陳滿儒，高 博，馬金鋒

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 引言

陶瓷零件的快速成型是當(dāng)下研究的一個熱點。目前適合陶瓷材料快速成型的設(shè)備大多需要激光成型，制造成本較高，且設(shè)備昂貴，或者對材料的要求較高，很難達到經(jīng)濟的目的。為了解決以上難題，提出了基于石蠟的層和速凝快速成型技術(shù)，并以該技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合陶瓷材料和石蠟的特性，設(shè)計出一種更加經(jīng)濟合理的新型快速成型裝置。

傳統(tǒng)的設(shè)計方法，需要根據(jù)物理樣機反復(fù)安裝調(diào)試，設(shè)計周期長、成本高，而虛擬樣機技術(shù)可解決這一問題。Pro/Engineer是一款基于特征的參數(shù)化建模軟件，利用Pro/E建立快速成型機各零部件的三維實體模型，進行整機裝配，縮短研發(fā)周期。與有限元分析軟件配合使用，可以對模型進行深入分析，驗證設(shè)計的合理性和可靠性，為物理樣機的研制提供依據(jù)和參考［1］。

2 新型快速成型機設(shè)計

2.1 工作原理

按照層和速凝快速成型技術(shù)的要求，需要設(shè)計一種能夠快速且簡單的生產(chǎn)陶瓷零件的加工設(shè)備，該設(shè)備的加工工藝為［2-5］:

(1)鋪料系統(tǒng)在雕刻平臺上鋪一層熔融的石蠟，待凝固后作為雕刻的基板;

(2)計算機控制刻刀在蠟板上刻出制件的截面輪廓，通過吹風(fēng)裝置將石蠟碎屑吹走;

(3)在鏤空的石蠟基板上鋪一層混有石蠟的陶瓷漿料，刻痕以外的多余陶瓷漿料通過刮板清除;

(4)鋪料平臺通過絲杠在豎直方向向下平移距離0.1～2 mm;

(5)重復(fù)步驟1～4，逐層疊加，最后完成實體成型;

(6)排蠟燒結(jié)，獲得所需陶瓷制件。

其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示［6］。通過對工藝流程的分析，該設(shè)備需要具備水平運動裝置、料斗攪拌裝置和鋪料臺升降裝置三部分。水平運動裝置主要帶動料斗分別完成石蠟和陶瓷漿料的鋪設(shè);料斗攪拌裝置主要用來盛放漿料并保證漿料處于熔融狀態(tài);鋪料臺升降裝置主要實現(xiàn)鋪料臺的平穩(wěn)下降［7］，保證陶瓷片層厚度均勻，直接影響陶瓷制件的精度。

圖1 快速成型機生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 兩種設(shè)計方案

利用Pro/E軟件，按照工藝要求，提出兩種設(shè)計方案，方案一如圖2所示。

圖2 方案一快速成型機鋪料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時，水平電機往返運動兩次實現(xiàn)石蠟和陶瓷的鋪設(shè)，然后開始雕刻，雕刻完畢，豎直電機帶動工作臺下降，完成一次加工。

方案一的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，模型簡單，便于安裝和調(diào)試;電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母在豎直方向直線運動，鋪料臺和絲杠螺母固結(jié)，實現(xiàn)鋪料臺的升降運動。不足之處在于該單邊支撐方式的可靠性減弱，尤其在鋪料臺盛放漿料之后，容易造成傾斜，影響產(chǎn)品加工精度。

方案二如圖3(a)、(b)所示。考慮到鋪料臺易傾斜的影響，對升降裝置進行了改進，改進后的設(shè)備總長500 mm，寬450 mm，高400 mm，水平方向運動行程300 mm，豎直方向運動行程55 mm，鋪料臺面積5.85×104mm2。方案二的優(yōu)點在于克服了方案一的不足，豎直方向工作行程得到增加，系統(tǒng)可靠性增強，但是設(shè)計較為復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。

圖3 方案二快速成型機鋪料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 關(guān)鍵部件對比分析

在陶瓷成型的工作過程中，對整個加工工藝影響最為重要的是升降臺的運動，升降臺除了自身重量還要承受材料的重量，在上述重力的影響下，保證鋪料臺臺面不變形對陶瓷成型至關(guān)重要。此外，鋪料臺要實現(xiàn)往復(fù)運動，其運行的平穩(wěn)性對最終產(chǎn)品的質(zhì)量精度影響較大。兩種方案的關(guān)鍵部件，鋪料臺升降裝置分別如圖4、5所示。

圖4 方案一鋪料臺升降裝置示意圖

如圖4所示，方案一中豎直導(dǎo)桿1和豎直導(dǎo)套5通過螺栓固定于料盤上，絲杠設(shè)計為梯形螺紋絲杠，保證機構(gòu)能夠可靠自鎖;從整體結(jié)構(gòu)上看，絲杠和鋪料臺單邊支撐，機構(gòu)的可靠性主要靠鋪料臺的剛性保證。

與方案一相比，方案二采用了更復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，如圖5所示，通過帶輪10、絲杠螺母6和橫梁7將運動傳遞給直線導(dǎo)軌13;從設(shè)計要精度上看，將梯形螺紋絲杠改進為滾珠絲杠，導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌，從而保證精度;從整體結(jié)構(gòu)上看，絲杠和鋪料臺采用對稱支撐方式，可通過增大支撐塊與鋪料臺的接觸面積保證機構(gòu)的可靠性。

圖5 方案二鋪料臺升降裝置示意圖

3 快速成型機模型分析

通過對快速成型機工作原理的分析，鋪料臺升降裝置對產(chǎn)品的加工精度和系統(tǒng)運行平穩(wěn)性影響最大;和方案一設(shè)計相比，方案二主要對鋪料臺升降裝置進行了改進;為了反映改進的效果，利用ANSYS Workbench軟件對升降裝置進行靜力學(xué)分析，通過分析鋪料臺在漿料鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的變形量，進一步對比兩種方案的優(yōu)劣。

3.1 方案一有限元分析

在有限元分析之前，首先對鋪料臺升降裝置進行簡化:

(1)對電機進行簡化:在只考慮電機質(zhì)量的情況下將電機對絲杠的影響簡化為作用在電機安裝面上的遠程力(remote force)。

(2)對螺栓的簡化:由于分析重點不在螺栓強度，將螺栓全部簡化，只在安裝面設(shè)置接觸為固結(jié)接觸(Bonded)。

(3)對軸承的簡化:由于軸承相對于絲杠支撐的剛度充足，同時為了減少網(wǎng)格劃分的工作量、避免畸形網(wǎng)格的產(chǎn)生，故將軸承的影響忽略，僅將絲杠與絲杠支撐之間的接觸設(shè)置為固結(jié)接觸(Bonded)。

(4)豎直導(dǎo)套和導(dǎo)桿接觸簡化:豎直導(dǎo)桿和導(dǎo)套通過螺栓分別固連在鋪料臺上，在載荷作用下豎直導(dǎo)套相對于導(dǎo)桿會產(chǎn)生移動，但由于該結(jié)構(gòu)徑向剛度充足，忽略導(dǎo)套徑向的相對移動，對導(dǎo)套施加圓柱約束僅保留其軸向自由度。

模型簡化完成，使用ANSYS Workbench對方案一進行靜力學(xué)分析，主要包括以下步驟:

(1)單元的選擇:將該機構(gòu)單元類型設(shè)置為實體，用SOLID45單元進行網(wǎng)格劃分;

(2)定義材料屬性:絲杠、絲杠螺母等材料均選用結(jié)構(gòu)鋼，密度7.85×103kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3;

(3)網(wǎng)格的劃分:采用自動劃分網(wǎng)格的形式;

(4)接合面的處理:將螺栓安裝面、絲杠與絲杠支撐之間的接觸設(shè)置為固結(jié)接觸(Bonded)，將絲杠和絲杠螺母座均設(shè)置為不分離接觸(No separation);

(5)位移約束:在導(dǎo)套兩端施加圓柱約束;

(6)施加載荷:由于漿料對鋪料臺的壓力為非線性力，計算時情況復(fù)雜，但該力對豎直方向的變形量影響不大且不是本次分析的重點，因而根據(jù)實際工作情況，將受力簡化為50 N豎直向下的集中力;

(7)添加計算結(jié)果類型及計算:添加需要計算的類型為總變形(Total Deformation)。

計算結(jié)果及計算后所得變形圖解如圖6所示。

圖6 方案一鋪料臺升降裝置總變形圖

3.2 方案二有限元分析

方案一與方案二除了在接觸面類型設(shè)置和約束設(shè)置不同之外，其他與方案一分析步驟一致，最后得到的變形圖如圖7所示。

圖7 方案一鋪料臺升降裝置總變形圖

通過對結(jié)果分析，方案一鋪料臺在豎直方向變形量為0.138 28 mm，工作過程中鋪料臺發(fā)生傾斜，前后出現(xiàn)面差，被分成了兩個部分。由于該設(shè)備工作原理建立在分層加工基礎(chǔ)之上，鋪料臺的變形會導(dǎo)致相鄰切片軸心不重合，影響零件的垂直度和表面質(zhì)量，嚴(yán)重的情況會產(chǎn)生廢品;方案二在豎直方向最大變形量0.020 5 mm;按照工藝要求，在一次加工循環(huán)結(jié)束后，鋪料臺下降0.1～2 mm，方案二產(chǎn)生的變形量在誤差允許的范圍內(nèi)，可以滿足設(shè)計要求。

綜合對兩種方案優(yōu)劣的對比和有限元分析結(jié)果，以產(chǎn)品加工精度為主要考慮因素，選擇方案二作為最終設(shè)計結(jié)果。同時考慮方案二在設(shè)備加工復(fù)雜、安裝不便和成本增加等方面的不足，在方案二的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行改進。

4 結(jié)論

(1)相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，Pro/E技術(shù)使設(shè)計更加直觀，零部件的相對位置關(guān)系清晰，同時也便于修改，提高了效率，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期［8］。

(2)通過對兩種方案的關(guān)鍵部件，鋪料臺升降裝置的靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，方案一鋪料臺在豎直方向最大變形量為0.138 28 mm，方案二在豎直方向最大變形量0.020 5 mm，從產(chǎn)品精度要求和機構(gòu)可靠性方面考慮，選擇方案二為最終設(shè)計結(jié)果。

［1］ 常 靜，尹成龍.基于Pro/E的玉米播種機虛擬設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，2010(10):97-98.

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［4］ Robert S.Fast precise＆safe prototyping with FDM［J］.FEM-Intell Des Manufg Proto，1992(5):6-7.

［5］ 楊萬莉.陶瓷零件快速成型機的設(shè)計及成型工藝的研究［D］.西安:陜西科技大學(xué)，2007.

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