选择性激光烧结快速成型铺粉装置的设计【3张CAD图纸和说明书】
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Nu me rie a lSimu la tio no f Tem Pe ra tu re Fie ldi nSe le c ti ve La e srSi n te ri ngi Ja n z ha ng , D eyin g Li , Jia n yu n Li, a n d Lon g z hi ZhaoKe y Lab o rat oyr of Mi;sytr o f Edu e a tio n fo r Co n v e yanc e an d Equ iPm e n t ,Ea s t Chin a Jia o to n g Univ e rs ity , Nan c han g 330013, Cih n az h j 61 1 512 6 . e o m , l i d e y i n g e e j t u o l 63 . e o m ,s h i x i n y u 84 103 11 2 6 . e o m , z h a o l o n g z h i163 . e o mAbs tr a et. hT e la se r sin te ir ng Pro c e s s o f mu ltiBe o mP o n e n t Po w de r W/ Cu 15simu lat e d by A NSY S s o ft ware ba se d o n ht e acf to rs o f riad at io n , e o n v e e tio n an dthermal Physie al Par a m e te rs o n temP e ratu re . hT e la ser Po w er an d se a ll ll in gv e lo eity whieh are the ke y Pr o e e s s Par m e te rs to afe et dire c tly in sint eir n gomlding ar e stU die d in PaP e r . hT e r e su lts show that whe n the scanm ng v elo c ity 15e o n stan t , the sint e ir ng deP ht 15 ir sin g with the in e re a se o f la se r Pow e r: Inad ditio n , w hen the la ser Po w er 15 e o n stan t , ht e sin teir ng de Pth 15 de e er a sing withthe in e re a se o f se an n in g v e lo c ity . To s el e e t re a s o n ab le Pro c e ssin g Par ame te rs an dm e e t the er qu ir eme n ts o f sin te ir n g qu al ity o n ht e s int ier ng de Pht , ht e Par ame te rso f la s e r Po w e r an d sean ning v e lo c ity are o Pti7z e d by an al yz ing the sin te ir n gde Pth .K eyw o r ds : Sele e tiv e la ser sin te ir ng , Nu me ir eal simu lat io n , Te lllPe ra tu re if eldSin te ir n g de Pht 1 In tr o dU Ctio nWC/ u c omP o site , a tyPie a l tw oBPha se Ps e u do allo y , e xh ibits e x e e lle n t e le etir e ale o ndu e tiv ity an d the r ma l e o n du eit v ity o f C u a nd high me lit n g Po in t a n d high har dne s so f W . It e an be u s ed a s ele eitr eal e on ta et a n d ele etr o de ma te ir al, militar y ma et ir al fo rsPec ial Pu rPo se (su c h as r o eke t n o z z le), an d he at sin k s u bs tr at e w iht high air tightn e s sPac ik n g o f C PU a n d so lidBstate7e ro w a v e tub e , e tc . S o WC/ u eo n1Po siet ha s be e nWidely u se d b oht in indu str y an d7litar y l , 2.Sele cit v e Las er Sin et r in g (SLS), whic h be c o m e s a re se ar c h fo c u s re e e ntly , c anm a n u fa ctur e dir ee tly the me ta l mo ld o r Part s Pro to tyPe wiht the eo m Ple x shap e fr o m3D C AD m o del , to o bta in the fu n ctio n al Part s me eit n g the re qu ir em e n ts . Fo r thead v a n ta ges o f sho rt m a n u fa e tu ir n g e yc le , w ide ar nge o f ma teir al s an d o ht e r s , SL S 15e xPe eet d to o btain the wBCu eo m Pon e n ts w iht high de n sity a n d c o n 1Plex shap e ht ato ht e r Pr o c e s s 15 diif e u lt to do . In hit s Pap e r , ht e et m Pe r at u re if eld distr ibu tio n o fwBC umix e d Po w de r 15 s tu die d by ANSY S n u m erie al sim u latio n , a n d ht e efe c ts o f la s e r e o er spo n ding a u tho r . Te l. : 13707096493.D.iL , Y. iL u ,an d Y. Chen (Eds. ): CC TA 2010, Paxt VI , IF IP AIC T 347, PP.474 es4 79, 2011. 】FIP nI tem a tio n al eF dera it o n fo r nI forma it o n rP o c es sin g 2011Nu m ei rea S i lu m la tio o n f Tem Pe rau te ri Fe li d nS e le e ti ve La s e rS i n tei r ng 45 7Po w e ra n ds a e n ni ng ve lo ei ty o s ni n te ri ng de PthPro s e es i ng Pa ra r nee trs a rs e e le ey e t d bs i e nti r ng de Pth,ht e sin et rin g Pr o ee s s o f wBCu mix e d Po w der .ar e an alyz e d.w hieh h a s gr eatThe re a so n a blesign iif e an e e fo r2 E Sta blishm el t of M0 del2. 1 E Sta blish poe n t o f Ma th e ma tic Mo d elThe m olte n Po o l ha s he a t eha n ge iw ht the sur o und in g iar an d Powd e r be d in SLS , an dht e ht emr al e o n du ctio n e an b e e x Pre ss e d by e qu ait o n (l ) 3., aT 2 aT Z2 、 _ aTP。 (=+/,+ =)+ q。 + q。 =./,(l)dxBBdz -Bd tWhe re k。 15 efe etiV e the r ma l c o nd u etiVity o f po wd er; P 15 c oa c ted de nsity ofPodw e r: C 15 h eat caP a city o f ma et ir al; q。 15 disPe r s ed he at to air: q: 15 la s e r Po w e rde n sityA s s u me that th e in iit a l temPe ratrU e TO o f Po w de r be d 15 ev e n ly disitr bu ted befo ersin et rin g, an d th e in itial e o nditio n 15 sho w n a s fo llo w s :T (x , , , z , ;):B。 = 0T (2)In or de r to simPlify eal c u latio n , as su m e that ht er e 15 n o h e at 10 55 o n the bo t o m o fs u bs tr at e . In SLS , ther e 15 he a t dis siPatio n by e o n v e e tio n an d rad iat io n , the bo u n daryC o nditio n 15 sho w ll as fo llo w s .,l , _ _ 、 _ , 、B=Bz+(1BI E)+gB1) = qdZ(3)Where k。 15 efe etiv e ther ma l e o n du etivity o f po w de r ; h 15 he at e o n v e e tio ne o e if eie n t: T 15 temP e rat ur e o f me tal Powd e r at a e e rtia n mo m e n t: a 15Set fa nBB o ltz ma n n c o n stan t:+15 iniit al temP e r autr e: 15 he at r adiatio n c oe if c ie nt o fa etu al o bj e cts .2. 2 Esta blishmen t o f Physiea l M o de lIn or de r to sllllPlify the sin et ir n g m o del a nd redu c e the e o m Putin g time , the if niteelem en t mo de l 15 e sta blished in Fig . 1. The m u litBeomP o n en t Po w de r e o n sist o fW a n dCu w ith a e e r tain Pcer e n tage , the siz e o f w hich 15 3 . 4mn lx l . 6m x O. 3Illn . To e n suer4 76 J. Zh n a gt el a.th e en o uh g me sh d en sit y in l a sr eh e at in gz n o e an dh et a af e ct edr egion an dr ed c e ut ime,ht e dife re n t me shin g siZe s c a n be ado Pted to the su bs tra te a n d sin te red laye r s . Theme shin g o f sin et red laye r s 15 sma lle r (0. Inu ), While the me shin g o f s u bstr ate 15 lar ger The Ga u s sia n e n erg y dis tr ibutio n o f la s e r 15 sho w n in Figur e Z, the la s e r e n er gyo f e e n te r 15 th e highe st, a nd the la se r e n e rgy 15 e o nit n u o u sly redu c ed a w ay fr o m thesPot c e n te r . The la s e r sP o t 15 diVide d in to 4 x 4 , a s sho w n an d ht e de e ay c o eif cie n ts o fl , 2, 3 ar e 0 . 8359552, 0. 5226424, 0. 32675764.3 2 2 32 1 1 22 1 1 232 3Fig. 1. Fin ite ele me n t mo del Fig . 2 . G a u s sia n e n e rgy distir bu tio n o f la se rIn the sin terin g Pro e e s s , the la ser e n e r gy o bey s ht e G a u s sia n disitr bu tio n .ZACqB7ep(B2p)(4)Whe re q 15 la ser Po w e r de n sity; P 15 la se r Po w e r: A 15 ab s o r Ptio n ra te o f Po w der bed tolas e r : r 15 dista n ee betw e en an y Po in t o n the Po w de r be d a nd la s er sPo t e e n ter :15ra diu s of la se r sPo t .3 Re su lts a n d A n a lysisThe Po w de r e o n sists o f W a n d Cu w ith a e ert a in Pe r ee n ta ge , the m eltin g Poin ts ar e3380 an d lo83oC , an d the o the r ht e rm al phy sic al pro pe r it e s o n tee r at ur e ar esho w n in T able 1 a nd Fig . 3 .The Pro e e s s Par ame et r s to simu laet that the sPo t diam eet r 15 0. 4m , the se an n in gsP a ein g 15 O 3nu , ht e Po w der ht iekn e s s 15 o . lm , ht e e o n v e eit o n eo efif cie n t o f ia r is10, the efe c tiv e r adiatio n c o eif eien t o f Po w de r be d 15 0 . 8.T able 1. hT e rlll a! Phy sie al Pro Pert ie s o f CuT/ 100C/J(kg lKV(m 203854053884042003923994004003798004203295004093556004 14342k).)Num ei rea i l Smu la tio o n f T1e n Pe ra tu e ri Fe ldi n Se le e ti ve La s e r Si n tei r ng 477BBB8f,UF.XV/ /40 0 800 1200 160 0 0 400 800 1200eTr ahe /(b)Themr a l e o eeie n t10B|1。6NJ.,4=,j&Te mPe r atUr e / C(a) SPeciif e he at eaPa e iytFig. 3 . hT ermal Phys ieal Pro Pert ie s o f wFig . 4 sh o w s ht e efe ets o f s e an n in g v elo e ity o n Po o l de Pht . A s se e n fr o m it, wh e nht e la s e r Po w er 15 e o n sta n t, het sin te r in g dePht 15 de er e a sin g w ith the inc re a s e o fs e a n ning v elo eity . The sin te r ing de Pth 15 0. 29r nm at =v 0. 12njI s , w hile o n ly 15 thesin et ir n g dePht 0. O76m a t v= 0. 20nI/ s . The re as o n 15 ht at hw en the laser Po w er 15e o n sat n t a n d the s c a n nin g v e lo eity 15 in e r e asin g , ht e inP u t laser e ne gr y de eer a se sMean w hile , the time ht at e n e r gy o n the Po w de r Par tic le s 15 de eer a sin g . EsP eeial ly athigh s c a n n in g sPe ed, ht e c o n ta et tim e be tw e e n e n e r gy a n d Po w der Par ticle 15 v e r y sh o r t,e v en ht e Po wde r Par tie le s e o u ld n o t be me lt fo r the e n e r gy tr a n sfer ar o u n d the Po w derPar it ele s w iht o u t en ou gh it m e . B u t ht e tem Per atu re 15 risin g qu ieik y at lo w s ean in gsPe ed, hw ie h lead s e a sily to gr eat e r he at ac c u m u lat io n efe c t, a n d er s ults in lar gerte n1Per atUT e gr ad ien t.hT e efe c ts o f la s er Po w er o n Po o l dePht ar e sho w n in iF g . 5. A s s e e n fr o m it, w he nht e s c a n n in g v elo eity 15 c o n s ta n t, the sin te rin g de Pht 15 risin g w ith ht e in e re as e o f la serPo w e r . The sin teir n g de Pht 15 o n ly o . 08ln nl a t P= 195w , a n d ht e sin te rin g de Pht 150. 30.IL90nQ。zdz*。-.F150U1nU、Fdz;。1tI02 0 14 0.16 08 0. 20 0.2 200 210 220 230 24 0Sea lI=v e loc iyt /(nT/ 5) Las er pow e rW/Fig. 4. Efe e ts o f se a n ning v e lo eity o n Po o lde Pth Fig. 5. Efe e ts o f la se r Po w e r o n Po ol de Pth8 7 4J. Zhn a g e tl a.in er e a sin g to0 . 2l mm a tP“ 2 35w. h Ter e a son 15 th a twh n e th e se an n in gv el oe i ty 15cn o sa tn tn ad h tel a sr eP o wr e 15 in r c e a sin g, ht e ou tP u t e n er gy d e n sity 15 ir sin g , B ut th ee x ce s siv e la ser Po w e r m ake s th e te mPe ra tu r e 50 high tha t the Po w de r Iayer s ha V e agr eate r eo n tr a e tion , a n d 15 e a sier to wapr in g a n d e ra eik n g .The la s e r Po we r an d s ean nin g v e loc ity ar e ht e ke y Pro e e s s Par a meter s to afe c tdier e lt y in sin te ir n g mo ldin g . The higher s ea n n in g v e lo c ity e a n n o t o nly efe e it v elys u PPr e s s ht e e x Pa n sio n o f m o lte n Po o l a n d ht e Ph e n o m e n o n o f ” sPla shin g” , but al s oimP ro v e the fo r7n g eif eie nc y . hT e r ea so n a ble la ser Po w er c a n n o t o n ly e n s u er thelaye r s bo n d w ell, but al s o r edu c e ht e e o n tr ac tio n a n d w a rPin g .hT e sin tier n g dePht m u st be gr eat e r ht a n th e Podw e r thiekn e s s , to e n su e the a dj ac e n tlaye r s bo n d w e ll by Pen e tr atin g ht e e=e n t layer , Other wise ht e adj a ee n t laye r s w ill bese Par ate d , a n d ht e Po or str e n ght an d ac e ur ae y o f fo r7n g w ill be o btain ed , e v e n ht efo r7n g e ou ld n o t be eo m Ple et d. iF g . 6 sho w s ht e et n 1Per atu re disitr bu tio n o fZBdir ee tio n a t dife ren t it me w iht a eert a in la s e r Po w er a n d sc an n in g v elo e ity . A s s e e nfr o m it, ht e ten1Pe r aut re o f 0 . In lnl 15 o bv io u sly higher ht an ht e m elit ng Po in t o f Cu(1356K) at t= 0. 058755 , it in die at e s ht at the sin ter in g deP th 15 gr eat e r th an ht e Po w de rht iee s s . 517lar ly , ht e sinetr in g de Pht ar e a bo u t 0. 14rnln a n d 0. 19nu at =t 0 . l l l25san d t= 0. 21125 5, s o the Powd e r ht ie kn es s is le s s ht a n the sin te rin g de Pht . A t the e uer n tPro e e s s Par am eter s , ht e re laet d jo in t be twe en th e if r s t layer an d s u bs tr aet is str o n g , a n dht e m etallur gie al bo n din g o f laye rs 15 w ell.The 3D Part s in SL S ar e e o lllPleet d by lin e s to s u rfa e e an d lay er by lay er o v er laP Ped,an d the fo llo w in g wt o e o nd itio n s sho uld be me t to fo r ln s o lid sutr eitr e by sin te li ng 5, 6.1) The degre e c o v er a ge of e n er gy shou ld be re qiur ed betwe e n se an n in g be am s , ht at15, th e se a n n in g v e lo eity e o u ld n o t be to o high w iht a eer tain Powe r de n sity , e n su r e ht atthe e n o u gh Po w er in Pu t to m ake the Po w de r in ht e c u r en t la ye r bo n d to geht er a n d fo rmthe ZD sur fa e e s tr u etuerht o u t lo o s e Powd er 2) The Po w de r ht iekn e s s 15 les s tha n the sin te rin g dePht , ht at 15 , the la se r Po w e rsho u ld e n suer ht e adj a e e n t laye rs bo n d w e ll by Pe n e tr iat n g the eur e n t layer to fo rm ht e3D bo dy str u c tu re 、yB135 。、Pf2 15V=6 m/S12 000 .0 0 0 01 0 0 8 0. 12 0. 16 0 k20 0 24 0 .2 8 0 .32ZBDir e eit o n /n u l lFig . 6 . Te lllPe ra tu re distir bu tio n o f ZBdire c tio n at dife r e n t time (1Bt l=0 . 058755, 2BtZ= 0. 1112553Bt3= 0.2 11255)N u me ri e la Simu lta io n o f Te ln Pre tau re F ie ld in Sele e tiv e L a se r Sin teri n g 4794 Co n Cll sio nl) Whe n th e s c a n n in g v elo e ity 15 e o n sta n t, the sin teir ng de Pht 15 ir sing w iht thein c re a se o f laser Po w er: In additio n , whe n the la ser Po we r 15 e o n stant , the siinier n gde Pth 15 de c er a sing w ith the in e re a se o f se a n n in g v e loe ity .2) To s e le et r e a s o na ble Pr o e e s sin g Par am e ter s an d m e et the r equ ir eme nts o fsin et ir n g qu al ity o n the sin et rin g de Pht , the Par am eet r s o f las er Powe r an d se a n n in gv e lo e ity ar e oPti7z ed by a nal yzin g the sin teir ng deP th.A ckn o w le dgeme n t . This w o rk w as sPo n s o re d by Seie n e e an d Res e ar eh Fo u ndat io n o fEas t China Jiao to n g nU iver siyt (01308013), the N atu r al S eienc e Fo und iat o n o f ij an gxirP o v in ee (09497, 2009GQC00 14, 2008GZCO037) a n d G r adu aet Inn o v at io nFo u n dait o n o f Ea s t Chin a Jia o to n g Uin v e r sity (YCOgC0 2).Refe r el Ces1.Liu , T. ,Fan , J. L . , iTan , J.M.: Syn the sis an d Sin teir n g o f lU tr aBif ne/ nan ome te r wB10% CuC o mP o site p owde r . Jo u rn al o f Ce n tral So u th U niv e rsity (Seien e e an d eT e hn o lo gy) 40(5),1235B1239 (2009)2 . G u , D . D , Shen , Y 、 F . : Mie ro stru ctu re s of La se r Sin te re d Micr oVn a n oBsizde CuBW Pow de r .Ae ta Me tia luigr e a Sinie a 45(l), 113B118 (2009)3 . Z han g , W.X . , Sih , Y . S . , Li, J . G .: Simu lat io n o f eT mP e ra tu re Fie ld of r OP tiiln z at io n o fPro e e s sin g P ar ame te rs o f Sel e e tiv e La ser Melting Met al P o wde rs . AP Plied La s er 28(3),185B189 (2008)4 Ma , L , Hu an g , W.D . , Yu , J. : Par me itr e Fi;te Eleme n t Mo de l o f T e n 1Pe ratur e/ stre s s Fiel dEv o lu it o n by Me ta l La se r Solid Fo rifn ng . Chin e se Jo u rn al o f Las e r 36(12), 3227B3232(2009)5 . K u ma r , 5 . , hC ate e , A N . , Sah a , P . : nA exP ier me n tal de sign aP Por a c h to sel e e tiv e la s e rsin teir ng o f low c a rbo n ste el. Jo u rn al o f Mat ier al s Pro e e s sin g eT e hn iqu e 136(1/3), 151B157(2003)6.To lo ehk o , N.K . , Mo z zhar o v , S . E. , Yad r o its ev , I.A .: Sele c tiv e la se r sin teir ng an d c ladding o fsin gl eBe om Po n e n t me tal Po wder s . RaP id Pr o to tyP ing Jo um al 10(2), 88B97 (2004) 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 选择性激光烧结快速成形技术铺粉装置的设计 专 业： 机械设计与制造及其自动化 学 号： 2010963009 姓 名： 高杰 指导教师： 周里群 完成日期： 2014 年 5 月 15 日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 选择性激光烧结快速成形技术铺粉装置的设计 学号： 2010963009 姓名： 高杰 专业： 机械设计与制造及其自动化 指导教师： 周里群 系主任： 刘柏稀 一、主要内容及基本要求1，选择性激光烧结铺粉装置是选择性激光烧结机的重要组成部分，它的精度影响工艺品的质量，所需设计的铺粉装置要求具有高精度，微进给，刚性高。结构紧凑，装配简单等特点。 2，分析铺粉装置的工作原理和技术要求以及构思方案（要有方案比较） 3，完成铺粉装置的结构设计，主要零部件的受力分析和强度计算，比如齿轮设计和强度校核，绘制铺粉装置的装配图以及零件图，要求图纸工作量在 2 张 A0 图纸左右（AutoCAD 绘图） 4，设计说明书一份，光盘一份。 5 英文文献翻译（含原文） ，要求：中文翻译要求通顺。 二、重点研究的问题1，选择性激光烧结铺粉装置的总体构思，执行机构的选择。 2，铺粉装置中传动部分的设计（丝杠的设计，齿轮传动的设计） 3，原动机的设计及选择步进电机。 4，激光器的选择和比较。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间1 熟悉课程及基础资料 第 1 周2 开题报告，制定设计方案 第 2-4 周3 方案的确定及数据的计算 第 5-8 周4 装配图的设计 第 9 周5 零件图的设计 第 10 周6 写出任务书 第 11 周7 修改 第 12 周8 答辩 2014 年 6 月4、应收集的资料及主要参考文献1安琦,顾大强.机械设计M.北京：科学出版社，20082赵丁选.光机电一体化设计使用手册M.北京：化学工业出版社，20033王至尧.特种加工成形手册M.北京：化学工业出版社，20094王运赣，王宣.三维打印技M.武汉：华中科技大学出版社，20135张建民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社，20126现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册M.北京：机械工业出版社，20067赵又红,周知进.机械设计课程设计指导M.长沙：中南大学出版社，20118沈鸿.机械工程设计手册M.北京：机械工业出版社，19829欧阳鸿武，陈欣等.特种粉末选择性激光烧结快速成型技术J.粉末冶金材料科学与工程,2007.210潘琰峰，沈以赴，顾东东，等.选择性激光烧结技术的发展现状J.工具技术，2004，38（2）：3-711杨军慧，党新安，杨立军.选择性激光烧结快速成型机铺粉装置设J.机床与液压.2010,1001-3881 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2010963009 姓名 高杰 专业 机械设计与制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 选择性激光烧结快速成形技术的铺粉装置设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度是否适中；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1 是否具有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构严谨合理；实验正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文规范；2.文字是否通顺，是否有观点提炼，综合概括能力较强；3.是否有理论价值或实际应用价值，是否有创新之处。综合评价选题符合教学计划要求，具有综合训练的目的，具有文献查阅的能力和计算机应用能力，立论正确，论述充分，分析处理正确，有应用价值，同意进行答辩。 评阅人： 2014 年 5 月 29 日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010963009 姓名： 高杰 专业： 机械设计与制造及其自动化三班 毕业论文（设计说明书） 48 页 图 表 3 张论文（设计）题目： 选择性激光烧结快速成形技术铺粉装置的设计 内容提要：选择性激光烧结技术是九十年代初 RP 技术中发展起来的又一种全新的原型制造方法，它以各种粉末材料（如石蜡，聚碳酸酯，石英砂，陶瓷以及金属等粉材）为加工对象。SLS 烧结设备，主要由扫描器，铺粉机构，激光源，预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其他种类的快速成型系统具有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可达 2m/s,故成形效率更高，SLS 系统基本上采用开环的 Z 轴位置控制结构，即不必实时测量零件的实际高度。选择性激光烧结铺粉装置它在很大一定程度上影响这工件成形的质量。本文通文献的检索和书籍的查找，发现在国内和国外运用铺粉装置的结构主要有两种方式，第一种是 DTM 式，第二种是 E.O.S 式。在国外使用较多的是 DTM 式，所以本文主要设计的类型选择是采用 DTM 式，并设计构思了两种方案，最终通过比较其优缺点，选择一种方案进行了设计。特点： 1， 实现了粉末铺覆的自动化；2，对铺粉层厚度可实现较为精确的控制；选择性激光烧结快速成形技术的铺粉装置的设计优化有利于改善 提高工件成形的质量，参数的优化选择也有利于改善产品的质量。 指导教师评语选题明确，方案合理，分析论证正确，图纸规范，遵守校规校纪，有较强的工作能力。指导教师： 年月 日答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年月 日 目录中文摘要3Abstract41 绪论51.1 课题来源51.2 研究目的和意义61.3 选择性激光烧结概述71.4 SLS 技术的发展历程和现状91.5 SLS 铺粉装置的目前现状101.6 本章小结122 选择性激光烧结的铺粉装置的设计132.1 铺粉装置的总体设计132.2 铺粉装置的第一种方 1案132.3 铺粉装置的第二种方案152.4 方案的比较及最终选择162.5 设计方案的设计要求162.6 本章小结173 铺粉装置的结构设计183.1 主机183.2 成型工作缸183.3 丝杠设计183.4 齿轮的设计273.5 步进电机设计313.6 废料回收缸333.7 铺粉滚筒装置333.8 送料工作缸 2343.9 激光器343.10 振镜式动态聚焦扫描系统343.11 机身与机壳364 总结375 致谢386 参考文献397 附录40 3选择性激光烧结铺粉装置设计摘要：近年来，集中先进的激光技术，粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,简称 SLS)工艺日渐成熟，SLS 无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，具有成形灵活性强，周期短，原料广泛等特点，在汽车，造船，机械，航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用，成为当前成形技术中的一个研究热点和几句发展潜力的前沿技术。为了分析铺粉精度对选择性激光烧结成型质量的影响，设计一种新型的铺粉装置。介绍该铺粉装置的工作原理，结构组成，设计要点。关键词：选择性激光烧结；粉末；快速成形；铺粉装置；铺粉精度 4Design of Spreading Powder Device of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping MachineAbstract: Slective Laser sintering(SLS),integrated the technologies of laser,powder and computer-aided design become more and more mature in the past ten years. The SLS can be used to sinter metal and nonmetal powders directly into full-densified and near-net shaped products.Because of having the merits of good flexibility,short production periods broad raw materials and so on,the SLS is now widely applied in many fields,such as automobile,shipbuilding, spacefight and aviation industry,and is considered as the technology in advance position.Precision of powder-laying is an important factor affecting selective laser sintering forming quality.A new kind of spreading powder device was designed.The working principles,structure constitution and design points were intrduced.Keywords:Selective laser sintering; powder; rapid shaping; spreading powder device; accuracy of powder-laying 51 绪论1.1 课题来源在机械制造业，长期以来采用的加工方法是减材制造法，即用刀具从较大的毛坯上逐步切除无用材料来制作工件的方法，传统的车、铣、刨、钻、磨等切削加工方法，以及现代的电火花成形与激光切割都属于减材制造法。它是机械制造业最常用的方法，减材制造的工件精度高，表面品质好，成形材料与加工机床之间通常不存在从属依存关系，因此适用材料广泛，不需要机床制造商研制提供专用的材料。但是，它采用的毛坯通常必须由铸造或锻造而成，并且往往还需要模具预成形，加工周期较长，材料利用率低，成本较高，此外，还受刀具或模具的限制，有时甚至无法成形一些内部形状很复杂的工件。图 1-1 机械制造方法a)减材制造 b)增材制造 增材制造法的出现是在 20 世纪 80 年代，率先实现增材制造的是快速成形技术，又称为自由成形技术，其核心是将所需成形工件的复杂三维形体通过切片转化为简单的二维截面的组合，因此不必要采用传统的加工机床和工、模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，在计算机控制的快速成形机上直接成形三维工件。成形过程如下：利用快速成形机中的软件，沿模型的高度方向对模型进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓图。快速成形机按照这些轮廓图，分层沉积材料，成形一系列二维截面薄片层。快速成形机使片层与片层之间相互黏结，将这些片层顺序堆积成三维工件实体。由于增材制造法通过三维至二维的转化使工件的成形大为简化，因此只需传统切削加工 30%至 50%的工时和 20%至 35%的成本，就能直接制作复杂的三维工件，在机械制造业引起 6了巨大的反响，曾经被誉为制造业的一场革命。在这 20 多年的努力下，实现快速成形工艺的关键设备已经有 5 种商品化，即：激光固化式（SLA） 、激光烧结式（SLS） 、贴片刻写式（LOM） 、喷墨黏粉式（3DP）和熔融挤压式（FDM）等形式的快速成形机。在这 5 种快速成形机中，前 3 种都是用激光束使材料逐层成形，本篇论文所设计的题目是基于激光烧结式，即用激光束烧结材料使之成为三维工件的快速成形机。现设计一套自动铺粉装置，实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度、粉末层密度大小的精确控制，目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验的要求水平。1.2 研究目的和意义金属成形精度和密度是快速成形技术在工业应用中的关键问题之一，近年来，集中先进的激光技术粉体技术和计算机控制技术的选择性激光烧结工艺日渐成熟，SLS 无需模具就可将金属和非金属粉末直接逐层烧结成近净形致密零件，在汽车造船机械航空与航天等诸多领域逐渐得到广泛应用。选择性激光烧结技术有如下的特点：（1）材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙塑料金属陶瓷的包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。SLS 可根据不同的用途选择不同的材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型（或芯） ，用石蜡粉或塑料粉烧结熔模铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。（2）SLS 技术不需要特殊支撑，多余材料易于清理，适合原型及功能零件的制造等优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到 100%。（3）工艺过程简单。与其他原型制造工艺（如 SLA,LOM 等） ，SLS 成形无须研究专门的废料清除工艺。（4）具有广阔的应用前景。SLS 可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从从目前的国内外 SLS 技术的研究情况来看，覆膜砂，石蜡粉以及塑料粉三种材料的激光烧结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研发阶段，陶瓷粉末的激光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。在本论文中所设计的选择性激光烧结机械系统中铺粉装置，它是对选择性激光烧结成形质量是有重大的影响，它实现了粉末铺覆的自动化和铺粉厚度，粉末层密度大小的精确控制，目的是使生成的金属构件在精度及物理性能上达到实验要求的水平。铺粉装置的特点：（1）整套装置利用了机械部件与电气元件的组合，实现了机电一体化，提高可工作效率与自动化程度。 7（2）铺粉装置机构装配简单，结构紧凑。（3）粉末层的密度可以根据所用粉末材料的特性通过调节步进电机的运动参数进行适当的调节，扩大了快速成形机的使用范围。对成形工件质量，是否符合用户所要求，在未来增材制造技术中将会越来越受到重视，随着选择性激光烧结技术的成熟，我们对产品的要求会越来越高，而对影响工件的质量的各种因素将会越来越受到科研学者的重视，而铺粉装置仅是其中的因素之一，而且它也有很多改进的地方，所以，在未来的发展过程中，它的意义是非常重大的。1.3 选择性激光烧结概述激光选区烧结工艺 SLS（selected laser sintering） ，又称选择性激光烧结，它是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术。SLS 工艺的基本思想是基于离散-堆积成形的制造方式，实现从三维（CAD）模型到实体原型/零件的转变。选择性激光烧结快速成形技术的原理如下：（1）在计算机上，实现零件模型的离散过程。首先利用 CAD 技术构建被加工零件的三维实体模型；然后利用分层软件将三维 CAD 模型分解成一系列的薄片，每一薄片称为一个分层，每个分层具有一定的厚度，并包含二维轮廓信息，即每个分层实际上是 2.5维的；再用扫描轨迹生成软件将分层的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。（2）在 SLS 成形机上，实现零件的层面制造。堆积成形的过程：首先在成形缸内将粉末材料铺平，预热之后，在控制系统的控制下，激光束以一定的功率和扫描速度在铺好的粉末层上扫描。被激光扫描过的区域内，粉末烧结成具有一定厚度的实体结构。激光未扫描的地方仍然是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去除，这样得到零件的一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞上移一定距离，成形活塞下移一定距离，通过铺粉操作，铺上一层粉末材料。继续下一层的激光扫描烧结，而且新的烧结层与前面已成形的部分连接在一起。如此逐层地添加粉末材料，有选择地烧结堆积，最终生成三维实体原型或零件。（3）全部烧结完成后，要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨，烘干等处理便获得原型或零件。激光选区烧结快速成形设备的主要构成机械主体部分光路系统控制系统冷却装置辅助加热装置等部分组成。下面简单介绍各个部分的组成：机械主体部分（1）机架 用于支撑设备的其他部分。 8（2）工作平台 用于安装铺粉机构和活塞缸，同时作为它的安装基面。（3）铺粉机构 有滚轮式和刮板式两种。作用是不断提供成形用的粉末并将粉末铺平。滚轮式在直线运动过程中作反时针旋转，将供粉缸中的粉末送至成形缸，并使平面平整。对于大多数粉末材料，滚轮式结构的铺粉效果优于刮板式结构。（4）供粉系统 有活塞顶出式和漏斗下料式两种。无论何种方式，成形时每次的送料量均应大于成形室的单层成形体积。（5）集料箱 用于收集铺粉过程中多铺的粉料和卸料。（6）通风除尘机构光路系统（1）激光器 在 SLS 成形机上用于烧结塑料聚合物粉末的激光器多采用二氧化碳激光器，最大输出功率为 50W，其特点是寿命长，效率高，结构紧凑，输出稳定，可靠性高，易于控制。（2）反射镜 将激光束导入聚焦系统。（3）扩束聚焦系统 为了得到较小的聚焦光斑。（4）扫描器（5）指示光源 由于加工用的激光束是不可见光，不便调试和操作，引入可见光，能够清晰看见激光光路，便于各光学元件的定位（6）光束合成器 控制系统SLS 成形机的控制系统由计算机和多快控制卡组成。其基本过程是由计算机控制铺粉机构，将粉末均匀地铺在烧结面上，然后控制激光器和扫描器，使激光束在烧结面上扫描。完成一层的烧结后，烧结面下降一段距离，完成一次烧结过程。不断重复，最终就烧结成了三维实体。一般情况下铺粉装置有多台伺服或步进电机，其中有控制供料缸和成形缸的，一种用于驱动铺粉小车作水平运动，一台用于铺粉小车的滚轮转动，由计算机对各步进电机驱动器进行控制。1.4 SLS 技术的发展历程与现状1.4.1 选择性激光烧结技术的发展历程SLS 最初由德国萨斯大学奥斯汀分校的 CARL DECKARD 于 1987 年在其硕士论文中提出，之后美国的 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生产设备 sinter station2000。随着研究的不断深入，特别是激光束控制技术的突破，美国的 DTM 公司，德国的 EOS 公司，比利时的 Leuven 大学，英国的 MCP 公司，我国的北京隆源自动化成型有限公司，南京航空航天大学，西北工业大学，华北工学院和华中科技大学等单位研发的 SLS 成形机，功能不断完善，性能不断提高。按 SLS 的原材料特性的不同，SLS 的发展可分为 2 个阶段：1）利用 SLS 技术烧 9结低熔点的材料。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段，所用的材料是聚合物，低熔点金属或陶瓷的包覆粉末（或陶瓷与聚合物的混合物） ；2）利用 SLS 技术直接烧结高熔点金属材料（如钛合金，镍合金等） ，这是 SLS 的重要发展方向之一。国外许多快速成形系统开发公司和使用单位对快速成形材料进行了大量的研究，开发出了多种适合于快速成形工艺的粉末材料。美国的 DTM 公司于 1993 年推出了Rapidsteel 制造技术，在 SLS-2500Plus 系统中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具，此模具 EOS公司开发了可直接对未预热的金属粉末进行烧结的 EOSINT M250 系统。该系统所使用的由不同金属粉末组成的混合粉，适用于制作滚轴和注塑模具。日本大阪大学焊接研究实验室的 MURAKMI T 等用激光焊接技术，成功制备出高精度高分子材料工件，也可以制备具有高致密度但表面精度稍差的金属件，与此同时，SLS 用粉末材料的研究也取得进展，粉末的品种越来越多。目前，在国内，正在逐渐运用于生物应用领域，采用 SLS 技术可快速制造医用模型，个体化设计和生产植入体及组织工程支架，并可通过调整 SLS 和后处理工艺参数，实现对生物医用材料的微观结构及力学性能的控制，只生物医学应用领域具有重大的价值，比如在当前北京科技大学新材料技术研究院正在研究采用 SLS 成形技术结合后处理的方法制备生物医用的多空金属材料，已经取得了一定的成果，所以，这可以说明，利用 SLS 技术，能方便地制备利用细胞粘附和长入的表面粗燥且多孔的金属材料，尤其是生物相容性和力学性能优良的钛及钛合金材料，这将是 SLS 技术在制备生物医用材料领域的一个重要的发展方向。 （当前，在基于选择性激光烧结技术的基础上，也提出了一种密排电阻丝烧结这种新型快速成形方法一种新的成形过程中的加热方法。意义就在于替代价格昂贵的激光器，可以大大减小成型设备成本，并且可以整截面层同时烧结成型，具有区别于其他快速成形技术的独特的优点。如果这项技术得到推广，那么它将在快速成形技术又将是一大亮点，使得未来的快速成形技术得到进一步发展和应用。 ）总而言之，选择性激光烧结技术是当前较成熟的快速成形方法之一，它在航空，航天，医用等领域逐渐得到重视，这在我们国家建立节约型，环境友好型的中国将会具有重大的意义，它值得我们的科学家，研究者去研究，去普及，去推广到更多的领域。1.5 SLS 铺粉装置的目前现状目前市场上 SLS 成型机产品很多，但从成型过程来看，其原理大体分为两种。一种是 DTM 为代表，而另一种是以 EOS 为代表。下面就以这两种为例，分别加以介绍 101.5.1DTM-分缸铺粉成型系统的主体结构在一个封闭的成型室中安装两个刚体活塞结构。一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始前，用于红外线板将粉末材料加热之恰好低于烧结点的某一温度。成型开始时，供粉缸内活塞上移一给定量，而成型缸内活塞下一相同量。铺粉滚筒将粉料均匀的铺在成型缸的加工面上。激光束在计算机控制下以给定速度和能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之初粉末被烧结，固化为给定厚度的一层，为烧结的粉末被用来作为支撑。这样，零件的第一层制作出来了。而后，供料缸，成型缸分别重复操作上述动作。激光束按第二层信息扫描，被烧结的粉末未固化成第二层。如此反复至完成。如图所示图 1 DTM 式1.5.2-送料槽铺粉在 E.O.S 系统中，烧结固化过程与 DTM 过程相同。而铺粉方式有所不同。粉末的铺撒是有一个槽型喷嘴实现的，其导向跟踪板的轮廓被设计成当喷头从一边偏向另一边是保持喷力的方向始终垂直于工作面。喷头侧面设计有刮刀装置。 11图 2 E.O.S 式1.6 本章小结本章是全文的前言部分：1，本文的课题来源，背景，是来自于当前前沿制造技术的部分，增材技术是当今社会一个很好的发展趋势，因此，这要求我们科研者具有开拓创新精神，致力于该方向的研究。2，研究的目的和意义，本文主要是对 SLS 制造技术的铺粉装置的设计，它对成形工件的质量的影响是十分重大的，它的改进，优化或者设计创新对以后 SLS 的在增材制造技术领域或有很多重大的突破。3，SLS 快速成型技术的当前背景和研究现状以及它的铺粉装置的当前的研究的现状。 122 选择性激光烧结的铺粉装置设计2.1 铺粉装置的总体设计选择性激光烧结快速成型机主要由数据处理和成型执行机构两大部分组成。数据处理部分包括根据三维模型构建加工轨迹的离散过程软件，并由与快速成型机配套的计算机处理。成型执行机构部分根据离散后的信息由数控设备来完成执行和控制加工过程。本文对执行机构即铺粉装置进行了两种方案的构思，所设计方案如下所示2.2 铺粉装置第一种方案2.2.1 铺粉装置的原理选择性激光烧结快速成型机执行机构原理如下图，由工作台，铺粉装置，激光器，激光光路发生系统外加辅助系统组成。铺粉装置主要由伺服电机，滚珠丝杠，铺粉轧筒，工作缸体，齿轮和齿条等组成。在烧结前或烧结过程中，把要烧结的粉末倒入供粉缸 8 中，根据工艺要求对供粉缸 8 进行预热，预热温度用温度传感器进行检测，并能进行闭环自动控制。待供粉缸中的粉末达到预定的预热温度后，由计算机发出指令，控制铺粉轧筒 3 由供粉缸 8 向成形缸 9 移动，把供粉缸的活塞 6 顶起的一定量的粉末均匀，平整地铺在成型缸 9 的工作面上，激光开始扫描烧结。如此循环往复，层层堆积直至整个零件 4 完成为止。在这一工作过程中，密封装置使工作腔保持密封，其作用一是保持工作具有恒定的温度；二是保证粉末只在工作腔内活动，余料回收方便；三是避免烧结过程中发生氧化反应。 13图 2-1 成型机构工作原理图1,齿轮 2，工作台 3，铺粉轧筒 4，工件 5，激光发生器 6，活塞 7，滚珠丝杠8，供粉缸 9，成形缸 10，伺服电机2.2.2 铺粉装置的机构 14图 2-2 铺粉装置的结构2.3 铺粉装置的第二种方案该铺粉装置的工作原理和第一种方案基本是差不多，但是它在机构的设计中未选择用联轴器连接而是选择使用齿轮传动，而且在成形缸的右侧设置了废料回收缸，以便能够节约材料，让材料得到充分利用。其结构如下图所示 15图 2-3 铺粉装置的机构2.4 方案的比较及最终选择方案一与方案二的比较分析得知，方案一装配简单，结构紧凑，粉末层的密度可通过步进电机进行适当的调节，方案二结构虽复杂，但从节约原材料的角度去考虑，而且齿轮传动工作可靠，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高，所以方案二是一个可行性方案。通过比较，选择设计方案二，进行设计和论证。2.5 设计方案的要求：工作内容和要求：成型空间：300300300mm最大成型件的重量约为：5Kg烧结深度/托盘的层间下降距离：0.1mmZ 方向的定位精度：0.01mm2.5 本章总结本章主要是对铺粉装置整体的一个构思，通过分析比较，确定最终的选择方案，而且所设计的方案主要是在本文第一章所阐述的 DTM 式的铺粉装置，当前国内主流是E.O.S 式的铺粉装置，而国外选择的多是 DTM 式的铺粉装置。所以鉴于此，选择尝试设计 DTM 式的铺粉装置。 163 铺粉装置的结构设计3.1 主机主机主要由成型工作缸，废料回收缸，铺粉轮筒装置，送料工作缸，激光器振镜式动态聚焦扫描系统，机身与机壳等组成。3.2 成型工作缸在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距离及为层厚。零件加工完后，缸升起时，一边取出制件和为下一次假工作准备。工作缸为圆型缸，下部有活塞装置，活塞杆由连接装置连接丝杠螺母装置。丝杠有步进电机驱动，丝杠转动，带动丝杠螺母上下移动，通过连接件从而使活塞作上下运动。具体结构如下图图 3-1 传动部件结构尺寸：底为直径 400 毫米的圆形，高为 300 毫米。3.3 丝杠的设计3.3.1 丝杠的类型的确定滚珠丝杠副的组成及其特点： 17滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件一滚珠。它由丝杠，螺母，滚珠和反向器四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返向通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。与滑动丝杠副相比较，滚珠丝杠副除上述的优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动可逆性，在用作升降传动机构时，需要采取制动措施。从作用上来看，两者相同从应用上去看，滚珠丝杠多用于数控机床，定位工作台。而滑动丝杠一般仅用于传递力，无较高定位要求不长的场合。基于选择性激光烧结的快速成型技术的铺粉装置的设计要求，定位精度要较高，因为滚珠丝杠副更适合于此。3.3.2 丝杠的设计丝杠的导程计算： maxhoVPnIPho-导程 （mm）Vmax-工作台最大移动速度（mm/min）nmax-电机最大转速（r/min）I- 传动比，从输出端（马达）至输入端（丝杠）的传动比。通过对已知条件的比较，初步选定丝杠导程为 4mm。丝杠螺母位置简图如下： 18图 3-2 滚珠丝杠 (1) 滚珠丝杠进给力的计算在设计滚珠丝杠时，首先确定其名义直径，螺距及滚珠直径等，确定上述参数一般是放在防止疲劳点蚀的基础上，对滚道上的点而言，其应力状态是交变的接触力。因此设计时必须保证它在一定轴向负载的作用下，这种名义直径和螺距的滚珠丝杠回转一百万转后，不产生点蚀现象，这个负载成为滚珠丝杠的最大动载荷。作用在滚珠丝杠上的进给力主要包括上下运动件及成型原料的重力和运动件间摩檫力，其数值大小模拟机床丝杠导轨的计算大小。对于活塞，牵引力可由下式计算：Fm=KFx+f(Fz+G)式中 Fx Fz-重力 NK-颠覆力矩影响的实验系数f -运动件上摩檫系数G-移动部件重量 N由于此设计采用的运动件摩擦较小，所以 f=0.030.05，取 f=0.05，（2）滚珠丝杠的刚度计算1 轴向总刚度滚珠丝杠传动系统的刚度受到所有与其相连的部件(如：轴承、支承、螺母座等)的影响。 19图 3-3 丝杠传动副公式： 1/R tot=1/Rs+1/Rnu+1/RaLRtot-传动系统轴向总刚度（N/m）RaL- 支承轴承刚度（N/m）Rs- 丝杠刚度（ N/m）Rnu- 螺母刚度 （N/m ）Fa - 轴向负荷 （N）2 支承刚度支 = F a/Rtot- 轴向弹性变形量 （m）承轴承刚度 RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。RaL=Fa/ aL 20RaL-支承轴承刚度 （N/m）Fa - 轴向负荷 （N） aL- 支承轴承弹性变形量（m）3 螺母刚度 在多数情况下，丝杠刚度 Rs 远远小于螺母的刚度 Rnu，R nu一般为 Rs的 3 至 5 倍。有预加载荷的螺母刚度当检测预紧载荷 Fao等同于额定动载荷 Ca的 10%及轴向载荷 F 为额定动载荷 Ca的 30%时，螺母刚度为系列表中刚度值的 80%，若预紧载荷 Fao不同于额定动载荷 Ca的 10%时，则刚度计算如下：1/30.8aonuRCRnu - 螺母刚度（N/m）R - 系列表中的刚度值（N/m）Fao - 轴向负荷 （N）Ca - 系列表中的基本动载荷 - 刚度计算系数 =0.1 为垫片式预警、=0.05 为增大钢球式预警4 丝杠刚度丝杠刚度 Rs取决于安装支承的形式。设计采用一端固定支承图 3-4 丝杠支撑 21211(0.7)65oWssdDRLRs1- 丝杠刚度（N/m）d0 -公称直径（mm）Ls1 -轴承与螺母的距离（mm）Dw - 滚珠直径（mm）一般来说丝杠在使用时，1000mm 长的丝杠在每上升 1oC 就有 12m 的伸长量，因此即使滚珠丝杠的导程经过高精度的加工，也会因温升而产生变形，使定位精度有所误差，除了选择正确的润滑剂及冷却方式外，还应采用以下措施： 机械高速运转升温，达到稳定状态后使用； 丝杠安装时施予预拉载荷； 使用闭环控制的方式定位。(3) 滚珠丝杠强度的计算在计算滚珠丝杠时，首先从工作负载推算出最大动负载，计算时可采用滚珠轴承同样的方法，从机械零件得：3FQLQ最大动负载 NF工作负载 NL寿命 （以 106位单位）而寿命 L 可按下式计算610TnLn滚珠丝杠的转速 r/minT使用寿命时间 h 查表得 T=15000h初步计算导程 L0max0nvLvmax活塞最快快进速度 mm/min vmax =3600mm/min 22nmax丝杠最大转度 r/min nmax=1500r/min所以 L0=3600/1500=2.4 初取 L0=4mm得丝杠的转速= 900 r/minmax0113.64vn所以寿命值6690581011TL考虑到滚珠丝杠在运转中有冲击振动和滚珠丝杠的硬度对其寿命的影响，最大动负载的计算公式为：Q= fw fH F3Lfw运转系数 查表取 fw=1.2（轻微冲击）fH硬度系数 查表取 fH=1.0 （滚道实际硬度 HRC 大于 58）Q= 1.21.0216.43810=2420 N根据最大动负载的值，选取滚珠丝杠的公称直径 d0=16mm, 选用的滚珠丝杠螺母副的型号为 SFU1605-4 型，其额定动载荷为 3390N，符合设计要求。具体参数如下表：表 3-1 丝 杠设计参数一般情况下数控机床的导程精度为 E 级（4）传动效率的计算根据机械原理 ，丝杠的传动效率 可按下式计算： = tan 丝杠的螺旋升角 摩擦角滚珠丝杠尺寸型号中径 大径导程循环圈数滚珠直径 螺旋角 动负载SFU1605-4 16 15.54 31 1.762 233 3390 23滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004，其摩擦角约为 10，即tan =f=0.0030.004。所以 = =tan96.0134tan0即滚珠丝杠副效率为 96%。（5） 稳定性的验算由于丝杠的两端采用的是深沟球轴承和角接触球轴承，此种情况下，丝杠不会发生失稳现象。故不需要稳定性验算。（6）丝杠固定支撑件选择丝杠选择一端固定，另一端支撑。固定端如下图图 3-5 丝杠固定端支撑端如下： 24图 3-6 丝杠支撑端3
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