立式加工中心XY方向进给系统以及床身的设计毕业设计正文.docx

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立式加工中心XY方向进给系统以及床身的设计毕业设计正文

立式加工中心X、Y方向进给系统以及床身的设计

1引言

1.1快速成型技术的产生和发展

1.1．1快速成型（RP）技术简介

快速原型制造技术，又叫快速成型技术，英文：

RAPIDPROTOTYPING（简称RP技术），RAPIDPROTOTYPINGMANUFACTURING，简称RPM。

快速成型（RP）技术是在90年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术,对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。

它于20世纪80年代后期产生于美国，很快扩展到日本及欧洲，比喻20世纪90年代初期引进我国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破，并由此产生一个新兴的技术领域。

它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将CAD和CAM技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件到三维实体原型制造一体化的系统技术。

它是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，是又CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。

快速成形（RapidPrototyping，RP）技术基于离散/堆积原理，采用多种直写（DirectWriting）技术控制单元材料状态，将传统上相互独立的材料制备和材料成形过程合，建立了零件成形信息及材料功能信息数字化到物理实现数字化之间的直接映射，实现了从材料和零件的设计思想到物理时间的一体化[1]。

进入21世纪以来，间接快速制模技术成为RP最重要的应用领域；生物活性材料快速成形成为RP研究中一个新的热点，快速成形的生物材料进入细胞和大分子层次；RP技术的研究重点逐步转移到快速制造（RapidManufacturing），主要是直接金属件的制造，快速成形技术的概念也由快速原型向快速制造转化[2]。

而基于喷射技术的熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM）正是当前最活跃使用最广泛的RP技术之一。

1.1.2快速成型技术的基本原理

传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料，从而达到设计所要求的形状、尺寸和公差，这种方法统称为材料去除制造。

快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。

1.1.3快速成型（RP）技术的特点

RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：

（1）成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；

（2）可以制造任意复杂形状的三维实体；

　　（3）用CAD模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；

　　（4）成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。

　　（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。

以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。

1.1.4快速成型（RP）技术的研究背景

自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

本次毕设的任务就是基于各种快速成型技术中的FDM技术提出来的

2.快速成型的分类及其应用

1.4快速成型技术的分类

目前快速成型技术在“分层制造”思想的基础上，已出现了数十种工艺方法，并且新的工艺还在不断涌现。

根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有选择性激光烧结法（SLS）、光固化成型法（SLA）、熔融沉积制造法（FDM）、叠层实体制造法（LOM）等。

1）选择性激光烧结法（SelectiveLaserSintering,SLS）工艺

SLS工艺是采用粉末状材料成型的。

用激光束在计算机的控制下有选择地进行烧结，被烧结部分固化在一起构成了零件的实心部分。

一层完成后再进行下一层，新的一层则与上一层牢固地结合在一起。

所有层完成后，去除多余未烧结的粉末，再经过打磨、烘干等后处理，便得到烧结后的零件。

如下图所示：

图1选择性激光烧结原理图

2）光固化成型法（StereolithographyApparatus,SLA）工艺

SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。

激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。

一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再铺上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。

如下图所示:

图2立体光固化成型工艺原理图

3）熔融沉积制造法（FusedDepositionManufacturing,FDM）工艺

FDM工艺一般采用热塑性材料。

材料在喷头内被加热融化。

喷头在计算机的控制下沿零件截面进行填充轨迹运动，同时将融化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。

材料挤压后堆积出一个层面，然后将第二个层面用同样的方法制造出来，并与前一个层面熔接在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。

如下图所示：

图3熔融沉积制造原理图

4）叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing,LOM）工艺

LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。

LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓．然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起。

激光束再次切割．这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型。

如下图所示：

图4Helisys公司的LOM系统装置原理图

5）其他工艺：

还有许多快速成型工艺已经投入商品化，如三维喷涂粘结（ThreeDimensionalPrintingandGluing,3DPG）、焊接成型（WeldingForming,WF）、光屏蔽工艺（Photo—masking,SGC）、直接壳法（DirectShellProductionCasting,DSPC）、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。

1.5快速成型技术的应用

1）在产品设计上的应用

一直以来，在CAD和CAM之间都存在着一个缝隙，即产品的CAD总不能在CAM之前尽善尽美。

快速成型技术的出现恰到好处地弥补了产品CAD与CAM之间的这个缝隙。

正因为如此，RP模型的早期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面，而且这几方面的应用至今仍然占据着较大的需求。

2）在快速模具上的应用

由于现代社会产品竞争十分激烈,产品快速响应市场往往是竞争制胜的关键,所以模具快速制造显得尤为重要。

传统模具制造的方法工艺复杂、时间长、费用高、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求。

即使是传统的快速模具,也常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正,而不能做到真正的“快速”。

因此,应用RP技术制造快速模具,在最终生产模具开模之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费用。

在RP原型制造出来之后,以此原型作为基础,采用一次转换或多次转换工艺,制造出实际的大批量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接模技术,目前是RP技术最重要的应用领域。

3）在医学领域上的应用

RP技术已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他医疗设备原型的制作，运用生理数据采用SLA、LOM、SLS、FDM等技术快速制作物理模型，对想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供非常有益的帮助。

这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到了广泛的应用。

1.2熔融沉积技术

1．2.1FDM熔融沉积造型概述

熔融沉积造型（FusedDepositionModeling,FDM）又称为融化堆积法，熔融挤出成模（MeltedExtrusionManufacturing,MEM）等.FDM工艺由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的设备[3]。

FDM工艺不使用激光器，其关键技术在于喷头，其基本工作原理是：

喷头在计算机控制下作X-Y联动扫描以及Z向运动，制作材料在喷头中被加热并略高于熔点；喷头在扫描运动中喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层，并与上一层连接在一起；这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。

类似的工艺还有MJS（MultipleJetSolidification）、MEM（MeltedExtrusionManufacturing）等。

研究FDM工艺的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。

Stratasys公司于1993年开发出第一台DDM1650机型后，又先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型。

近年来，美国3DSystems公司在FDM技术的基础上开发出了多喷头（Multi-JetManufacture,MJM）技术，即使用多个喷头同时造型，从而提高了造型速度。

1.2.2FDM国内外发展现状

目前研究FDM最主要的是美国Stratasys公司。

该公司成立于1990年，总部位于美国明尼苏达州，拥有FDM专利技术。

该公司于1993年开发出第一台FDM-1650机型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型；1998年又推出了采用挤出头磁浮定位（MagnaDrive）系统，可同时控制两个喷出头的FDM-Quantum机型；1999年推出可使用使用聚脂热塑性塑料的Genisys型改进机型GenisysXs[1]；目前该公司最新的机型有Dimension三维打印机、FDMProdigyplus、FDMVantage、FDMTitan、FDMMaxum快速成形机。

该公司自2002年起在年RP设备销售台数上超过美国3DSystem公司，成为世界上最大的RP设备销售商，目前Stratasys公司每年销售的RP设备占到全球销售总量的一半左右。

国内，华中科技大学、北京殷华公司等单位也从事FDM方面的研究。

北京殷华公司对熔融挤压喷头进行了改进，提高了喷头可靠性。

并在此基础上新推出了面向办公应用的MEM200型小型设备，面向工业应用的MEM350型设备以及基于光固化工艺的AURO-350型设备。

此外，殷华公司近几年推出了专门用于人体组织工程支架的快速成形设备Medtiss。

该型设备以清华大学激光快速成形中心发明的低温冷冻成形（LDM）工艺为基础，最多可同时装备4个喷头。

该设备成形材料广泛，可成形PLLA、PLGA、PU等多种人体组织工程用高分子材料。

成形的支架孔隙率高，贯通性好，在组织工程中有良好的应用前景[2]。

在FDM材料方面，熔丝线材料主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。

1998年澳大利亚的Swinburne工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝。

1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔中