毕业论文开题报告-刀具模型设计及SLS快速成形加工

毕 业 论 文 开 题 报 告 刀具模型设计及 SLS 快速成形加工 学学院：院：机械工程学院 班班级：级：班 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 职职称：称：教授 年月日 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材 料之一，应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期完成，经指 导教师签署意见、专家组及学院教学院长审查后生效； 2开题报告必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文 档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪 贴； 3毕业论文开题报告应包括以下内容： （1）研究的目的； （2）主要研究内容； （3）课题的准备情况及进度计划； （4）参考文献。 4开题报告的撰写应符合科技文献规范，且不少于 2000 字；参考 文献应不少于 15 篇，包括中外文科技期刊、教科书、专著等。 5 开题报告正文字体采用宋体小四号， 1.5 倍行距。 附页为 A4 纸型， 左边距 3cm，右边距 2cm，上下边距为 2.5cm，字体采用宋体小四号，1.5 倍行距。 6 “课题性质”一栏： （1）理工类：A.理论研究 B.工程设计 C 软件开发 D.应用研究 E.其它 （2）经管文教类：A.理论研究 B.应用研究 C.实证研究 D.艺术创作 E. 其它 “课题来源”一栏： A.科研立项 B.社会生产实践 C.教师自拟 D.学生自选 “成果形式”一栏： A.论文 B.设计说明书 C.实物 D.软件 E.作品 毕业论文开题报告 课题题目刀具模型设计及 SLS 快速成形加工 课题性质 ABCDE 课题来源 ABCD 成果形式 ABCDE 同组同学无 一、研究的目的 1.1 机械制造业的重要性 装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业， 是我国工业的主体， 覆 盖面广。目前，制造业是我国国民经济的重要支柱，也是我国经济增长的主导部门作为工 业主体的制造业的安全在国家经济安全中居于核心地位 1 。 还没有其它产业可以取代制造业在我国社会经济中的地位。21 世纪的制造业仍将是 我国国民经济的支柱产业，因此，我国仍需要大力发展制造业，通过优化产业结构、提高 技术水平，增强我国制造业的国际竞争力，提高我国的综合国力 2 。 1.2 机械制造工程刀具模型教具的使用现状和存在问题 切削加工是机械制造领域最重要的技术方法之一， 当今的高质量、 高效率和低成本的 生产要求是高速切削从理论到试验到技术应用的动力 3 。刀具技术是高速切削的重要保 证，在未来市场竞争中，谁先占领了先进制造技术的制高点，谁就把握了竞争取胜的主动 权 4 。这些都要求我们要学习好刀具方面有关知识。 在机械工程一级学科中的机械制造工程是基础中的基础，刀具部分是重点又是难点， 目前刀具教具主要以二维照片或实体刀具， 一般常用的刀具以高速钢为材料， 使得实际的 刀具重量大、体积小，刀刃比较尖锐二锋利因而有安全隐患，由于生产成本的缘故而较贵 5 。造成学生不易比较学习，单存的二维图形比较抽象不利于教学和学生理解。 学生学习刀具方面知识有困难，一方面：由于刀具的空间复杂性，学生依靠单纯的空 间想象来学习理解是很困难的，而且容易导致理解偏差而出错，不利于学生学习，因而他 们很难快速掌握，这在长远方面不利于机械方面创新型人才的培养， ；另一方面：单存的 二维图形不利于教学和学生理解，由于实际的刀具重量大，体积小，学生不易看清，因而 可以利用科学技术的飞速发展来促进教育方法、 手段的改革， 即非常有必要开发一套体积 大、重量轻的教具，并有针对性的放大某些部分使学生更方便理解比较，化抽象学习为具 体学习，将复杂知识简单化，让学生快速、高效、深刻的掌握刀具方面的知识。 1.3 选择性激光粉末烧结技术的简介、成型原理和特点 1.3.1 选择性激光烧结技术简介 选择性激光烧结 SLS 工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS 塑料等材料的粉末作为 成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择 地进行烧结(零件的空心部分不烧结， 仍为粉末材料)， 被烧结部分便固化在一起构成零件 的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧 结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件 6 。 1.3.2 选择性激光烧结法（SLS）成形原理 SLS 法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末 预热到稍低于其熔点的温度， 然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平； 激光束在计算机控制 下根据分层截面信息进行有选择地烧结， 一层完成后再进行下一层烧结， 全部烧结完后去 掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉 7 。 1.3.3 选择性激光烧结法（SLS）成形特点 用激光束来扫描各层材料，但 SLS 的激光器为 CO2 激光器，成型材料为粉末物质;成 型过程与零件复杂程度无关,是真正的自由成型;采用叠加造型原理,烧结过程中未烧结的 粉末成为天然的支架,因此 SLS 技术几乎可以成型任意复杂的零件;成型材料范围广,开发 前景广阔;成型速度相对较快,精度高;成型材料的易熔消失可代替蜡模直接用于精密铸 造,而且不必制作模具和翻模,因此可以通过精铸快速获得铸件;材料无浪费,未烧结的粉 末可重复使用 6 。 优点概括起来是： （1）可采用多种材料:理论上讲，可采用加热时黏度降低的任何粉末材料，通过材料 或各种含黏结剂的涂层颗粒制造任何造型。 （2）制造工艺简单:由于可用材料比较多，该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形 状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。 （3）高精度:该工艺一般能够达到工件整体范围内（0.05-2.5)mm 的公差。 （4）无需支撑结构：叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。 （5）材料利用率高：该工艺不用支撑，不需制作基底支撑，为常见几种 RP 工艺利用 率最高的，且价格较便宜。 缺点概括起来是： （1）表面粗糙：由于原材料是粉状的，原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐 层粘结的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。 （2）烧结过程有异味：SLS 工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态，高分子材料 或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。 （3）有时辅助工艺较复杂：拿聚酰胺粉末烧结来说，为避免激光扫描烧结过程中材 料因高温起火燃烧，需在工作空间加入阻燃气体，多为氮气。烧结前要预热，烧结后 要在闭封空间去除工件表面浮粉，以避免粉尘污染 7 。 快速成形加工技术由于不受零件复杂程度限制， 而且有以上诸多优点， 因而正好适合 体积大、 重量轻的教具的开发， 并可以制造出有针对性的放大某些部分使学生更方便理解 比较的刀具。 1.4 学习并掌握典型刀具的结构及各几何数据 1.4.1 车刀 车削非常适合回转件的加工，而且有易于保证工件各加工面的位置精度，切削过程较 平稳，适合有色金属的精加工，刀具简单等诸多优点。可以车回转件、螺纹、端面、沟槽、 成形面等 8 。 刀具的标注平面，在正交平面参考系中，车刀几何角度见图 1 9： 图 1 车刀几何角度图 它们的定义如下： 1、前角是正交平面内前刀面与基面间的夹角; 2、后角是正交平面内主后刀面与切削平面间的夹角； 3、主偏角是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角； 4、刃倾角是切削平面内主切削刃与基面间的夹角 10 。 1.4.2 铣刀 铣刀主要用于加工平面，铣削加工具有生产效率高、容易产生振动、刀齿散热条件好 等诸多优点，铣削加工形式很多，的类型和形状多种多样，因而铣刀有很多种类，因此它 的形式角度也复杂多样 11 。 铣刀的基本组成见图 2 9： 图 2 铣刀的基本组成图 1.4.3 麻花钻 麻花钻的基本组成，见图 3 9： 图 3 麻花钻的基本组成图 麻花钻的几何形状及角度图，见图 4 9： 图 4 麻花钻的几何形状及角度图 麻花钻有两条主切削刃和两条副切削刃， 两条螺旋槽钻沟形成前刀面， 主后刀面在钻 头端面上， 钻头外缘上的两小段窄楞边形成的刃带是副后刀面， 钻柄部方向有减小的的锥 角，有副偏角，一定厚度的钻芯，有横刃 12 。 麻花钻的主要几何参数的定义如下： 1、前角是正交平面内前刀面与基面间的夹角，钻头的螺旋角就是其前进前角; 2、后角是以钻芯为轴心线的圆柱面的切平面测量的夹角； 3、主偏角是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角； 4、刃倾角是切削平面内主切削刃与基面间的夹角； 5、顶角是两个主切削刃在与其平行的平面上的投影的夹角； 6、横刃长度是两个主后刀面的相交线长度 13； 总结： 金属切削试验证明,随着切削速度的提高， 多数金属材料的切屑形态发生变化， 又连续型切屑变为不连续型切屑，特别是钛合金、高温合金、淬火钢等加工性较差的材料 在高速切削时发生集中剪切滑移，且滑移变形区很窄，剪应变速度很大，剪切区温度很高 且为瞬时发生，使得该区域热量短时散不出去而使材料失稳 14-17 。因而有，钛合金 TC4 发生集中剪切滑移的临界速度大约为 9m/s 18 。 因此， 刀具的前角或螺旋角是非常重要的， 是学习的重点和难点，也是设计成败的关键。 二、主要研究内容 2.1 软件学习 学习使用三维 CAD 数据建模软件、快速成形数据处理软件。 2.2 CAD 数据建模 2.2.1 刀具测量 对刀具样品进行测量； 2.2.2 刀具分析 对刀具的特点进行分析，结合教学情况以及自己的经历，找出学习难点，提出合理的 有利于教学的刀具模型设计方案； 2.2.3 三维 CAD 制作 采用快速成形技术进行模型的的加工和制作， 首先需要准备好三维 CAD 数据模型。 目 前几乎所有的快速成型的加工制造方法都是借助于三维 CAD 数据模型， 经过恰当的切片处 理以设备可接受的格式输入，然后直接驱动快速成形设备进行快速加工制作。 因此，三维 CAD 数据分层处理，并离散成二维的截面数据，是整个毕业设计核心与关键。 选择性激光烧结技术前期数据处理： 由生成产品的三维 CAD 数据模型， 然后对数据 模型进行直接分层得到精确地截面轮廓或转化为三角网格形式的数据资料再分层， 从而得 到 RP 系统专用加工路径。再进行 STL 数据格式的预处理，使数据为 RP 系统所接受 7 。 选择性激光烧结技术中期数据处理： RP 成形技术是采用分层制造的工艺加工方法， 将产品的三维 CAD 数据模型传输与转换至 RP 技术系统中，在 Z 方向上切分成一系列的、 具有相同厚度的薄层；再将每层的信息换成控制 RP 成型设备运行的数控代码；RP 成型设 备根据控制指令进行二维扫描与快速制造；与此同时进行层与层的粘结工作。用 UG、 CATIA、Solidworks 等均可进行 RP 工艺数据的处理，这是此步的关键 7 。 选择性激光烧结技术后期数据实体建模处理：全部烧结完成以后，要去掉多余的粉 末，再进行打磨、烘干、加热等处理以获得零件模型 6 。 对刀具进行三维 CAD 实体建模，并作进一步修改； 2.3 数据修改完毕根据要求，使用快速成形设备加工出刀具实体 2.4 对刀具做后续处理。 三、课题的准备情况及进度计划 时间安排（周次）工作内容 早期进入阶段根据设计要求， 在图书馆文献检索系统及互联网上检索 相关文献和了解有关刀具、快速成形技术现状，进行有关 机械制造刀具方面的调研等准备工作，并撰写开题报告， 确定论文题目； 第 1-2 周整理资料，确定制作刀具的种类，完成有关刀具样品的 测量、分析； 第 3-5 周学习三维绘图软件的应用， 去实验室学习所要用的快速 成形设备的操作流程及规范； 第 6-8 周刀具的三维 CAD 建模， 并根据教学实际需要突出某些重 点、难点角度，完成零件草图的绘制； 第 9-11 周用快速成形数据处理软件对数据进行分层处理，保存， 导入快速成形进行加工，最终形成刀具的三维实体模型， 并进行后续处理； 第 12-13 周整理材料，完成论文写作及后续修改，准备答辩。 四、参考文献 1王润孝.先进制造技术导论.北京：科学出版社，2004.4:5-6. 2黄健才， 楼应侯， 朱从容.机械制造技术基础-2 版.北京： 机械工业出版社， 2011.6:1-2. 3Schulz H ,Abele E,He N.The High Speed Machining Fundamentals and Applications M.Scientific Press,2010. 4刘璇，冯凭等主编.先进制造技术.北京：北京大学出版社 2012.8:2-3,19. 5戴枝荣，张明远主编.工程材料及机械制造基础（I）工程材料-2 版.北京：高等教育 出版社，2006.3:120. 6莫建华主编。材料成形及快速建模.北京：电子工业出版社，2007.7：89-132. 7韩霞， 杨恩源等.快速成形技术与应用.北京： 机械工业出版社， 2012.2： 37-46， 128-144. 8邓文英，宋李红主编.金属工艺学，下册-5 版.北京：高等教育出版社，2008.4:57-58， 59-65,69-73. 9机械工人切削手册编委会.机械工人切削手册.北京：化学工业出版社，2011.9 10陆剑中，孙家宁.金属切削原理刀具-5 版.北京：机械工业出版社，2011.4 11孙庆群，周学明.金属切削原理与设备.北京：科学出版社，2007 12黄如林.切削加工简明实用手册-2 版.北京：化学工业出版社，2009.10 13冯之敬.机械制造工程原理.北京：清华大学出版社，2008.6 14An H P,Rui Z Y,Guo J F,et al.wear mechananism of coated during high speed machining C.International Conferrence on Digital Manufacuring & Automation (ICDMA),IEEE,2010:913-918. 15An H P,Rui Z Y,Wang R F,et al.A new method on choosing tool materials at high