挤压加工（共5篇）
挤压加工 篇1
在食品工业中, 布勒挤压技术作为传统挤压技术的升级工艺, 适合加工以碳水化合物 (淀粉占有很重要的位置) 和蛋白质为基质的原料。挤压时, 原料在螺杆的驱动下通过模具挤压成型, 为保证成型孔 (模具孔) 不堵塞, 必须使原料在压力和加热作用下完全或部分呈流体状态;挤压结束后, 刀具将产品切割成目标尺寸和形状;最终产品的质构、容积密度、颜色、味道等特性由原料和挤压参数决定。挤压过程中原料经过淀粉糊化或蛋白质组织化等可发生化学或物理改性。挤压机还具有输送、融化、搅拌 (分散和均质) 和配比等多种功能。本文拟对布勒挤压工艺所带来的产品增值和收益进行介绍。
副产品增值
谷类食物是人们的主要食品, 全球的食品厂每天要加工数百万吨谷物。在谷物 (特别是小麦) 加工过程中, 除了获得高品质面粉, 还会产生低等级面粉和麦麸等副产品。利用布勒挤压技术可以对副产品进行深加工, 将其以较低成本应用于饲料工业, 或以改良形式添加于其他食品中, 也可将其转变为高级食品。挤压后, 麸片的价格比原始麦麸提高一倍, 而且麦麸的高膳食纤维含量还为其树立了“健康”形象。谷物类挤压产品主要包括谷物早餐、营养多谷片、挤压面包 (面包屑) 、变性面粉等, 可以用作汤料和沙司的增稠剂或用于焙烤食品加工。
改良面粉用途更广
采用布勒挤压工艺进行挤压时无需添加任何化学物质, 因此特别适用于面粉改良。进行面粉改良时, 可以根据客户需要或特殊用途要求, 选择适当的挤压参数, 调节面粉-水悬浮液的粘性, 然后向挤压机输入一定热能和机械能, 即可产出溶于冷水或热水并具有一定粘度范围的最终产品。经改良后的面粉叫变性面粉, 亦称高持水面粉, 具有高吸水性和溶解性, 可作为粘结剂、填充剂或保鲜剂用于各类焙烤制品中。即使有“绿色标签”的产品 (未使用E编码成分) , 也可放心使用 (只需在成分表中进行声明即可) 。
替代传统工艺降低面包屑生产成本
挤压机还可用于面包屑的生产。与传统挤压工艺要求使用小麦或黑麦的高蛋白面粉相比, 布勒挤压技术大大丰富了原料种类, 几乎可以采用所有含淀粉类的原料 (如低等级的面粉、玉米粉、米粉或土豆粉等) , 而且可以轻松解决原料品质波动对产品的影响。同时, 在挤压过程中, 面团的发酵作用既可以通过挤压机模具内外的膨胀作用实现, 也可采用化学或物理膨松剂来实现。
此外, 应用布勒挤压工艺, 无需改动生产线即可生产出不同种类的面包屑 (如美式面包屑、日式面包屑、饼干粉等) , 并且可以精确调整产品的质构、颜色和粒度;同时, 由于产品配方的含水量较低 (明显降低了干燥阶段所需的能量) , 在挤压设备中的停留时间较短, 因此整个生产工艺能耗较低, 一条每小时产能为2吨的挤压生产线, 每吨产品的能量消耗仅为传统工艺的一半。
低价原料价值最大化
加工上述产品时, 传统工艺与布勒挤压工艺的原料均为谷物粉, 其根本区别在于面团质构。传统工艺下产品的面团结构以蛋白质 (面筋和戊聚糖) 为基础;而挤压工艺下产品的质构以淀粉为基础, 并且为确保最终产品的质构稳定, 淀粉含量至少为5-10%, 对蛋白质含量要求则较低, 一般低于10%。通常, 面粉价格主要由蛋白质含量决定, 蛋白质含量越低价格越便宜, 因此布勒挤压工艺可以使低价原料价值最大化。
糙米挤压预糊化加工制米技术 篇2
糙米的营养保健作用越来越被人们所重视, 随着科学的进步, 科学家经过研究, 终于揭开了糙米的真面目。糙米是水稻的颖果, 稻谷剥掉稻壳后就得到糙米。糙米粒由皮层 (糠层) 、胚乳和胚三大部分组成, 皮层包围在胚和胚乳外面, 各部分的重量百分比是:皮层6%~8%、胚2%~3.0%和胚乳89%~94%。皮层和胚的营养成分主要有蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素和纤维素等, 胚乳部分是精白米的成分, 基本上是淀粉, 因此糙米的营养价值明显优于精制大米。美国食品与药物管理局 (FDA) 对糙米的胚与米糠进行了化验与分析, 结果发现每10g糙米胚中含有:蛋白质3g、脂肪 (植物性) 1.2g、B族维生素2.5g、VE1.8g、VC50mg、VA50mg、VB3 250mg、锌20mg、镁15mg、铁20mg和磷5mg。这些营养成分都是人体所必需的, 其含量是精米所不具有的。更重要的是皮层与胚是稻米中营养成分聚集的地方, 糙米的皮层和胚中含有丰富的作为人体生理效应和调节功能的营养素等功能性成分, 如:谷胱甘肽、γ-氨基丁酸 (GABA) 、谷维素、米糠多糖、米糠纤维、亚油酸、角鲨烯、二十八烷醇、神经酰胺、胆碱、磷脂、肌醇和矿物质等, 使糙米具有抗氧化、抗衰老, 降血脂和降血压, 改善新陈代谢和增强免疫力等一系列保健功效。
目前, 越来越多的人已认识到:虽然“精米”和“精面”制作的食品具有良好的外观、质构和风味口感, 但粮食加工过于精细也造成了许多膳食纤维、维生素、矿物质与其他微量活性成分的损失, 由于饮食营养失衡导致的肥胖、糖尿病、心血管疾病及癌症等疾病所带来全世界范围内医疗与健康的社会问题已非常严重, 欧美及日本等发达国家已意识到这个问题并付诸行动。糙米作为一种极具发展潜力和食用价值的全谷食物也成为各国营养专家向民众推荐的健康食品。
但从另外一个角度说, 糙米虽有较高的营养保健功能, 但与精米相比也具有一定的营养缺陷。糙米中含磷过多, 是酸性食品, 如果长期单纯地吃糙米, 对健康也不利。糙米的外围被一层粗纤维组织包裹, 密度极高, 吸水性、膨胀性比较差, 用糙米煮饭, 不仅时间长, 出饭率低、黏性差、颜色深、还有糙米特有的气味, 不受消费者欢迎。因此, 结合糙米的优缺点, 研究糙米中的功能性成分和开发糙米功能食品, 必须采用一些新的技术和手段, 改善糙米的食用品质和提高糙米的营养价值。运用现代食品加工技术对糙米进行深加工是今后稻谷及其制品深加工的主要发展趋势之一。
食品挤压加工技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌及成型为一体的高新技术, 是指物料经预处理 (粉碎、调湿和混合等) 后, 通过机械作用迫使其通过一个专门的模具孔, 以形成一定形状和组织状态的产品, 可根据需要通过控制挤压工艺参数和物料配方, 对物料进行适度熟化 (限制性糊化) 和改性。
挤压过程是一种高温、高压和高剪切的流动过程。由于剪切和加热的作用, 会使物料发生一系列的物理和化学变化。如:蛋白质变性交联、淀粉糊化降解、糖的焦化和降解、褐变的发生, 维生素及酶活性的破环等。在高温、高压和高剪切力的作用下, 原有的淀粉、蛋白质甚至纤维素结构会瓦解, 在经过模具时, 沿物料流动方向成为线性结构, 并产生分子间重排。经挤压后, 组织结构发生了变化, 容易受到酶的作用, 消化利用率提高。在挤压过程中, 原料中的脂肪与淀粉、蛋白质会形成复合物, 使得脂肪受到淀粉和蛋白质的保护作用, 对降低脂肪氧化速度和氧化酸败, 延长产品的货架期有积极的作用。研究表明:糙米经挤压膨化后, 口感、营养、消化吸收和贮藏性能都有明显提高。通过挤压膨化作用, 可以促进谷物淀粉的预糊化, 目的是使粉状的谷物淀粉颗粒吸水膨胀, 以提高干燥的面积, 加强干燥速率。同时, 在挤压膨化过程中, 谷物粉的细胞破碎充分, 被蛋白、纤维包裹的淀粉较充分地释放出来, 同时膨化糊化度比湿热糊化度高, 淀粉糖苷键更充分地暴露出来, 大大提高产品的消化率, 还可以促进香味产生, 改善口感。
目前, 双螺杆挤压工艺在谷物食品加工领域得到了广泛应用, 它有如下优点:
(1) 有利于更好的提高原料附加值。大米加工过程中会产生大量的碎米 (尤其是籼米) 。这些碎米食用品质差, 主要用作生产淀粉糖和作饲料原料, 商品价值低, 由此作为原料重新变成食用的米, 其附加值的提高是不言而喻的。
(2) 有利于方便米饭的营养强化或改良。传统工艺在浸泡或蒸煮后会添加食品改良剂, 但因为大米的质地问题而不能很好的与大米组分复配, 故使用了较多的改良剂, 造成产品成本较高且效果并不理想。而用挤压技术生产方便米饭, 需将碎米 (或完整大米) 进行粉碎, 从根本上改变了大米的质构, 只需要较少的改良剂或营养强化剂就可以达到较好的营养强化的效果, 为复配食品改良剂、其他谷物粉、营养强化剂等来制备各种类型的产品提供了广阔的空间, 另外这也是生产营养强化米的手段之一。
(3) 产品不易回生。挤压加工的物料是由高温高压状态突变到常压状态, 便发生瞬间的“闪蒸”, 这就使糊化后的α-淀粉不易恢复其β-淀粉的颗粒结构, 而仍保持其α-淀粉分子结构, 故不易产生“回生”现象。
(4) 营养成分损失少, 食物易消化吸收。挤压糊化过程是高温短时的加工过程。由于原料受热时间短, 从而可以使食品中的绝大部分营养成分不被破坏。
(5) 复水性较好、食用方便。传统工艺生产的方便米饭是用完整的大米进行生产, 其质地坚硬, 吸水率及糊化度不高, 因此复水时间很长。而通过粉料挤压而成的大米, 内部结构重新组合, 蒸煮时水分通道顺畅, 方便米饭的蒸煮。
(6) 产品口感细腻。谷物经挤压糊化过程后, 由于在挤压机中受到高温、高压和剪切、摩擦作用, 以及在挤压机挤出模具口的瞬间释放, 使得这些成分彻底地微粒化, 并且产生了部分分子的降解和结构变化, 使水溶性增强, 改善了口感。
(7) 产品风味较好。挤压产品可以在较大程度上对风味进行灵活调整, 满足不同消费者的需要。另外, 挤压过程是个高温短时过程, 有些有害因子还未来得及作用便被破坏, 避免了不良风味的产生。
(8) 产品卫生水平高, 保存性能好。挤压食品加工过程时间短, 原料水分含量一般较低, 这种环境不利于微生物生长繁殖。挤压食品从原料到产品, 生产工艺简单, 流水线短, 基本上无污染机会。
(9) 产品特点多样, 适应能力强。只需改变少数原料和挤压操作条件即可制作各种各样形状、质地、颜色和外观的产品。在满足消费者对新产品需求方面, 新工艺具有突出的适应能力。
(10) 生产效率和自动化程度高, 成本低。挤压机提供一个连续的生产过程, 可以实行充分自动化控制。物料是在较低水分下进行熟化的, 因此再干燥的负担较轻, 挤压加工的成本低于其他熟化成形工艺。
因此, 可将食品挤压技术应用于糙米的加工中, 将糙米原料经粉碎后和其他原料粉按一定比例、添加一定水分、添加或不添加营养强化剂混合均匀, 再利用挤压工艺使糙米预糊化, 然后成型造粒, 制成类似大米的食品, 经冷却和烘干后, 可像普通大米一样蒸煮食用, 或同普通大米混煮共食, 实现米饭营养最大化利用。这种“预糊化糙米”属于营养工程米的范畴。
有关糙米深加工的产品, 日本及台湾研究较早, 我国目前虽然也有糙米的相关产品, 但整体品种不多, 数量较少, 主要以小吃零食和饮品类为主, 对于主食类产品研究相对较少, 通过控制双螺杆挤压机工艺参数, 使糙米与杂粮粉混合达到限制性糊化, 挤压膨化后造粒并实现工业化生产的研究鲜见报道。
利用双螺杆挤压制粒机造粒技术, 将糙米粉和其他杂粮粉如玉米粉和葛根粉等原料混合后进入制粒机, 在机筒内高温、高压和高剪切力的作用下, 迅速糊化成为一种熔融的类似胶体状态, 在螺杆的强力推动下, 从模具孔挤压而出, 经高速的旋转切刀切成类似大米的粒型。其简单工艺流程如图1所示。
将糙米原料经清理、磁选、粉碎和计量后送入搅拌机, 按需要添加玉米粉或葛根粉等辅料, 加入适量水分, 在搅拌机内充分混匀, 然后送入双螺杆挤压制粒机, 在挤压机内, 通过控制温度等挤压条件, 使糙米淀粉限制性糊化, 然后在高压下从机头模孔处挤出, 被切削加工成米粒形状, 经冷却、干燥、冷却和包装后即为成品——预糊化复合糙米。
研究表明:将糙米与适量的玉米粉或葛根粉混合后, 通过挤压预糊化造粒制成的米样, 能显著降低糙米的质构硬度、增加米饭的柔软度, 结果表明:通过在挤压机中受到的高温、高压和剪切、摩擦作用, 以及在挤压机挤出模具口的瞬间释放, 使得糙米成分微粒化, 并且产生了部分淀粉、粗纤维的分子降解和结构变化, 使其吸水性和膨胀性增强, 更易于烹饪, 黏性得到改善, 口感不再粗糙, 能极大地提高糙米米饭的口感。玉米粉和葛根粉的添加, 使煮熟后的预糊化复合糙米产品分别呈鲜亮的金黄色和碧玉色, 在原有米饭的香气之外, 分别融合有玉米和葛根特有的清香味, 对改善产品色泽和风味, 增进消费者的食欲也有帮助。扫描电镜观察表明:与糙米原料的致密结构相比, 由于玉米粉和葛根粉的添加, 预糊化复合糙米内部呈现明显的其他可见颗粒分布, 使其内部结构趋向疏松。检测结果表明:添加玉米粉的预糊化复合糙米除含常规的蛋白质、淀粉外, 还含有较高的钙、铁和锌元素, 含有类胡萝卜素, 特别是含16.3%的总膳食纤维;添加葛根粉的预糊化复合糙米也含有较高的钙、铁和锌元素, 还含有较高的总黄酮。将糙米与玉米粉和葛根粉复合后, 提高了预糊化糙米的营养价值, 避免了单纯糙米中磷含量过多对健康的不利影响。
预糊化复合糙米的预糊化挤压加工通过采用双螺杆挤压机同向异速加工技术进行。在挤压工艺参数设计时, 首先要求通过控制挤压机各区适宜温度范围以达到限制性糊化, 其次通过物料配方和加水量进行控制, 保证最终产品不过度糊化而形成胶状体, 再通过特制的旋转刀片切削加工成的具有大米颗粒形状的食品, 保持米粒型产品质量和品级的稳定。目前该项加工工艺在国内已发展成熟, 并且已经在谷物加工中实现批量生产。
将糙米粉与杂粮粉生产的预糊化复合糙米产品色泽光洁, 质感接近天然米的特性, 口感柔和, 生熟不松散, 煮制不成浆, 还可以免淘洗, 食用方式和普通大米一样, 直接可用电饭煲做饭或熬粥, 十分方便, 能更好地满足人们对主食多样化、营养化、方便化和功能化的需求。不仅可以作为大众人群的日常生活主食, 也适合于长期驻守或作业于高原、沙漠、海岛和野外等供给困难地方的人员选择食用。同时, 预糊化复合糙米具有高膳食纤维、富含矿物质微量元素以及来自于杂粮的特有营养素等, 不仅可以满足大众人群的营养需求, 对于有特殊膳食要求的人群也可以成为健康的营养保健食品。
通过挤压预糊化加工技术生产预糊化复合糙米产品, 实现了糙米与玉米粉、葛根粉等杂粮的风味与营养功能完美结合, 可以提高糙米及谷物杂粮的加工、食用新途径和利用价值, 它属保健型、食疗型、方便型和多功能的绿色主食, 具有良好的经济效益和广阔的市场前景。
挤压加工 篇3
三轴加工中心通常完成的是自上而下、自顶到底的型腔或外形加工,由于缺少必要的自由度,它不像四轴或五轴加工中心那样能够加工形状复杂的空间曲面,即不能完成负角度加工。笔者在三轴加工厂房里经常看到铝挤压模具的导流坑属于负角度加工,运用的做法是雕刻电极然后电火花加工,最后配之于抛光打磨。碍于加工成本和工期的考虑,笔者逐渐熟悉和掌握了POWERMILL软件配合合适刀具实现倒扣加工的方法,并经多次生产证实行之有效。
1倒扣型面
这里我们把存在正视图看不到的曲面即普通立式铣加工不到位,侧视图负角度的曲面称之为倒扣型面,如图1所示。
2刀具设置
在倒扣加工中,刀具参数设置至关重要。根据图纸要求,结合型腔深度、负角度值,圆角过渡等参数,合理设置和选用刀具以确保三轴加工中避免过切和撞刀事故的发生,保证加工型腔面满足图纸结构要求和设计者设计意图。这里,我们选用了直径25刃口10刀尖圆角R5的牛鼻刀作为倒扣加工刀具,如图2所示。
3 Powermill加工方式设定
Powermill具有强大的曲面分析和识别功能,加之其灵活的自定义刀具特点和对刀柄、刀夹进行完整的干涉检查与排除,使之等高精加工策略完美的实现了倒扣加工在三轴加工中心的应用。
3.1载入模型
Power MILL可利用Power SHAPE直接造型或通过PS-Exchange模块读入多种常用主流CAD文件,充分利用各种软件的优势,从而大大提高编程的效率和质量。这里我们将事先做好的模型文件以igs格式导入。
3.2参数设定
(1)坐标系的设定。建立加工坐标系一般根据以下原则:一般取工作坐标系为加工坐标系;坐标原点要定在有利于测量和快速准确对刀的位置;根据机床坐标系和零件在机床上的位置确定加工坐标轴的方向。为了符合加工习惯,利用摆正器将零件上表面中心作为坐标系原点摆放工件,Z方向也可根据情况设置在工件的最高处或最低处。(2)毛坯大小的设定。在Power MILL中,毛坯扩展值的设定很重要。如果该值设得过大将增大程序的计算量,增加了编程的时间,如果设的过小,程序将以毛坯的大小为极限进行计算,这样很可能有的型面加工不到位或者在开始实际加工时出现干涉,所以毛坯扩展的设定一般根据实际毛坯大小设定并稍大于加工刀具的半径,同时还要考虑它的余量。(3)加工参数设定进给率的设定、进给高度的设定、开始点与结束点的设定、切入切出和连接方式的设定和刀具的设定根据具体的加工工序及加工策略而定。其中设定刀具时最好将刀具名称与刀具尺寸联系起来,如名称为D25R5的刀代表刀具直径为25,圆角半径为5的圆角刀。这样命名有利于编程时对刀具的选用和检查。
3.3工艺分析及编制
确定哪些特征能在一次装夹中完成,并安排加工顺序及使用的刀具,最后确定使用何种加工方式来完成。选择加工方式后,需要定义加工范围及加工参数。定义完参数后,由软件完成刀具运动轨迹的计算,并可进行加工仿真。如刀具轨迹不理想,可修改参数并重新进行计算或者直接对刀具轨迹进行编辑。
3.4仿真及后置处理
生成所有刀具轨迹后可调入机床文件进行仿真,并通过专用后置处理程序将其转换为加工G代码。利用Powermill等高精加工策略编制的倒扣面加工程序如图3所示。
4加工程序的验证
一个新的加工方式的应用必须进行验证,确认准确无误后方可使用。在铝型材挤压模具倒扣型面加工中,利用Powermill等高精加工编制倒扣程序,加载到机床进行加工模具,经多次验证和质检员检查确认,满足设计者设计要求。验证表明,铝型材挤压模具倒扣型面的三轴自动加工切实可行。
5结语
通过对编程软件加工方式的摸索和刀具的巧妙使用,使之在实际运用中解决了倒扣型面三轴加工应用的难题,得到了预期的效果。相信只要不断探索总结,模具加工技术定会不断地提升和拓展。
摘要：文章介绍了在铝型材挤压模具中倒扣型面三轴加工的实现方法,并以应用较为广泛的POWERMILL软件为例,讲解了该软件实现倒扣加工的一般方法。通过合理选用刀具、设置加工参数,一定程度上均可实现倒扣型面的自动化加工。
挤压加工 篇4
熔融挤压成形工艺是在计算机控制下层层堆积成型, 主要是利用热塑性材料的热熔性和粘结性。这种成型工艺操作简单, 维护成本低, 系统运行安全, 成型速度快等许多优点。在成型过程中制件的翘曲变形小, 无化学变化, 原材料利用率高, 工艺支撑去除简单且材料寿命长等优点。缺点是在成型件的表面有较明显的条纹, 沿成型轴垂直方向的强度比较弱。
熔融挤出成型工艺使用的材料一般是热塑性材料, 如PC、ABS、蜡、尼龙等, 以丝状供料。成型工艺使用的材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动, 同时将熔化的材料挤出, 材料迅速固化, 并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成, 上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加, 层片轮廓的面积和形状都会发生变化, 当形状发生较大的变化时, 上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用, 这就需要设计一些辅助结构-“支撑”, 对后续层提供定位和支撑, 以保证成形过程的顺利实现。如图1所示。
FDM工艺不用激光, 制造成本较低, 使用、维护简单。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用, 用蜡成形的零件原型, 可以直接用于失蜡铸造。近年来又相继开发出PC, PC/ABS, PPSF等更高强度的成形材料, 使得该工艺有可能直接制造功能性零件 (见表1) 。正是这种工艺具有一些显著的优点, 该工艺发展非常迅速, 该工艺具有以下适于三维打印机的特点:
1) 不使用激光, 成本低:价格是成型工艺能否适于三维打印的一个重要因素, 维护简单。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高, 便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。
2) 塑料丝材, 清洁, 更换容易, 与其他使用粉末和液态材料的工艺相比, 丝材更加清洁, 不会在设备中或附近形成粉末或液体污染, 同时易于更换、保存。
3) 后处理简单, 仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后, 原型即可使用。而现在应用较多的SL, SLS, 3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤, 并且需要进行后固化处理, 需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染, 二是增加了几个小时的时间, 不能在成型完成后立刻使用。
4) 成型速度较快:对于厚壁或实体零件, 可以达到100~200cm3/h的高速度。一般较高的成形速度可以达到30~80cm3/h。
1 产品的成型温度
1) 喷头的温度
喷嘴温度是指将喷嘴加热到的一定的工作温度, 喷头温度决定了材料的粘接性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。
熔融挤压成形工艺喷头的温度应根据丝材的性质在一定范围内选择, 以保证挤出的丝呈熔融流动状态。通过试验表明, 对于ABS这种材料, 喷嘴温度应控制在250℃左右。这是由于喷头的温度决定了材料的粘结性能和堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。喷头温度太低, 则材料粘度加大, 使挤丝速度会变慢, 这不仅加重了挤压系统的负担, 在极端的情况下还会造成喷嘴堵塞, 而且材料层间粘结强度降低, 还会引起层间剥离 (如图2) ;而温度太高, 材料偏向于液态, 粘性系数变小, 流动性增强, 挤出过快, 无法形成可精确控制的丝, 制作时会出现前一层材料还未冷却成形, 后一层就加压于其上, 从而使得前一层材料坍塌和破坏 (如图3) 。为了顺利成型, 一般将成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2℃。
2) 成型室的温度
熔融挤压快速成型工艺是将热塑性聚合物材料加热熔化, 使其在熔融状态下从喷嘴挤出, 靠高温挤出丝材的自粘结性逐层堆积成形。成形材料经历了固相的丝材、熔融态、冷却固化三个阶段。由于材料的热胀冷缩和不均匀加热不可避免地在层间产生内应力, 而内应力的存在导致原型变形。试验证明, 为了顺利成形, 应该把成形室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低1~2℃。这是由于成形室的温度会影响到成形件的热应力大小, 温度太低, 由于挤出丝冷却速度快, 在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层, 这会导致层间粘结不牢固, 会有开裂的倾向 (如图4) , 从喷嘴挤出的丝骤冷使成形件热应力增加, 从而会容易引起零件翘曲变形;而温度过高, 虽然有助于减少热应力, 但零件表面易起皱 (如图5) 。
2 填充速度与挤出速度交互影响
通过填充速度应与挤出速度匹配。填充速度比挤出速度快, 则材料填充不足, 出现断丝现象, 难以成型。相反, 填充速度比挤出速度慢, 熔丝堆积在喷头上, 使成型面材料分布不均匀, 表面会有疙瘩, 影响原型品质。因此, 填充速度与挤出速度之间应在一个合理的范围内匹配, 应满足填充速度与挤出速度交互影响:
式中:α1———成型时出现断丝现象的临界值;
α2———出现黏附现象的临界值;
vj———挤出速度;
vt———填充速度。
3 产品的成型材料
熔融挤压成形工艺影响材料挤出过程的主要因素是粘度, 材料的粘度低、流动性好, 阻力就小, 有助于材料顺利的挤出。FDM工艺对成形材料的要求是粘度低、粘结性好、熔融温度低、收缩率小。材料的流动性差, 需要很大的送丝压力才能挤出, 会增加喷头的启停响应时间, 从而影响产品成形的精度。如ABS树脂, 影响其收缩的因素主要有以下两点:
1) 热收缩:产品产生收缩是最主要原因, 即材料因其固有的热膨胀率而产生一定的体积变化。因热收缩而引起的收缩量为:
式中:δ———表示材料的线膨胀系数, /℃;
L———表示零件x/y向尺寸, mm;
△———表示制件的公差 (按留有加工余量进行取大补偿) ;
△t———表示温差, ℃。
2) 分子取向的收缩 (即高分子材料固有的收缩取向) :在计算收缩率时首先计算出材料在某一线性方向的收缩率即线性收缩率, 然后再算出体积收缩率。假定材料具有完全各向同性, 则线性收缩率与体积收缩率之间的关系为:
熔融挤压成形过程中, 熔态的ABS分子在填充方向上被拉长, 又在随后的冷却过程中产生收缩, 而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率。
为了提高精度, 应减小材料的收缩率, 方法是通过改进材料的配方来实现, 而最基本的方法是在设计时考虑收缩量进行尺寸补偿。在目前的数据处理软件中, 只能在x, y, z三个方向应用“收缩补偿因子”, 即针对不同的零件和结构特征, 根据经验采用不同的因子大小, 这样零件成型时的尺寸实际上是略大于CAD模型的尺寸。
主要材料:FDM工艺选用的材料为丝状热塑性材料, 常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝材。在熔丝线材方面, 主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝 (ABS P400) 、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝 (ABSi P500, 医用) 、消失模铸造蜡丝 (ICW06 wax) 、塑胶丝 (Elastomer E20) 。
适用于FDM工艺的丝状材料必须具备一定的热性能和力学性能。材料的粘度、粘结性能、弹性模量、强度是衡量丝状材料的四个要素。
4 产品的分层参数
分层参数它不仅直接影响产品的成型品质, 还会影响产品的成型时间。实际上它直接反映了原型和工艺支撑上每一层截面的信息。通过合理的调节, 会得到较好的加工品质, 反之, 会出现品质还不如系统默认的参数值。由于分层参数较多, 本文主要是分析对模型表面品质影响比较大的一些参数。
a) 分层厚度参数的影响
分层厚度就是指模型单层的厚度。值得注意的是不同厚度的成形效果不同, 应选用合适的层厚, 而不必追求小层厚。成型件中每层截面的厚度, 与所使用的喷嘴的类型有关, 通常取0.15~0.45mm。
快速成型技术是将CAD模型分成一层一层具有一定厚度切片的分层叠加制造。例如做一只上海世博会海宝模型 (如图6) 。
在成型方向上, 用层厚来逼近层片轮廓, 得到的仅仅是层片轮廓的近似, 这就不可避免产生阶梯误差。对于本章节的模型, 分别取层厚为0.15mm、0.25mm和0.35mm、0.45mm时得到结果如表2所示。
表2中, 零件表面粗糙度的理论公式为:
式中, A———单个阶梯的面积, A=t2/tanθ;
W———单个阶梯的长度;
t———分层厚度;
θ———成型角度。
层厚越小, 模型的表面品质越高, 但产品成型时间也越长, 生产效率就低。所以选择层厚的基本原则是在保证成型品质的前提下, 尽可能的提高效率, 不要盲目选择小的层厚。由于每层有一定厚度, 会在成型后的实体表面产生台阶现象, 这将直接影响成型后实体的尺寸误差和表面粗糙度。为了提高成型精度, 可在实体成型后进行打磨、抛光等处理。
b) 产品模型填充线宽参数的影响
填充线宽是指模型中的层片中填充线宽度。它直接影响模型填充表面的品质, 下面通过加工模型来讨论填充线宽与表面品质的关系。通过加工4个45×45×20的模型, 设置这4个模型的填充线宽不同, 而其他参数相同, 观察它们的表面品质, 如图7所示。
从实验加工的结果中可以得出结论:如果填充线宽越小, 那么得到产品模型表面越密实;但若过小, 则会造成材料过堆 (如填充线宽=0.2) , 反而造成表面品质低下。根据实验结果, 在实际应用中选择填充线宽合理范围:0.4~0.65mm之间, 确保产品的品质。
c) 产品模型填充间隔参数的影响
间距=填充线宽 (mm) × (填充间隔-1) (个) , 如图8所示。
下面研究填充间隔与表面品质的关系, 假设其他参数不变, 产品模型填充间隔改变时, 通过实验产品模型表面品质见图9所示。
通过对比这两个模型表面品质可以得出这样的结果:填充间隔越大, 模型表面的品质越差, 因为填充间隔越大, 填充线之间的间距就越大, 模型表面的材料塌陷程度就越严重。
对于厚壁模型, 为了提高成型速度, 降低模型应力, 可以在其内部采用孔隙填充;对于体积较小或薄壁内的模型, 为了提高其强度, 可以将填充间隔设置为1, 这样加工出的模型为实心。
填充线间距相等时, 模型表面的品质是否相同?以表3中所示, 两个填充线间距相等, 而填充线宽和填充间隔不同的加工模型, 验证结果如图10所示。
mm
通过比较图9中两个模型的表面品质可以发现, 虽然填充线间距相同, 但模型1的表面品质要优于模型2, 所以要提高表面品质, 填充线宽和填充线间距都不能太大。
d) 支撑线宽和支撑间隔参数的影响
设计支撑的原因:FDM成形中, 每一个层片都是在上一层上堆积而成, 上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加, 层片轮廓的面积和形状都会发生变化, 当形状发生较大的变化时, 上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用, 这就需要设计一些辅助结构-“支撑”, 以保证成形过程的顺利实现。
FDM技术提供两种类型的支撑:
1) Water Works (水溶性支撑) :可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。
2) break away support structure (BASS) (易剥离性支撑) :水溶性支撑的前身, 由手工将支撑从工件表面剥离以移除。
水溶性支撑因为可以不用考虑机械式的移除, 所以可以接近于细小的特征, 因而用的更广泛。
支撑线宽定义:支撑中的层片填充线宽度。相邻两填充线的间距=支撑线宽× (支撑间隔-1)
这两个参数主要是影响支撑上支撑面的品质, 支撑面的品质又会影响模型上被支撑面的品质。支撑线宽和支撑间隔越大, 支撑面的品质就越差, 和支撑面接触的模型表面品质就越差。
5 结论
本文针对熔融挤压快速成型机加工影响成型品质的一些因素作了归纳和总结, 并提出了相应的解决方法。其中产品的成型温度、成型材料和分层参数不仅影响成型品质, 而且还影响成型效率, 所以在选择成型温度、成型材料和分层参数时, 要注意品质和效率要同时兼顾。对这些可能产生的缺陷进行分析, 弄清产生的原因, 才能有效地避免或减少它们的出现, 提高制件的综合品质。当然, 零件的结构、复杂程度和技术要求的不同, 影响成型品质的因素也会有一定的差异, 所以在遇到实际问题时, 要将以上几个方面因素综合起来考虑, 分清谁轻谁重, 谁主谁次, 以获得更加经济性的加工方案。
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挤压加工 篇5
图1所示为我厂最近加工的一种钢管扩孔工具—挤压针。它的材料为X38CrMoV53工具钢。经过调质后, 表面硬度达HB449, 一般刀具难以加工。加工深孔的直径为35mm, 长1500mm, 但厂里的老式深孔钻床SK8920最大钻削孔径为20mm, 无法加工。
2 WDT2500型数控深孔钻床功能介绍
为了加工挤压针深孔, 工厂购买了一台WDT2500型数控深孔钻床。该钻床是深孔加工专用机床, 由青岛哈镘机电有限公司制造。它加工深孔的最大直径为38mm, 最大孔深为2500mm, 并能在各种形状的零件上钻深孔。该机床采用西门子数控系统。主轴动力装置是CZ7型交流 (伺服) 主轴电机, 无级调速, 调速范围是60～4000r/min。主轴里通过润滑油。立柱作横向移动, 横梁作垂直移动。
刀具为准35mm外排屑深孔钻头, 如图2所示。刀头前角γ0=0°, 后角α0=15°, 主偏角Kr=31°。钻头中间有油孔。刀柄部有键槽, 与主轴连接。刀头材料是YT15硬质合金, 硬度为HRA89.5～92.5, 维持切削性能的最高温度是900℃～1000℃。
外排屑深孔钻头最早用于加工枪管, 故又名枪钻。它主要加工直径2～20mm、长径比超过100的深孔, 其孔的精度达IT8～IT10级, 表面粗糙度Ra0.80～Ra3.2, 且孔的直线性较好。这种钻头由切削部分和与其焊接的钻杆部分组成。工作时, 切削液 (压强约为3.5～10GPa) 从钻杆后端中心孔注入, 经月牙形孔和切削部分进油小孔到达切削区, 然后迫使切屑由120°的V形槽和工件孔壁中间排出。其切削部分只在一侧有两段切削刃, 钻尖偏离轴线距离e, 使径向分力始终指向切削部分的导向面, 同时钻尖前方切出一小圆锥体, 有助深孔钻头定心。其钻尖偏移, 可使切屑从钻尖两面流出, 便于排屑。120°槽底略低于钻心, 避免靠近中心处刀刃挤压, 形成的芯柱也有利于导向。
深孔一般是指长径比大于5的孔。深孔钻削难度大。由于钻头在很深孔内切削, 无法直接观察切削情况, 只能以听声音、看出屑和测油压进行判断。同时钻头在近似封闭的状态下工作, 散热困难, 钻头磨损严重。切屑多而排屑通道长, 如不采取必要措施, 随时可能由于切屑堵而导致钻头损坏。由于孔的深度与直径的比例较大, 钻杆细长, 刚性差, 工作时易偏斜及产生振动, 孔的精度和表面粗糙度难以保证。所以深孔钻削要排屑通畅, 充分冷却润滑, 有良好的导向。
3 切削用量选择
加工时, 我们先用两块V形铁把挤压针固定在工作台上, 再拿两块压板夹紧。工作台方槽的直线度很重要。深孔钻头柄部插入主轴孔中, 靠键传动。润滑油从钻头后端注入其内部。油压很大, 才能把铁屑从V形槽中冲出去。深孔钻头装有5个支撑环, 支撑环中间套着轴承, 增加钻头刚度。支撑环如图3所示。因为挤压针的材料很硬, 我们采用较小的切削用量, 即ap=17.5mm, v=0.73m/s, f=0.02mm/r。润滑油流量为8L/min, 压强为1GPa。部分程序段如下:
4刀具受力分析
如图4所示。已知刀头材料为硬质合金YT15, 钻削X38CrMoV53钢, 其中σb=0.918GPa, 刀具几何参数γ0=0°, λs=0°, Kr=31°, rε=0.5mm。切削用量ap=7.5mm, v=0.73m/s, f=0.02mm/r。磨损限度取VB=1.0mm。
解:由图4可知, Fz是合力Fr在主运动速度上的分力, 消耗功率最大, 主要计算它。由于Fx、Fy力较小, 而且在《机械加工技术手册》上查不到数据, 故忽略不算。由表查得:
总修正系数KFz=Krm FzKkr FzKγo FzKλs FzKrεFz=1.32×1.07×1.1×1.0×0.87=1.35。
将已查得值和计算值代入切削力公式:
可知切削力较小, 刀头强度足够。
工件材料硬度大, 切削力就大, 产生热量多, 刀头容易磨损。因此得重新刃磨钻头。我们可增大后角, 由15°变为20°。同时减小主偏角Kr, 减小径向力, 保持刀杆的导向性。刀杆采用厚壁钢管, 壁厚由5mm增为8mm。
5 结语
从2008年至今, WDT2500-CNC数控深孔钻床稳定运行了两年。该机床扩大了加工范围, 不仅能加工圆柱形零件上的孔, 而且能加工方形零件上的孔。孔径加工范围大, 最大为38mm, 能满足一般工厂的加工需要。该机床自动化程度很高, 数控系统为西门子的, 装有彩色显示屏, 通用编程。它还有手摇脉冲发生器, 便于人工控制。主轴直线进给采用精密丝杠传动。立柱和横梁可以快速移动, 分别达到4000mm/min、3000mm/min。由于工件固定, 不像老式深孔钻床使工件飞转, 偏心孔工件得加平衡铁, 因此安全方便。
参考文献