 25 不等 L D 過小對塑料的混合和塑化都不利 L D 大 的螺桿適應性強 適合多種塑料的擠出 但過大熱敏性塑料會因受熱時間太長而出 現(xiàn)分解 所以 取 L D 25 2 1 2 螺桿轉速的確定 因為螺桿的轉速越高產量也越大 但過高的轉速并不能提高產量 反而會使物 料在機筒內產生膠燒 根據(jù)物料被螺桿帶動旋轉的離心力與其重力相等的條件來確 定 1 2 Dn42 臨 界 cmr in螺 桿 直 徑 螺 桿 臨 界 轉 速 臨 界 螺桿轉速 r min91 3 8 42 70 n 根據(jù)大徑選大值 小徑取小值 取 n 80r min 三維打印機耗材專用擠出機設計 2 1 3 擠出機產量的確定 根據(jù)螺桿的轉速 按經驗公式來計算擠出機的產量 1 3 nDQ 3 計 算 系 數(shù) 07 3 cm螺 桿 直 徑 r in螺 桿 轉 速 nhKg 87 2105 43 0 2 1 4 擠出機功率的確定 本擠出機的功率按冷喂料來設計 1 4 nDkN2 N 擠出機功率 KW k 計算系數(shù) 0354 k D 螺桿直徑 cm n 螺桿轉速 r min 85 403 2 KW7 根據(jù)表 4 2 9 確定各部分的效率 彈性聯(lián)軸器效率 9 01 滾動軸承效率 8軸 承 齒輪傳動效率 7 齒 輪 則傳動總效率 3軸 承 2齒 輪 1 87 09 7 098 KWN54635電 機 查表選 Y160M 6 型步進電機 額定功率 7 5KW 同步轉速 1000r min 額定轉速 970r min 效率 90 8 2 1 5 螺桿螺紋的設計 1 本設計采用等距不等深螺桿 螺紋槽深度由進料段逐漸變淺 螺桿螺紋部分的分段 對于結晶型物料聚乙烯 聚丙烯等 按如下經驗公式計算 L 25 45 1125mm 加料段 40 60 L 450 675 mm 取 mL501 三維打印機耗材專用擠出機設計 塑化段 3 5 D 135 225 mm 取 mL20 均化段 30 45 L 337 5 506 mm 取 43 2 目前市場上常用的單螺桿擠出機的壓縮比范圍為 2 5 按經驗 是一個漸變值 mDh5 41 0 2h0 3h 取加料段螺紋槽深 均化段螺紋槽深 7 9 06 61 mh3 對于等距不等深螺紋 若螺紋棱寬相等 則壓縮比 31 3 取螺紋距與螺桿直徑相等 t45 按公式 1 5 tan Dt 9317 Drcg 則螺桿的螺紋升角為 9317 4 螺紋棱寬按經驗公式 me5 4 0 則螺棱頂部螺槽法向寬度 1 6 itW cos 導程 螺紋距 螺紋頭數(shù) 單頭螺紋 i 1 i e 螺棱頂部法向寬度 m4 385 917cos 45 螺棱頂部螺槽軸向寬度 WB2 0 38 5 螺紋截面的形狀有矩形 圖 a 和鋸齒形 圖 b 兩種 矩形螺紋截面根部圓弧很小 容積很大 適用于加料段和均化段 鋸齒形螺紋截面根部圓弧較大 應力集中小 牙根強度高 適用于塑化段 根據(jù)經驗公式得 mhR 4 1 7 05 31 8212 6 選擇頭部為半圓形的螺桿 適用于流動性較好的材料 如聚氯乙烯 聚 丙 烯等 2 2 機筒的設計 2 2 1 機筒結構類型 根據(jù)冷喂料選擇分段式機筒 將機筒分為三段加工 然后用法蘭連接 在機筒 內部裝配上可以更換的合金無縫鋼管 壁厚查表 1 3 9 得 40 45 mm 取 三維打印機耗材專用擠出機設計 襯套也采用分段的形式 襯套壁厚 為m40 mD 756 415 0 加工方便取 為防止襯套和機筒 可能產生相對運動 在襯套與機筒間常用制5 動套或制動銷加以緊固 2 2 2 加料口的設計 加料口的結構必須與物料的形狀相適應 使被加入的物料能從料斗或加料器中 無間斷地自由流入 所以本加料口在其右口壁開斜角 一般為 或稍大于此值 15 7 加料口的形狀 俯視 為矩形 其長邊平行于軸線 長度約為 1 3 1 8 D 58 5 81 m 2 2 3 機筒與機頭的聯(lián)結方式 考慮結構簡單 制造方便 工作可靠 便于裝拆等因素 故采用螺釘聯(lián)結 2 2 4 螺桿與料筒的間隙 其大小影響擠出機的生產能力和物料的塑化 值大 熱傳導差 剪切速率低 不利于物料的熔融和混合 生產效率也不會高 但 小時 熱傳導和剪切率都相應 提高 但 過于小 就易引起物料降解 按經驗取 mD 25 0 13 05 3 2 3 螺桿與機筒材料的選擇及校核 2 3 1 材料的選擇 螺桿和襯套的材料均選用 AlMCor38 機筒的材料選用 鑄 鋼 2 3 2 螺桿強度校核 1 機頭壓力 機 頭P 機頭壓力是由于旋轉的螺桿對物料所作用的作用力的反壓力 同時 由于螺槽 容積的漸變和機頭 口模 分流板等阻礙物料的正向流動 使物料通道中產生了壓 力梯度 因此在機頭區(qū)域產生了壓力 即機頭壓力 在不同的情況下 機頭壓力分布是復雜的 一般按試驗中的多點測量來確定 查表 1 3 8 2 50 125 1cmkgMPaP 機 頭 取 0cmkg機 頭 2 軸向力 z 螺桿的軸向推力由兩部分組成 一部分是機頭處的物料作用于螺桿端面上總壓 力 另一部分是在擠出時由于動載荷產生的附加壓力 因此軸向力1P 2P 三維打印機耗材專用擠出機設計 的合力 由于 不易求 故按經驗公式 21Pz 1P2 3 2 kgD8 3145 0342 機 頭 取 95 7 5 0 12 kgP2 4 kgz 6821 3 由軸向力 產生的正應力 zPc 3 3 202c445 dDsz 5 1 20Psz 22 64 53 97 5 3692 cmkg cmds 螺 桿 冷 卻 水 孔 直 徑 螺 桿 最 小 端 面 的 根 徑0 4 由螺桿自重 產生的彎曲應力 Gb 3 4 1 1 3243 224cdDLcdWMssb 5 0 6 87954 2 78 50mkgkgGcb 螺 桿 自 重 抗 彎 截 面 模 量 螺 桿 自 重 產 生 的 彎 矩3 LdDs2 16 3 1085 7 材 取螺 桿 材 料 的 比 重 鋼 5 由扭矩 產生的剪應力 tM 3 5 1 6 9043maxcdnNWsst 1 08 443maxa5cdns 三維打印機耗材專用擠出機設計 2435 3 71 8 5 01 6 1086 4 cmkg s sdcrnKWNcmW0max 3in 擠 出 機 的 傳 動 效 率螺 桿 轉 速 擠 出 機 電 機 功 率 抗 扭 截 面 模 量 6 螺桿的總應力 r Mpacmkgr 56 172 852 17603 4954222 式中 3 6 bc 查表得螺桿材料的許用應力 pany3405 28 螺 桿 的 安 全 系 數(shù)螺 桿 材 料 的 屈 服 極 限yn 得 故螺桿強度滿足要求 r 2 3 3 機筒強度校核 2 0cmkgPr 機 頭 3 7 2bbt rRr 機 頭 222 46 17 5 97 5 9cmkg 2bbz 機 頭 22 3 8 0 2 rzzttr 2 302 158 3 46 1 60 222 Mpacmkg78 7 932 查表得材料的許用應力 Mpany256 40 得 故機筒強度滿足要求 三維打印機耗材專用擠出機設計 第三章 傳動系統(tǒng)的設計 圖 3 1 傳動部分系統(tǒng)圖 3 1 確定各級效率 根據(jù)表 4 2 9 確定各級的效率 彈性聯(lián)軸器效率 9 01 滾動軸承效率 8軸 承 齒輪傳動效率 7 齒 輪 則傳動總效率 3軸 承 2齒 輪 1 87 09 7 098 3 2 分配傳動比 3 2 1 總傳動比 125 8097 wni 3 2 2 各級傳動比的粗略分配 根據(jù) 機械設計課程手冊 第二版 取 213 ii 減速箱內高速級齒輪傳動比 04 1 i 減速箱內低速級齒輪傳動比 三維打印機耗材專用擠出機設計 32 i 3 3 各軸功率 轉速和轉矩的計算 3 3 1 0 軸 電動機軸 kwp5 7 電 機 min 90rn mNT 84 73901 0 3 3 2 軸 減速器高速軸 kwp25 5 7101 min 9801rin mNpT 1 730425 7 5 1 3 3 3 軸 減速器中間軸 kwp 084 9 8 452 712 齒 輪軸 承 min 04 912rin mNPT 8 2148 7532 3 3 4 軸 減速器低速軸 kwp734 69 08 723 軸 承齒 輪 min 0423rin mNPT 87 038174 659 3 各軸運動及動力參數(shù)見表 1 1 表 1 1 各軸運動及動力參數(shù) 軸 功率 kw 轉速 r min 轉矩 N m 傳動類型 傳動比 效率 軸 7 425 970 73 1 聯(lián)軸器 1 0 99 三維打印機耗材專用擠出機設計 軸 7 084 240 281 88 齒輪 軸承 4 04 0 95 軸 6 734 80 803 87 齒輪 軸承 3 0 95 3 4 減速器高速級齒輪的設計計算 工作條件見表 1 2 表 1 2 工作年限 工作班制 工作環(huán)境 載荷性質 生產批量 10 2 清潔 平穩(wěn) 大批 3 4 1 材料的選擇 小齒輪 40Cr 調質處理 齒面硬度 241 286HBS 大齒輪 45 鋼 正火處理 齒面硬度 162 217HBS 計算應力循環(huán)次數(shù) 91 1082 301 9860 hjLnN 5 1 82 5 42i 查圖 5 17 Z N1 1 0 ZN2 1 05 允許一定點蝕 由式 5 29 Z X1 ZX2 1 0 取 SHmin 1 0 ZW 1 012 ZLVR 1 0 光整齒輪 由圖 5 16b 得 21lim 675NH 22lim 530H 計算許用接觸應力 21minl1 10 683 1 67mNZSLVRWXNH 22inl2 5 02 50 3 因 故取 2 1H 2 18 6NH 3 4 2 按齒面接觸強度確定中心距 小齒輪轉矩 T1 73100N mm 初定螺旋角 13 987 013cos Z 初取 由表 5 5 得0 2tK 2 8mNE 減速傳動 取4iu6 0a 三維打印機耗材專用擠出機設計 端面壓力角 483 20 1cos 20 cos tgartgarnt 基圓螺旋角 3 tttb 4 28 0sin4 2co1sinco2 ttbHZ 由式 5 39 計算中心距 a mZuKTaHEat 34 1088 5639714 206 2731 04 3 2321 由表 4 2 10 取中心距 ma 估算模數(shù) n 2 2 1 取標準模數(shù) m 小齒輪齒數(shù) 7 104 23cos1cos1 uazn 大齒輪齒數(shù) 987 42 取 85 1 z 實際傳動比 05 12i實 傳動比誤差 52 0104 0 理 實理 i 在允許誤差的范圍內 修正螺旋角 5 102 8 arcos2 arcos1zmn 與初選 13 0相近 可不修正 Zh 齒輪分度圓直徑 mzdn 58 43 1cos 2cos 11 m2768522 三維打印機耗材專用擠出機設計 圓周速度 smndv 21 1069758 43 1063 由表 5 6 取齒輪精度為 8 級 3 4 3 驗算齒面接觸疲勞強度 按電機驅動 載荷稍有波動 由表 5 3 取 10 AK 由圖 5 4b 按 8 級精度和 得 smvz 36 78 310 10 vK 齒寬 mab6 0 由圖 5 7a 按 9 741d 考慮軸的剛度較大和齒輪相對軸承為非對稱布置 得 10 由表 5 4 得 K 載荷系數(shù) 8634 10 1 vA 計算重合度 齒頂圓直徑 mmhdnaa 7 20 17 32 1 315462 端面壓力角 45 20 cos 20 cos tgartgarnt 齒輪基圓直徑 mdtf 1 6945 7 31 tf 8320cos146cos2 端面齒頂壓力角 7 9arsars11 ftd 14 23 508coc22afat 01 45 201 8 4 8 7 2 21 tgttgtzztattt 三維打印機耗材專用擠出機設計 9 253 1sin0si nmb 1 Z98 053 2cos 76 1 45 2cos1 tgartgartb 3 0in567 cs3sinco ttbHZ a8 19MPE 由式 5 39 計算齒面接觸應力 5 2 222 21 18 563 31 490 7 3508641 9 0 8 mNmNubdKTZHEH 故安全 3 4 4 驗算齒根彎曲疲勞強度 按 85 21 Z 由圖 5 18b 得 21lim 0NF 22lim 80NF 由圖 5 19 得 NY 由式 5 32 m 2mm 5mm 故 n 121XY 取 Y 2 0 S 1 4 TiF 由式 5 31 計算許用彎曲應力 21min1l1 860 14 20mNYXNFST 22in2l2 4 8S6 1507 4cos 39321 ZV 由圖 5 14 得 Y 2 60 Y 2 24 Fa2Fa 由圖 5 15 得 Y 1 65 Y 1 79 1SS 三維打印機耗材專用擠出機設計 由式 5 47 計算 因 Y0 1782 961053 21 Y 962 01 cos2 cos7 05 2 b 故 安 全 21211 86 56 243 83 0754 0 708 mNmNYbdKTFsaFnF 安 全 221212 40 64 75 1795 3YFSaFF 3 4 5 齒輪的主要幾何參數(shù) 21z85 u2nm 5 1 mnt 0751cos d 8 43 2 11 zn 216822hnaa5 47 1 md202cnaf 8 3 1 hf 5172 da042 65 1 取mb42 mb504 21 3 5 減速器低速級齒輪的設計計算 3 5 1 材料的選擇 根據(jù)工作條件及其載荷性質 選擇適當?shù)牟牧?小齒輪 40Cr 調質處理 齒面硬度 241 286HBS 大齒輪 45 鋼 正火處理 齒面硬度 162 217HBS 三維打印機耗材專用擠出機設計 93 102 6 8301 20960 hjLnN9234 7 48 i 查圖 5 17 允許一定點蝕 013 NZ14 N 由式 5 29 4X 取 精加工齒輪 minHS92 0 LVRZ 由圖 5 16b 得 23li 950N 24lim 78H 由 5 28 式計算許用接觸應力 23minl3 9 432 01 0 195mNZSLVRWXNH 24inl4 6 8 4 78 因 故取 3H 2 06 1NH 3 5 2 按齒面接觸強度確定中心距 小齒輪轉矩 T 281880N mm3 初定螺旋角 13 987 013cos Z 初取 由表 5 5 得0 12stK2 8mN 減速傳動 取 3iu6 0a 由式 5 41 計算 HZ 端面壓力角 00048 2 13cos 2arctn os arctn t 基圓螺旋角 000 rt rt tb 4 28 sin4 2co1sinco2 ttbHZ 由式 5 39 計算中心距 a 三維打印機耗材專用擠出機設計 mZuKTaHEat 89 13206 81974 23 081 4961 3 2 332 取中心距 a 133mm 估算模數(shù) amn 取標準模數(shù) 3 小齒輪齒數(shù) 92 13cos152cos2 uzn 大齒輪齒數(shù) 7 69 34 取 Z 22 Z 66 3 實際傳動比 234 zi實 傳動比誤差 501 理 實理 i 在允許誤差范圍內 修正螺旋角 34 12352 6 arcos2 arcos zmn 與初選 13 0相近 Z Z 可不修正 H 齒輪分度圓直徑 mzdn 5 671 2cos 3cos 33 m0644 圓周速度 由表 5 6 取齒輪精度為 8 級 sdv 4 1 043 3 5 3 驗算齒面接觸疲勞強度 按電機驅動 載荷稍有波動 由表 5 3 取 0 1 AK 由圖 5 4b 按 8 級精度和 得 smvz 7 486 10 3 01 vK 齒寬 mab54 0 三維打印機耗材專用擠出機設計 由圖 5 7a 按 考慮軸的剛度較大和齒輪相對軸承為89 05 14763 db 非對稱布置 得 0 K 由表 5 4 得 載荷系數(shù) 5 3 513 407 1 vA 計算重合度 齒頂圓直徑 mmhdnaa 59 130 259 1472 3 464 端面壓力角 6 20 1cos 20 cos tgartgarnt 齒輪基圓直徑 mdtf 8 346 59 1473 tf 19720coscos4 端面齒頂壓力角 ar33aftd 18 2cos44 afat 2 1 46 2018 75 6 2079 5 48 13 tgttgttzz ttat 3 1sin 3sin mb9 02 Z8 6 1cos 4 tbtgar 47 26 0sin 2co91sinco2 ttbHZ 由式 5 39 計算齒面接觸應力 三維打印機耗材專用擠出機設計 5 4 222 23 864 5 41 594 175089 071 8 mNmNubdKTZHH 故安全 3 5 4 驗算齒根彎曲疲勞強度 按 6243 Z 由圖 5 14 得 24 0 3FaFaY 由圖 5 15 得 791SS 由式 5 23 計算 5 0cos 5 由式 5 47 得 0 2 89 1261 Y 由圖 5 18b 得 3lim 84NF 24lim 70NF 由圖 5 19 得 Y 1 0 Y 1 0N 由式 5 32 m 3mm S 1 5 1 8 所以 剖面安全 其它剖面與上述剖面相比 危險性小 無需校核 3 8 滾動軸承的選擇及其壽命驗算 3 8 1 低速軸軸承 作用在齒輪上的圓周力 NdTFt 84 160594 587223 徑向力 gtgFr 084 1659 軸向力 tta 76 2 低速軸軸承選擇一對 圓錐滾子軸承 低速軸軸承校核 30和 條件 轉速 工作平穩(wěn) 工作溫度低于 min8r 10 1 確定軸承的承載能力 查表 7 2 70 軸承 的3021 mTKNCrr 5 4626 30 2 計算徑向支反力 垂直面支反力 0 BM 0 221 LFLRtAy Nt 46298 154921 三維打印機耗材專用擠出機設計 0 Y NRFAytBy 14306298 105 水平面支反力 BM 02 21 LFdLraAz NFRarAz 3684912 516 375 921 0 ZRAzrBz 08 NZAY5921 RB1602 3 計算當量動載荷 查表得 7 NYRS 342 31 10 72 10 95 右緊左松 Fa 35 018 09 5 17 63312 eA 查表得 40 YX NRfPp 4331 10 7 19 4 4 校核軸承壽命 預計壽命 hLh80302 10 PftCnh 316524266310 故圓錐滾子軸承 適用 E718 3 8 2 高速軸軸承 作用在齒輪上的圓周力 NdTFt 14 768 3251 徑向力 gtgFr 40 768 軸向力 tta 5 2 三維打印機耗材專用擠出機設計 高速軸軸承選擇一對 圓錐滾子軸承 高速軸軸承校核 30268和 條件 轉速 工作平穩(wěn) 工作溫度低于 min970r 10 1 確定軸承的承載能力 查表 7 2 70 軸承 的326 mTKNCrr 25 8 63 2 80 2 計算徑向支反力 垂直面支反力 0 BM 221 LFLRtAy Nt 9 2154 7689421 YAytBy 水平面支反力 0 BM02 21 LFdLRraAz NFrz 4564912 7 36 83 8621 0 Z NRAzrBz 2045 NRZAY 621 B85972 3 計算當量動載荷 查表得 1 NYRS 332 21 1076 2 098 5 56 右緊左松 1Fa 35 06 05 6 42 47231 eA 查表得 1 0YX NRfPp 332 109 4 71 4 4 校核軸承壽命 預計壽命 hLh803102 10 8 4 PftCnh 1275496636310 三維打印機耗材專用擠出機設計 故圓錐滾子軸承 適用 E7308 3 8 3 中間軸軸承 選擇一對 圓錐滾子軸承 中間軸軸承校核 2 1 確定軸承的承載能力 查表 7 2 70 軸承 的308KNCrr102 125 2 計算徑向支反力 NRVH 211 R7342 3 附加軸向力 查表得 0Y NRS 3321 108 27 15 50 右 緊 左 松 1Fa 83 074 053 609 2 6991 2 eA 查表得 YXNPReAS NAfPp32332 33311108 8 071 5 105 169 2 4 校核軸承壽命 預計壽命 hLh480 10 8 hPftCnh 15273823966310 5 故圓錐滾子軸承 適用 E7512 3 9 鍵聯(lián)接的選擇和驗算 3 9 1 中間軸上鍵的選擇 1 中間軸上的平鍵 三維打印機耗材專用擠出機設計 中間軸與大齒輪聯(lián)接鍵的選擇及校核 已知 選用普通平鍵 查表 5 3 19 得md42 lhb081 a 按擠壓強度校核 平鍵的強度條件 9 1 MPaKLdTpp 2PamlLhKNTp 1 63420 125 8 662 式 中 查表 8 1 得 ap 因為 所以鍵的擠壓強度可以保證 b 按扭轉剪切強度校核 9 2 MPadbLT93 16024 1025 26 查表 8 1 得 MPa9 因為 所以鍵的剪切強度也可以保證 3 9 2 低速軸上鍵的選擇與驗算 1 低速軸與大齒輪聯(lián)接鍵的選擇與校核 已知 選用普通平鍵 查表 5 3 19 得md53 lhb406 a 按擠壓強度校核 平鍵的強度條件 9 3 MPaKLdTpp 2 式中 NT 51084 2PamlLhKp 4 3 67 5 5 查表 8 1 得 因為 所以鍵的擠壓強度可以保證 MPa120p p b 按扭矩剪切強度校核 MadblT5 267153 84 2 查表 8 1 得 因為 所以鍵的剪切強度也可以保證 a90 三維打印機耗材專用擠出機設計 第四章 擠出機輔助零件的設計 4 1 聯(lián)軸器的選擇 高速軸軸端處選擇彈性柱銷聯(lián)軸器 3HL85014 GB 名義轉矩 10 1 mNnPT 7905 950 計算轉矩為 K84 1c TNn 63 i50mi970rrn 故聯(lián)軸器適用 4 2 推力軸承的選擇及校核 4 2 1 軸承的選擇 為了使螺桿可以浮動工作 選推力調心滾子軸承低速軸軸徑為 即軸承m5 的內徑為 故選 壽命 10 年 m5 E90341 4 2 2 軸承的校核 由前可知 軸向力 NKgPz256 而軸承的基本額定負荷為 Ca9 因為 所以該止推軸承可以保證正常工作 az 4 3 花鍵的選擇及校核 4 3 1 花鍵的選擇 采用矩形花鍵 根據(jù)螺桿軸徑為 m90 故選擇中系列 5 16528 CBDdN 4 3 2 花鍵擠壓強度校核 強度條件 12 1 mzhlTp 2 三維打印機耗材專用擠出機設計 MPappamlCdDh mdDNT10 64 56238 410 562 8z 8 2m5 式 中 因為 故花鍵滿足強度要求 1 低速軸帶花鍵部分的強度校核 將它作為內花鍵軸 MPaMPaT mNDmNtt543 5102 84 102 961 02 5 65 433 因為 所以低速軸段內花鍵強度滿足要求 2 螺桿花鍵強度的校核 將它作為外花鍵軸 MPaTDmNttm 14 607 1 84 2 5601 33 查表 8 1 得 的AlMCor 2 5 3 6 0 5 因為 所以螺桿段外花鍵強度滿足要求 4 4 減速器的潤滑及密封形式選擇 1 減速器的潤滑采用油潤滑 潤滑油選用中負荷工業(yè)齒輪油 GB5903 86 2 油標尺 M16 材料 Q235A 3 密封圈 低速軸選用 FB 065072 GB13871 92 高速軸選用 FB 050072 GB13871 92 三維打印機耗材專用擠出機設計 總 結 本文首先分析了單螺桿擠出機的工作原理及技術參數(shù) 接著對擠出機擠壓系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)等進行了詳細設計與校核 最后使用 CAD 二維軟件繪制了擠出機的裝配圖 和主要零件圖并采用 Solidworks 三維軟件設計了擠出機的三維模型 通過這次設計 我學到了很多知識 鞏固了一些原來遺忘 疏忽的知識點 原 來不理解 沒有掌握好的問題 也通過翻閱資料 請教老師 把它們都解決了 通 過本次畢業(yè)設計 我體會到了團隊精神的重要性 同時 我也發(fā)現(xiàn)自己在學習過程 中存在的不足 尤其是專業(yè)知識的應用方面 不能在實踐中很好的運用 通過這次 畢業(yè)設計 使自己有了一種新的感受和認識 相信自己在今后的工作和學習當中會 發(fā)揮的更好 三維打印機耗材專用擠出機設計 參考文獻 1 吳大鳴 李曉林 劉穎 單螺桿精密擠出成型技術進展 J 中國塑料 2003 02 2 影響擠出成型精密度的因素 J 塑料 2003 01 3 高聚物精密擠出的研究 J 化工進展 2001 11 4 吳宗澤主編 機械零件設計手冊 M 機械工業(yè)出版社 2003 5 譚建榮 張樹有 施岳定主編 圖學基礎教程 M 高等教育出版社 1999 6 楊明忠 朱家誠主編 機械設計 M 武漢理工大學出版社 2001 7 鄭文緯 吳克堅主編 機械原理 M 第七版 高等教育出版社 1997 8 唐照民 汝元功主編 機械設計手冊 M 高等教育出版社 1995 9 張麗珍 周殿明 塑料機械維修技術問答 北京 化學工業(yè)出版社 2005 10 程燕軍 柳舟通 沖壓與塑料成型設備 北京 科學出版社 2005 11 張麗珍 周殿明 塑料擠出操作工應知會 北京 化學工業(yè)出版社 2005 12 馬廣 張國文 沖壓與塑料成型機械 山東 山東科學技術出版社 2004 13 虞傳寶 冷沖壓及塑料成型工藝與模具設計資料 北京 機械工業(yè)出版社 1992 14 韓寶仁 朱元吉 馮連勛 塑料異型材制造原理與技術 北京 工業(yè)出版社 2001 15 Andrew AlleyneDanian Zheng Learning Control of an Injection Molding Machine Cycle J OL 2000 NSF Design Manufacturing Research Conference 16 ZHAO Zhenmei WEI Xiuying XIONG Yuhua MAO Changhui Preparation of Ti Mo getters by injection molding J OL RARE METALS 2009 28 2 TG1 三維打印機耗材專用擠出機設計 致 謝 時光飛逝 四年的大學學習生涯就要結束了 在這短暫而漫長的四年里 使我 更進一步的熟悉和掌握了如何去學習 生活和工作 同時 也是校園讓我們學會了 學習 學會了思考 學會了做人 雖其短暫 但是在這四年里所學的知識必將可以 使我受用終生 在這大學生涯即將結束的最后半年的畢業(yè)設計過程中 不僅是對我們每一個人 的一次全面的考查 同時也是對我們所學習和掌握知識的一次實際而綜合運用 這 不僅僅是只是一次知識的檢驗 更是對我們認識問題 分析問題 解決問題的綜合 能力的鍛煉與培養(yǎng) 同時對于我們來說 這也是一次難能可貴的在校學習的經歷 一次知識和經驗的積累的機會 為此 我應該感謝給予我這個機會的人 是他們給予了我這次學習的機會 同 時也是他們給予我了關懷與支持 正是在他們的關心 支持與幫助下 我的大學學 習 生活 以及這次畢業(yè)設計才能完滿結束 為我大學生涯畫上一個完美的句號 在這里 我首先要感謝母校 是母校為我提供了這個平臺 給予我了夢寐已久 的學習和生活的機會 從而是我的人生更加精彩 其次 要感謝的是我的指導老師 在這幾個月畢業(yè)設計的日子里 對我們的耐 心的關懷與輔導 在這四年的大學生涯中 以前學的專業(yè)知識 對于我們來說象一 盤散沙 雜亂無章沒有系統(tǒng)性 但是在老師的悉心輔導下 使我們對自己的知識進 行了整理 組織和裝配 使我的知識結構更加明朗化 體系化了 在此感謝老師在 我的畢業(yè)設計過程中給予了我莫大的支持和幫助 同時 我還要感謝同組的成員 以及關心和支持我的所有的同學 在我們共同 學習 和生活的日子里 大家共同努力 克服困難 不斷提出和完善新的設計思路 和方法 使我們的學習 生活和本次畢業(yè)設計工作得以順利而完滿的結束 生活上 互相幫助 彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼 是你們讓我擁有了一段美好的大學 生活 最后 我要感謝所有的教過我的老師們 感謝您們的辛勤培育和無微不至的關 懷 是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我 在以后的學習 生活 工作 三維打印機耗材專用擠出機設計 中 我將牢記您們的諄諄教誨 不斷學習 不斷進步 在此 衷心地祝福和感謝你 們