基于Pro/E的快速成型機(jī)設(shè)計(jì)與分析*

陳滿儒，高 博，馬金鋒

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)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(gè)熱點(diǎn)。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(duì)材料的要求較高，很難達(dá)到經(jīng)濟(jì)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(jì)出一種更加經(jīng)濟(jì)合理的新型快速成型裝置。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要根據(jù)物理樣機(jī)反復(fù)安裝調(diào)試，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高，而虛擬樣機(jī)技術(shù)可解決這一問(wèn)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(jī)各零部件的三維實(shí)體模型，進(jìn)行整機(jī)裝配，縮短研發(fā)周期。與有限元分析軟件配合使用，可以對(duì)模型進(jìn)行深入分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為物理樣機(jī)的研制提供依據(jù)和參考［1］。

2 新型快速成型機(jī)設(shè)計(jì)

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(jì)一種能夠快速且簡(jiǎn)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(tái)上鋪一層熔融的石蠟，待凝固后作為雕刻的基板;

(2)計(jì)算機(jī)控制刻刀在蠟板上刻出制件的截面輪廓，通過(guò)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(guò)刮板清除;

(4)鋪料平臺(tái)通過(guò)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(shí)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(guò)對(duì)工藝流程的分析，該設(shè)備需要具備水平運(yùn)動(dòng)裝置、料斗攪拌裝置和鋪料臺(tái)升降裝置三部分。水平運(yùn)動(dòng)裝置主要帶動(dòng)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(lái)盛放漿料并保證漿料處于熔融狀態(tài);鋪料臺(tái)升降裝置主要實(shí)現(xiàn)鋪料臺(tái)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(jī)生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 兩種設(shè)計(jì)方案

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

圖2 方案一快速成型機(jī)鋪料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時(shí)，水平電機(jī)往返運(yùn)動(dòng)兩次實(shí)現(xiàn)石蠟和陶瓷的鋪設(shè)，然后開(kāi)始雕刻，雕刻完畢，豎直電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)下降，完成一次加工。

方案一的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，模型簡(jiǎn)單，便于安裝和調(diào)試;電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母在豎直方向直線運(yùn)動(dòng)，鋪料臺(tái)和絲杠螺母固結(jié)，實(shí)現(xiàn)鋪料臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)。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(tái)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?？紤]到鋪料臺(tái)易傾斜的影響，對(duì)升降裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的設(shè)備總長(zhǎng)500 mm，寬450 mm，高400 mm，水平方向運(yùn)動(dòng)行程300 mm，豎直方向運(yùn)動(dòng)行程55 mm，鋪料臺(tái)面積5.85×104mm2。方案二的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)，但是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。

圖3 方案二快速成型機(jī)鋪料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 關(guān)鍵部件對(duì)比分析

在陶瓷成型的工作過(guò)程中，對(duì)整個(gè)加工工藝影響最為重要的是升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，升降臺(tái)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(tái)臺(tái)面不變形對(duì)陶瓷成型至關(guān)重要。此外，鋪料臺(tái)要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行的平穩(wěn)性對(duì)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(tái)升降裝置分別如圖4、5所示。

圖4 方案一鋪料臺(tái)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(guò)螺栓固定于料盤(pán)上，絲杠設(shè)計(jì)為梯形螺紋絲杠，保證機(jī)構(gòu)能夠可靠自鎖;從整體結(jié)構(gòu)上看，絲杠和鋪料臺(tái)單邊支撐，機(jī)構(gòu)的可靠性主要靠鋪料臺(tái)的剛性保證。

與方案一相比，方案二采用了更復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，通過(guò)帶輪10、絲杠螺母6和橫梁7將運(yùn)動(dòng)傳遞給直線導(dǎo)軌13;從設(shè)計(jì)要精度上看，將梯形螺紋絲杠改進(jìn)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(tái)采用對(duì)稱支撐方式，可通過(guò)增大支撐塊與鋪料臺(tái)的接觸面積保證機(jī)構(gòu)的可靠性。

圖5 方案二鋪料臺(tái)升降裝置示意圖

3 快速成型機(jī)模型分析

通過(guò)對(duì)快速成型機(jī)工作原理的分析，鋪料臺(tái)升降裝置對(duì)產(chǎn)品的加工精度和系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性影響最大;和方案一設(shè)計(jì)相比，方案二主要對(duì)鋪料臺(tái)升降裝置進(jìn)行了改進(jìn);為了反映改進(jìn)的效果，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)升降裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)分析鋪料臺(tái)在漿料鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的變形量，進(jìn)一步對(duì)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(duì)鋪料臺(tái)升降裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化:

(1)對(duì)電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化:在只考慮電機(jī)質(zhì)量的情況下將電機(jī)對(duì)絲杠的影響簡(jiǎn)化為作用在電機(jī)安裝面上的遠(yuǎn)程力(remote force)。

(2)對(duì)螺栓的簡(jiǎn)化:由于分析重點(diǎn)不在螺栓強(qiáng)度，將螺栓全部簡(jiǎn)化，只在安裝面設(shè)置接觸為固結(jié)接觸(Bonded)。

(3)對(duì)軸承的簡(jiǎn)化:由于軸承相對(duì)于絲杠支撐的剛度充足，同時(shí)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(jiǎn)化:豎直導(dǎo)桿和導(dǎo)套通過(guò)螺栓分別固連在鋪料臺(tái)上，在載荷作用下豎直導(dǎo)套相對(duì)于導(dǎo)桿會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，但由于該結(jié)構(gòu)徑向剛度充足，忽略導(dǎo)套徑向的相對(duì)移動(dòng)，對(duì)導(dǎo)套施加圓柱約束僅保留其軸向自由度。

模型簡(jiǎn)化完成，使用ANSYS Workbench對(duì)方案一進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要包括以下步驟:

(1)單元的選擇:將該機(jī)構(gòu)單元類型設(shè)置為實(shí)體，用SOLID45單元進(jìn)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(dòng)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(duì)鋪料臺(tái)的壓力為非線性力，計(jì)算時(shí)情況復(fù)雜，但該力對(duì)豎直方向的變形量影響不大且不是本次分析的重點(diǎn)，因而根據(jù)實(shí)際工作情況，將受力簡(jiǎn)化為50 N豎直向下的集中力;

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

計(jì)算結(jié)果及計(jì)算后所得變形圖解如圖6所示。

圖6 方案一鋪料臺(tái)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(tái)升降裝置總變形圖

通過(guò)對(duì)結(jié)果分析，方案一鋪料臺(tái)在豎直方向變形量為0.138 28 mm，工作過(guò)程中鋪料臺(tái)發(fā)生傾斜，前后出現(xiàn)面差，被分成了兩個(gè)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(tái)的變形會(huì)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(huì)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(tái)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(jì)要求。

綜合對(duì)兩種方案優(yōu)劣的對(duì)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(jì)結(jié)果。同時(shí)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(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，Pro/E技術(shù)使設(shè)計(jì)更加直觀，零部件的相對(duì)位置關(guān)系清晰，同時(shí)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(guò)對(duì)兩種方案的關(guān)鍵部件，鋪料臺(tái)升降裝置的靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，方案一鋪料臺(tái)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(jī)構(gòu)可靠性方面考慮，選擇方案二為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。

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