挤压参数

2024-09-25

挤压参数（精选4篇）

挤压参数篇1

摘要：挤压工艺的模拟和优化往往通过Deform有限元软件实现, 但在工艺模拟及优化过程中需多次修改挤压模具的工作部分尺寸 (如挤压角、工作带长度、圆角半径等) 以实现挤压工艺的优化。本文采用Excel表驱动方法实现了挤压模具的UG参数化建模, 从而避免了修改大量参数所带来的繁琐工作量和一些人为的错误, 并基于一个参数化的数模生成了挤压模具工作零件的模型库。

关键词：Deform,Excel,UG,参数化建模

1 引言

在机械设计中经常遇到形状相似, 但尺寸并不完全相同的零件, 如系列化的产品零件和常用的标准件等。参数化设计 (Parametric) 也叫尺寸驱动 (Dimension-Driven) , 它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能, 还具有自动绘图的功能。参数化设计是计算机辅助设计领域内一个重要的研究内容, 其技术发展到今天已走向成熟, 并在当前主流的三维机械CAD软件中得到了充分的应用。通过建立参数化的三维零件模型, 实现产品的结构设计系列化, 可以极大地缩短结构设计周期, 减少由于零件的尺寸变化带给工程师的工作量[1~2]。

Unigraphics (简称UG) 是美国UGS公司开发的面向制造业的高端CAD/CAM/CAE软件, 具有强大的实体造型、曲面造型、参数化造型、装配和工程图创建功能。虽然UG提供的许多二次开发工具 (如UG/Open GRIP、UG/Open API和UG Open C++等) 均能实现外挂式建立模型库, 但利用这些开发工具要求设计人员具有比较高的编程技术, 一般的设计人员很难完成[3~4]。本文采用Excel表驱动方法实现了挤压模具的参数化建模, 通过调整控制参数来修改和控制凸模、凹模几何形状, 并自动实现了凸模、凹模的精确造型。

2 Excel表驱动参数化

本文以正挤压模具的工作零件的参数化建模为例, 其结构如图1所示。Deform有限元软件可实现正挤压工艺的分析和优化, 但在工艺分析及优化过程中需多次修改挤压模具的工作部分尺寸 (如挤压角、工作带长度、圆角半径等) 以实现挤压工艺的参数优化。工艺分析及优化过程需多次修改挤压模具工作部分数模或建立挤压模具工作零件系列化数模, 若采用普通的3-D建模方法, 过程繁琐, 费时费力。采用Excel表驱动方法实现挤压模具的参数化建模, 可避免修改大量参数所带来的繁重工作量, 可以避免一些人为的错误, 且用一个模型就可表达出多个同类结构的零件。

2.1 参数化模型的建立

通过分析, 得到影响正挤压凸模、凹模几何形状的主要参数, 如图2所示。设计得到正挤压凸模、凹模几何形状的系列化参数见表1。

D1-挤压凹模外径, D2-挤压凹模挤压筒直径, D3-挤压凹模出料口直径, D4-挤压凹模工作带直径

h1-挤压凹模挤压筒高度, h2-挤压凹模工作带高度, h3-挤压凹模出料口高度

ANG1-挤压凹模入口角度, ANG2-挤压凹模出口角度, R1-挤压凹模工作带上圆角, R2-挤压凹模工作带下圆角

D-挤压凸模直径, h-挤压凸模高度

正挤压凸模、凹模参数化的关键是相关控制参数的建立。在UG中其参数化设计过程可分为4部分, 具体如下:

(1) 建立相互关联的表达式; (2) 利用草图功能绘制出正挤压凸模、凹模的草图曲线, 如图3所示; (3) 将草图曲线通过回转形成实体; (4) 对实体进行特征操作, 得到参数化模型, 如图4

所示;

2.2电子表格对正挤压凸模、凹模参数化的控制

正挤压凸模、凹模的参数化控制要求能够实现在其设计要求及结构尺寸发生变化时, 其模型也相应地自动更新, 生成新的模型。为此, 只需要将上述所建立的实体模型的相关特征参数进行更改即可完成实体模型的修改。利用UG软件的电子表格功能编辑、定义和修改相关表达式及参数, 通过更新完成正挤压凸模、凹模的自动建模, 从而实现正挤压凸模、凹模的参数化控制。

在UG建模模块中, 选择[工具]→[部件族]→[创建部件族表格], 实现最初表达式的提取, 如表1、表2所示。

2.3 正挤压凸模、凹模模型库的创建

利用电子表格可以方便地定义凸模、凹模的主要控制参数, 生成系列化凸模、凹模的数据库。通过已建立的一组正挤压凸模、凹模的参数化模型, 并在表1、表2的基础上, 在电子表格中赋予系列化参数数值, 如表3、表4所示。

通过选取不同部件组中所对应的控制参数来实现正挤压凸模、凹模的自动造型和模型库的创建, 方法如下:

在电子表格中, 选中所要所有的控制参数, 然后选择[部件族]→[创建部件], UG软件会自动生成正挤压凸模、凹模的模型库, 如图5所示。

(1) 模型库中的正挤压凹模 (2) 模型库中的正挤压凸模

3 结论

(1) 利用Excel表驱动建模技术可创建系列化挤压模具工作零件的三维模型库。此参数化建模方法易于掌握, 建模速度快。

(2) 利用Excel表驱动建模技术得到的零件库具有一个数据关联的Excel管理表, 修改方便。

(3) 利用Excel表驱动建模技术, 减轻了Deform有限元进行挤压工艺分析及优化时的建模及修改数模的工作量。

参考文献

[1]黄华栋, 朱学超.基于Excel的UG参数化建模研究[J].计算机与网络, 2007, (1) :174-175.

[2]张海军, 金永福.基于UG电子表格的三维零件库设计[J].新技术新工艺, 2008, (9) :15-16.

[3]王学军, 李玉龙.CAD/CAM应用软件-UG训练教程[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[4]吴家洲, 吴波.UG软件的二次开发[J].机床与液压, 2001, (3) :67-69.

挤压参数篇2

焦糖色素在食品色素市场上占有重要的地位, 广泛应用于酒类、酱油、醋、酱菜、糕点、咖啡、巧克力、糖果、汤料和糖浆药品等产品的着色方面, 是目前食品工业使用的食品添加剂中最受欢迎的一种[1]。焦糖色素按其形态分可分为两种类型, 即液体焦糖色素和固体粉末焦糖色素。固体粉末焦糖色素因其溶解性好、运输和使用方便以及着色力强等特点, 受到了广泛的欢迎, 市场需求量越来越大。生产固体粉末焦糖色素通常是先制成液体焦糖色素, 再经过调配后, 通过喷雾干燥或真空冷冻干燥的方法得到固体粉末焦糖色素。这种生产工艺技术难度大, 成本高, 从而限制了固体粉末焦糖色素在我国的使用。

目前, 挤压机作为连续式生化反应器对生物原料进行直接或间接的生物与化学转化, 已成为挤压机的一个重要的应用领域[2,3]。因此, 对利用双螺杆挤压机来生产固体焦糖色素进行了研究。研究表明, 用挤压法生产固体焦糖色素是切实可行的, 具有生产连续、反应时间短、设备简单、成本低和无污染等优点。本文对挤压法加工固体焦糖色素过程中挤压机的结构参数做了详细的分析和研究, 为生产固体焦糖色素专用挤压机的设计和挤压法生产固体焦糖色素的工业化应用提供了指导。

1 挤压法加工原理

挤压法生产固体焦糖色素采用的原料是来源丰富和成本低廉的玉米淀粉[4], 其生产工艺流程如图1所示。

玉米淀粉在催化剂和挤压机机筒内的高温、高剪切及压力的作用下, 由淀粉聚合物大分子经挤压生成小分子的单糖或寡糖。生成的小分子单糖或寡糖与铵盐催化剂发生美拉德反应, 或小分子单糖与寡糖自身在高温、高压下发生焦糖化反应, 从而得到固体焦糖色素。

对于任一生物化学反应来说, 反应压力、反应温度、反应时间和催化剂是其最主要的影响因素。对于挤压法生产固体焦糖色素来说, 生化反应主要是发生在熔体输送段, 故生化反应压力由模头处的压力决定, 反应温度由熔体输送段的温度决定, 反应时间由停留时间分布决定。

在挤压法生产固体焦糖色素过程中, 根据Friedrich Measer等人提出的系统分析模型[5], 挤压机的操作参数和结构参数直接影响挤压系统参数, 从而影响焦糖色素的产品特性。在早期的实验研究[6]中发现, 由于物料在挤压机内的停留时间比较短, 从而会使整个反应不完全, 挤出的焦糖色素色率不高。要提高焦糖色素的品质, 挤压机的螺杆长径比和模头结构起着关键作用。挤压机的螺杆长径比越大, 挤压反应的时间可越长, 但在实际设计中, 长径比过大会增加加工制造及装配的难度, 并且会使螺杆与机筒的磨损增大, 影响挤压过程的稳定性。挤压机的模孔直径小会使模头压力增大, 强化整个挤压反应过程, 但对于高粘度物料, 在挤压过程中, 模孔直径过小会使出料不稳定, 产生断续喷射现象, 并且减少产量。

针对焦糖色素这类高粘度物料的挤压反应过程, 设计了专用挤压机, 适当地增大了模孔直径, 设计出加长型管状模头, 如图2所示。让熔融状物料继续在高温和高压下通过一段加长管, 使之反应完全。加长管相当于增加了挤压机的长径比, 结构简单, 不增加加工装配的难度, 并且延长了反应时间, 使挤出物品质大大提高, 同时也提高了产量。

2 实验材料与方法

2.1 实验原料

称取一定量玉米淀粉, 用酸调节其pH值为2.5～4.0, 加入淀粉量的1.0%～2.0% (w/w, 以-NH2计) 的氨基化合物, 并加适量的水, 使混合物含水量为16%～30% (w/w) 。混合均匀后, 进入挤压机挤压。

2.2 实验设备与仪器

实验设备采用江南大学机械工程学院和济南赛信机械有限公司共同研制的焦糖色素专用挤压机。

2.2.1 自动螺杆式喂料机

机械式无级调速电机:MBWC-Y4-0.75-B3;螺杆直径:57mm;进料速率:1.5kg/min。

2.2.2 主机技术参数

螺杆直径:65mm;长径比:根据实验要求调节改变;螺杆转速:200r/min;机筒加热温度:Ⅰ区 (输送段) 70℃, Ⅱ区 (熔融段) 150℃, Ⅲ区 (熔体输送段) 200℃;总加热功率:2kW×4;电机:YCT-250-4B-22kW。

模孔直径及长度根据实验要求调节改变。实验过程中所采用的仪器有:101A-1型干燥箱, 上海市实验仪器厂;pHS-2C型酸度计, 上海三信仪表厂;72-1型分光光度计, 上海精密科学仪器有限公司。

2.3 实验方法

2.3.1 加长型管状模头尺寸

根据专为挤压加工固体焦糖色素而特殊设计的加长型管状模头结构, 研究加长管的长度和直径对挤出的焦糖色素品质的影响, 确定最佳的模头尺寸。

1) 加长管直径选为ϕ24mm, 长度变化分别为400, 600和800mm;

2) 加长管长度选为400mm, 直径变化分别为ϕ24, ϕ20和ϕ16mm。

2.3.2 螺杆长径比

在确定了最佳模头尺寸后, 改变挤压机的螺杆长径比, 比较3种螺杆长径比对挤出的焦糖色素品质的影响, 确定最佳长径比。3种长径比的螺杆结构如表1、表2和表3所示。

2.4 实验指标

实验以固体焦糖色素的色率和红色指数作为主要评价指标。

焦糖色素色率按GB8817-88采用EBC (欧洲酿造协会) 进行测定[7]。其具体方法如下:

1) 称取样品1.000g (以干燥样品计) , 用水溶解并定容至1 000mL后过滤, 用1cm比色皿在610nm处测定滤液的吸光度OD610, 测定3次, 取平均值。色率 (EBC单位) =OD610×20 000/0.076。

2) 焦糖色素的红色指数测定方法为:将波长调至510nm处, 重新调整0点后, 测得其光密度D2, 则焦糖色素红色指数undefined。

3 结果与分析

3.1 加长型管状模头尺寸参数

在实验过程中发现:模孔直径太小和长度太短时, 挤压过程中容易出现“喷料”现象, 挤压过程很不稳定。其主要原因是:模孔直径较小时, 模头处的压力比较大, 这样模孔两端的压差很大, 造成出料不稳定。同时发现:挤出物中有大量的糊精存在, 物料没有得到完全充分反应而导致挤出物色率不高。通过设计加长型管状模头, 延长物料的反应时间, 不仅可以使挤出物的色率大为提高, 而且可以使模头两端的压差减小, 从而使挤压出料平稳。

根据熔体在挤压模头中的流率公式undefined可知:当挤压流率Q一定时, 模头处的压力P与模口特征系数KQ成反比, 而模头处的压力P可近似认为是生化反应的反应压力。在实验过程中, 从模孔直径和加长管长度两个方面来研究挤压模头的尺寸参数对焦糖色素品质的影响, 这样考虑会更加全面。

实验分两个方面:一是当加长管长度一定时, 考察模孔直径对焦糖色素品质的影响;二是当模孔直径一定时, 考察加长管长度对焦糖色素品质的影响。实验结果如图3、图4、图5和图6所示。

从图3和图4可知:当加长管长度一定时, 模孔直径对焦糖色素品质的影响并不是成线性关系。对熔体在加长型管状模头中流动的流场进行有限元模拟可知:熔体在模孔中的流动速度随着模孔直径的减小而增大;若延长管长度一定, 则熔体在模头中的停留时间随模孔直径的减小而减小, 但模头的压力随模孔直径的减小而增大。焦糖色素的品质受到停留时间和模头压力两因素的共同影响, 压力一定时, 停留时间越长, 焦糖色素色率越高;停留时间一定时, 压力越高, 焦糖色素的色率越高。

从图5和6可知:当模孔直径一定时, 焦糖色素的色率随延长管的长度的增大而增大, 红色指数随延长管长度的增大而减小。因为当模孔直径不变时, 延长管长度增大, 熔体在模头中停留的时间会增大, 模头处的压力也会增大, 物料会随着延长管长度的增大而反应更加充分, 所以焦糖色素色率会提高。一般来说, 焦糖色素的色率与红色指数成反比, 即红色指数越高, 色率越低;反之, 色率越高, 红色指数越低[10]。

在实验条件下, 采用ϕ20×800mm的加长型管状模头挤出的焦糖色素色率最高。

3.2 螺杆长径比

螺杆长径比是影响焦糖色素品质的重要因素之一, 它不仅影响挤压过程的稳定性, 而且影响焦糖色素的品质。长径比过小时, 物料在挤压机中停留时间太短, 物料得不到充分反应, 而且会导致固体输送段的温度快速上升而出现“返料”现象;长径比过大时, 会增加整台设备的加工成本和难度。在设计了特殊的加长型管状模头, 并确定了最佳模头尺寸ϕ20×800mm后, 研究螺杆长径比对焦糖色素品质的影响。实验过程中, 采用3种不同长径比的双螺杆挤压机进行对比性实验, 实验结果如图7和图8所示。

从图7和8可知:当模头尺寸参数不变时, 焦糖色素色率会随着螺杆长径比的增大而增大, 红色指数会随着螺杆长径比的增大而减小。由于螺杆长径比的增大会延长物料在挤压机内的停留时间, 使物料反应更加充分, 在实际生产中, 应尽可能增大螺杆的长径比。在实验条件下, 螺杆长径比为1104/65=17时, 挤出的焦糖色素色率最高。

4 结论

实验结果表明:特殊设计的加长型管状模头对于延长反应时间和稳定挤压过程效果非常明显;, 采用了这种加长型管状模头, 只需17～18的螺杆长径比, 即可得到高品质的固体焦糖色素。

摘要：与传统工艺相比, 挤压法生产固体焦糖色素具有生产连续、反应时间短、设备简单、成本低和无污染等优点。为此, 对挤压法加工固体焦糖色素的挤压机结构参数进行了研究, 针对焦糖色素挤压反应的特点, 设计了加长型管状模头, 研究了这种模头结构的直径、长度以及螺杆长径比对挤出的焦糖色素品质的影响规律, 选择了合适的模头尺寸和螺杆长径比。结果表明:在实验条件下, 采用20mm×800mm的加长型管状模头, 螺杆长径比为1104/65=17时, 挤出的焦糖色素色率最高。

关键词：焦糖色素,挤压,加长型模头,长径比

参考文献

[1]杨虎清.食品色素的过去、现在和未来[J].中国食品添加剂, 2002 (3) :10-14.

[2]Millauer Y.Thermal processing and quality of foods[M].[S.l].:Elsevier Applied Science Publishers, 1984:137.

[3]宋贤良.挤压蒸煮技术在变性淀粉生产中的应用[J].食品工业科技, 2002, 23 (6) :80-83.

[4]陈洪兴, 顾正彪.挤压法生产焦糖色素的探讨[J].中国调味品, 2003 (2) :15-18.

[5]Friedrich Meuser, Norbert Cimmler.A systems analytical approach to extrusion food extrusion science and technology[M].New York:marcel Dekkerinc, 1992:619.

[6]瞿维国.生产焦糖色素挤压机关键结构和操作参数的研究[D].无锡:无锡轻工大学, 2001.

[7]凌关庭.食品添加剂手册[K].北京:化学工业出版社, 1999.

[8]Bouzaza-D, Arhaliass-A, Bouvier-JM.Die design and dough expansion in low moisture extrusion-cooking process[J].Food Engineering, 1996, 29 (2) :139-152.

[9]叶卫东, 戴宁, 张裕中.食品挤压模头的设计[J].食品工业科技, 2003 (11) :60-61.

挤压参数篇3

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。

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。

参考文献

[1]许开国, 张锦光, 胡业发.熔融挤压快速成型中支撑工艺的研究[J].机械科学与技术2008, 27 (9) :1163-1167.

[2]陈之佳, 王丛军, 张李超.基于直线扫描的FDM支撑自动生成算法[J].华中科技大学学报, 2004, (6) :60-62.

[3]胡德洲, 李涤尘, 洪军, 等.快速成形制造中截面轮廓快速生成算法研究[J].中国机械工程, 2001, 12 (6) :654-656.

[4]陈剑虹, 马鹏举, 田杰谟, 等.基于Voronoi图的快速成型扫描路径生成算法研究[J].机械科学与技术, 2003, 22 (9) :728-731.

[5]邵海军, 沈元元.MEM-300-E型快速成型机影响成型因素的分析[J].黑龙江科技信息.2012, 24:37-39.

[6]LeeM Y, et al.Tmedical rapid prototyping in custom implantdesign for craniofacial reconstruction[J].IEEE Trans.on System, M an and Cybernetics, 2003, 3:2903-2908.

[7]王运赣.快速成型技术[M].武汉:华中科技大学出版社, 2006:126-130.

[8]曹炜, 曾忠, 李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造, 2006, (5) :104-106.

挤压参数篇4

秸秆挤压膨化机通常由传动装置、喂料装置、膨化装置和成型装置等组成。其中, 膨化螺杆的设计参数是影响挤压膨化机工作性能的最主要因素[1]。锥形螺杆以其利于挤压膨化和易于制造等特点, 成为挤压膨化机螺杆的主要结构。

在利用计算机分析不同参数螺杆对挤压膨化机工作性能影响的过程中, 需要逐次对其建模, 大大降低了建模效率, 并影响后续的力学分析。通过对Pro/E参数化设计功能及其二次开发模块Pro/TOOLKIT分析研究, 以Pro/ENGINEER野火版为软件平台, 以VC++为编程语言, 实现了变螺距、变根径和变长度的螺杆的参数化设计, 为该螺杆的快速优化设计提供了基础。

1 锥形螺杆的参数化建模

锥形螺杆的结构如图1所示。

该螺杆由后端的圆台以及前端的圆锥组成。其中, 螺杆的圆台后端直径 (houd) 、圆台前端直径 (qiand) 、螺旋体外直径 (lxtwd) 、圆台段长度 (ytl) 、圆锥段长度 (yzl) 和螺距 (luoj) 等参数是影响螺杆性能的重要参数, 因此利用Pro/E提供的参数功能 (Parameters) 将其分别设置为可以改变的参数[2], 如表1所示。

利用Pro/E提供的关系功能 (Relations) , 建立螺杆各个参数之间的关系。关系式如下:

d1=ytl

d2=yzl

d4=houd/2

d16=qiand/2

d10=luoj

d25=lxtwd/2-d4

2 用户界面的设计

2.1 菜单界面的设计

由于螺杆结构一致, 为了方便于用户对命令图标的查找, 采用在工具条上添加命令图标的方式向Pro/E界面中添加螺杆参数化设计按钮, 如图2所示。

根据上述要求编写的菜单信息文本文件如下

2.2 对话框界面的设计