基于3D打印的齿轮系设计与制作【原创含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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基于3D打印的齿轮系设计与制作【含SW三维及6张CAD图带文献综述+外文翻译】
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第 1 页 共 7 页题目：基于 3D 打印技术的齿轮系的设计与制造一、前言1 课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1 课题研究意义3D打印技术的出现,颠覆传统加工业的生产制造模式,以其降低成本、涉及领域广和简化加工流程等优点,被誉为第三次工业革命的标志。以往难以加工的材料,通过特殊工艺进行层层构建叠加,形成空间复杂的产品,大大缩短加工时间,满足各种不同产品的加工需要。目前3D打印技术处于刚刚起步阶段,随着技术飞速发展,将来应用于包括产品设计、科学研究、建筑、医疗、制造业、航天、珠宝首饰、个性化饰品等高端技术领域,将极大促进科技进步,体现出3D打印技术的价值意义1。3D 打印在国内称作“快速成型”、“添加制造”， 至少出现了20年左右。科研方面欧美国家虽然居于领先水平，但我国已有部分技术处于国际领导地位，目前，中国已成为世界最重要也是增速最快的3D打印市场之一。2011年中国3D打印机总台数占亚太地区总台数的30%，占全球的9%，仅次于美、日、德三国。3D 打印技术引发了制造业新一轮的技术变革，这项技术已在航空航天、汽车、电子、军工、艺术设计、医疗、地理信息、日常消费品等各个领域取得了迅猛的发展，为尖端技术研究提供了关键的技术支撑2。随着制造业规模的扩大，生产批量的不断增长，生产线已经越来越广泛得应用于车间。输送机作为生产线的枢纽，其主要作用就是将工件从一个工序输送到下一个工序。齿轮传动装置是输送机的核心，研究其齿轮传动系统是关键所在。3D打印技术的核心是基于数字化新型成型技术，因此对基于3D打印的齿轮系统的设计与制作课题的研究，可以将信息技术与传统制造业有机的结合起来，对传统制造业的创新性改造和革命性提升3。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状3D 打印在国内称作“快速成型” 、 “添加制造” ， 至少出现了 20 年左右。科研方面欧美国家虽然居于领先水平，但我国已有部分技术处于国际领导地位，目前，中国已成为世界最重要也是增速最快的 3D 打印市场之一。2011 年中国 3D 打印机总台数占亚太地区总台数的 30%，占全球的 9%，仅次于美、日、德三国。 3D 打印技术引发了制造业新一轮的技术变革，这项技术已在航空航天、汽车、电子、军工、艺术设计、医疗、地理信息、日常消费品等各个领域取得了迅猛的发展，为尖端技术研究提供了关键的技术支撑。自 20 世纪 90 年代初，在国家科技部等多部门持续支持下，西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等在典型成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究，到 2000 年初步实现了设备产业化，并接近国外产品水平，改变了该类设备早期依赖进口的局面。在国家和地方的支持下，全国建立了 20 多个服务中心，设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业，推动了我国制造技术的发展。但是，我第 2 页 共 7 页国 3D 打印技术主要应用在工业领域，没有在消费品领域形成市场;在产业化技术发展和应用方面落后于美国和欧洲;在技术研发方面，我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较为落后。我国增材制造技术主要应用于模型制作，在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。例如，在增材的基础理论与成形微观机理研究方面，我国只开展了一些局部相关研究，但国外的研究更基础、系统和深入;在工艺技术研究方面，国外是基于理论基础的工艺控制，而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证，导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平;材料的基础研究、制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距;部分增材制造工艺装备国内都有研制，但在智能化程度方面与国外先进水平相比还有差距，我国大部分增材制造装备的核心元器件还主要依靠进口。在市场化普及方面，国民的技术认知度低，大部分人不了解这一技术和作用。我国在增材制造产业上没有形成系统的产业链。增材制造技术涉及前端的三维 CAD 设计、新材料和下游的应用技术等，这些领域的研发缺失很大，企业应用程度低。这些因素导致我国难以形成强有力的产业化发展，另一反面也制约了创新能力的提升4。近 5 年来，增材制造技术在美国和我国取得了快速的发展，主要的引领要素是低成本增材制造设备社会化应用、金属零件直接制造技术在工业界的应用、基于增材制造的各种生物材料及生物学结构的制造技术等5。我国金属零件直接制造技术的研究与应用已达到国际领先水平，例如北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空制造工程研究所制造出大尺寸金属零件，并应用在新型飞机研制过程中，显著提高了飞机研制速度。北京航空航天大学王华明教授以此方面的研究与应用获得 2012 年国家技术发明一等奖。华中科技大学史玉升教授以大尺寸激光选区烧结设备研究与应用获得2011 年国家技术发明二等奖。西安交通大学李涤尘教授以个性化颅颌面骨替代物设计制造技术及应用获得 2014 年国家技术发明二等奖6 。1.2.2 国外研究现状经过近 30 年的发展，目前美国已经成为增材制造领先的国家。 3D 打印技术不断融入人们的生活，催生出许多新的产业。人们可以用 3D 打印技术自己设计物品，使得创造越来越容易。美国为保持其技术领先地位，最早尝试将 3D 打印技术应用于航空航天等领域。1985 年，在五角大楼主导下，美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究，直到 1992 年这项技术才公之于众。2002 年，美国宇航局(NASA)就研制出 3D 打印机，能制造金属零件。同年，美国将激光成形钛合金零件装上了战机。为提高制造效率，美国人开始采用 42kW 的电子束枪，Sciaky 的 3D 打印机每小时能打印 6.818.1kg 金属钛，而大多数竞争者仅能达到 2.3kg/h。美国军工巨头洛克希德 马丁公司宣布与 Sciaky 加强合作，用该公司生产的襟副翼翼梁装备正在生产的 F-35 战斗机。目前，使用 3D 打印钛合金零件的 F-35 已经进行了试飞。据估计，如果 3000 多架战机都使用该技术制造零部件，不仅大大提高“难产”的 F-35 战机的部署速度，而且还能节省数十亿美元成本，如原本相当于材料成本 12 倍的加工费现在只需原来的 10% ;加工1t 重的钛合金复杂结构件，传统工艺成本大约 2500 万元，而激光 3D 焊接快速成型技术的成本在 130 万元左右，仅是传统工艺的 5%。2012 年 7 月，美国太空网透露，NASA 正在测试新一代 3D 打印机，可以在绕地球飞行时制造设备零部件，并希望将其送到火星上。世界科技强国和新兴国家都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，以抢占未来科技产业的制高点。2012 年，美国提出了“重振制造业”战略，将“增材制造” 列为第一个启动项目，成立了国家增材制造研究院(NAMII)。欧盟国第 3 页 共 7 页家认识到增材制造技术对工业乃至整个国家发展的重要作用及巨大潜力，纷纷加大支持力度。德国政府在 2013 年财政预算案中宣布政府在高技术战略 2020和德国工业 4.0 战略计划实施建议等纲领性文件中，明确支持包括激光增材制造在内的新一代革命性技术的研发与创新。澳大利亚政府倡导成立增材制造协同研究中心，促进以终端客户驱动的协作研究。新加坡，将 5 亿美元的资金用于发展增材制造技术，让新加坡的制造企业能够拥有全球最先进的增材制造技术。日本政府在 2014 年预算案中划拨了 40 亿日元，由经济产业省组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划，以构建其完备的增材制造材料与装备体系，提高其增材制造技术的国际竞争能力。2014 年 6 月，韩国政府宣布成立 3D 打印工业发展委员会，批准了一份旨在使韩国在 3D 打印领域获得领先地位的总体规划，其目标包括到 2020 年培养 1000 万创客(Maker)，针对各个层次的民众制订相应的 3D 打印培训课程，以及为贫困人口提供相应的数字化基础设施。可以说，增材制造技术正在带动新一轮的世界科技和产业发展与竞争7。1.3 发展趋势随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D 打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D 打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势8。3D 打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态一是使制造工艺发生深刻变革。3D 打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。例如，在航空航天工业领域中应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成的，90%的材料被切除掉，这些切削材料对于飞行器的制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务集团( EADS) 研究人员指出，这些用钛粉末打印出的部件与一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐用，但节省了 90%的原材料。二是带动制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是一门综合应用 CAD/CAM 技术、激光技术、光化学、控制、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D 打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃，从而带动相关产业的发展。三是使制造模式发生革命性变化。3D 打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变。3D 打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间，消费者只要简单下载设计图，在数小时内通过 3D 打印机就可将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件，即所谓的“社会化制造”。“社会化制造”的另一优势是通过制造资源网和互联网，快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网，这是实现敏捷制造、精益制造和可持续发展的一种生产模式9。提升 3D 打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造10；开发更为多样的 3D 打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D 打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP 的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展 3D 打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用11。第 4 页 共 7 页随着 3D 打印技术的发展，3D 制作成本不断下降，制作精度进一步提高，在弥补传统工业不足的同时带动传统印刷产业的发展，3D 打印技术已在市场上形成不可阻挡的发展趋势12。此外，3D 打印机具有灵活性轻便性移动性，操作员可以通过网络发出指令，产品可以在不同的地方生产并配送给客户，颠覆了传统的生产时间和地点不易改变得观念，也颠覆了传统的供应链分销网的部署格局，可以实现真正的云制造。在未来的几年，也许一款款新的手机或者智能机器人，可以通过 3D 打印机完成材料打印、材料组合、产品组装整个制造过程13。2 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1 课题的研究目标对于基于 3D 打印齿轮系的设计与制造而言，零件的加工精度也容易保证，也容易适应零部件的快速更新换代。此次毕业设计要求学生针对带式传送机设计齿轮系统，针对零件尺寸要求，计算并设计出结构合理、性能优良的齿轮系统关键部件结构及其尺寸。利用 cad 以及 pro-e、solidwork 等软件进行齿轮系统零部件绘制以及三维图模型绘制。对推广和应用 3D 打印齿轮系统关键零件的方法有一定的理论意义和工程应用参考。本课题提出传送机齿轮系的结构方案比较与选择，针对所提出的结构进行计算确定各部件尺寸，并利用 cad 以及 pro-e 软件进行齿轮系的二维图绘制与三维建模目标：1. 齿轮传动系统二维零件图、装配图；2. 齿轮系关键零件的三维图；3. 齿轮系关键零件的 3D 打印成品；4. 设计说明书一份2.2 课题的研究内容内容： 1调查研究、查阅文献和搜集资料。2 阅读和翻译与课题内容有关的外文资料（外文翻译不能少于 2 万印刷字符，约合5000 汉字） 。3撰写文献综述，确定设计方案。4系统设计；传动方案的拟定；电动机的选择；传动装置的运动参数和动力参数的计算；关键部件尺寸计算等。5撰写毕业设计说明书。6绘制图纸（总装配图、部件图、零件图） 。2.3 拟解决的关键问题1. 齿轮设计方面参数选择要合理，如果参数不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形等都会增大齿轮传动系统的噪音。2. 选用的 3D 打印机要能够保证齿轮的加工精度，避免齿轮加工方面基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等问题。第 5 页 共 7 页二、研究方案的确定1. 方案的原理、特点与选择依据前置外传动为普通 V 带传动，后置外传动为开式圆柱齿轮传动，减速器为一级圆柱齿轮减速器。由于 V 带又缓冲吸振能力，采用 V 带传动能减小振动带来的影响，并且该工作机属于小功率、载荷变化不大，剋采用 V 带这种简单的结构，并且价格便宜，标准化程度高，大幅降低了成本。一级圆柱齿轮减速器中齿轮相对于轴承为对称布置，因而沿齿向载荷分布均匀，相较不对称的减速器来讲，州的刚性相对较小，原动机部分为 Y 系列三相交流异步电动机。开式齿轮传动优点：圆周速度和功率范围广；效率较高；传动比稳定；寿命长；工作可靠性高；缺点：要求较高的制造和安装精度；成本较高；不适宜远距离两轴之间传动。2设计步骤1) 根据负载、以及运动状态（速度、是垂直运动还是水平运动）来计算驱动功率。 2) 初步估定齿轮模数（必要时，后续进行齿轮强度校核，若在强度校核时，发现模数选得太小，就必须重新确定齿轮模数，关于齿轮模数的选取，一般凭经验、或是参照类比，后期进行安全校核） 。3) 进行初步的结构设计，确定总传动、以及确定传动级数（几级传动） 。4) 根据总传动比进行分配，计算出各级的分传动比 。 5) 根据系统需要进行详细的传动结构设计（各个轴系的详细设计） ，这样的设计一般还在总装图上进行。 6) 在结构设计的时候，若发现前期的参数不合理（包括齿轮过大、相互有干涉、制造与安装困难等） ，就需要及时的返回上面程序重新来过 。 7) 画出关键轴系的简图（一般是重载轴，当然，各个轴系都做一遍当然好） ，画出各个轴端的弯矩图、转矩图，从而找出危险截面，并进行轴的强度校核。 8) 低速轴齿轮的强度校核 。9) 安全无问题后，画出总装配图、零件图以及三维模型。10) 将设计好的齿轮系统关键零件用 3D 打印机打印出实物。三、作者已进行的准备及资料搜集情况(1)通过自学 SolidWorks 和 CAD 等软件为零件的建立模型打下了基础。(2)阅读相关书籍， 机械设计实用手册 ， 3D 打印成型及技术等。(3)从期刊中下载阅读相关文献资料。第 6 页 共 7 页四、阶段性工作计划与设计目标与应用价值阶段性工作计划设计目标与应用价值；1.掌握输送机齿轮系统原理,按照要求设计齿轮传动系统；2.熟悉 3D 打印机的工作原理，熟悉相关软件，能够用 3D 打印机制作齿轮系关键零件；周 次 工 作 内 容 检 查 方 式12撰写文献综述、开题报告调查研究查阅外文资料并翻译检查文献综述、开题报告完成质量检查翻译质量34 根据已知参数，进行理论计算；检查所有计算结果是否合理正确56 齿轮系的装配图的绘制 检查装配图78 零件图绘制、三维造型； 检查零件图质量及尺寸和三维图910熟悉 3D 打印机的工作原理及相关软件检查相关软件及原理的掌握程度1112 利用打印机打印指定零件 检查零件质量1314 零件的后处理工作 检查最终成品零件质量1516 撰写毕业设计说明书 检查论文完成质量1718 提交论文，毕业
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