三通管的快速原型和快速模具制作研究毕业设计.docx
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三通管的快速原型和快速模具制作研究毕业设计
三通管的快速原型和快速模具制作研究毕业设计
外文翻译
附录
1绪论
1.1快速原型技术的产生及其在制造业中的地位和作用
随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。
制造业要满足日益变化的用户需求，其制造技术必须有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。
因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键。
因而，在这种背景下便产生了快速原型技术（RP-RapidPrototyping）。
近年来，随着RP技术的迅速发展，由于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此应用RP技术制造快速经济模具成为RP技术发展的主要推动力之一，从而出现了一个新领域—快速模具制造（RapidTooling,简称RT）。
从而实现了从RP到RT是快速成型技术发展的第二次飞跃。
RT是采用RP技术直接或间接制造模具，只需传统加工方法的10%～30%工时和20%～35%的成本，既大大提高了新产品的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的费用。
虽然当今的时代是信息、电子、网络的时代，但它们的发展都离不开先进制造技术ATM（AdvancedManufacturingTechnology），所以先进制造技术是一个国家经济发展的基础和支柱，是国家综合国力的直接体现。
RPM技术涉及CAD技术、数据处理技术、数控技术、测试传感技术、激光技术等多种机械、电子技术及材料技术和计算机软件技术，是多学科的技术集成和交叉应用。
因此，RP技术是先进制造技术群的一个重要组成部分，同时也是未来产品创新的两大支柱技术之一，它对缩短产品开发周期，降低产品开发费用具有极其重要的意义。
它的发展，直接影响着先进制造技术的发展，也关系到一个国家的发展战略地位。
现在，快速成型技术己经与其他技术相互结合形成一个完整又庞大的技术体系。
该体系具有技术系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新速度不断加快等特点。
当今RP技术发展的总趋势是完善现有技术和制件成型精度，探索新的成型工艺，开发新材料，寻找直接或间接制造高机械性能金属件的方法以及与其他技术的结合。
预计该项技术在汽车、机械、电器、电子产品等行业和国防工业产品设计、开发和生产中得到更为广泛的应用，今后该技术必将成为各国相互研究的热点。
目前，世界上主要先进工业国家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对RP技术进行研究开发和推广应用。
他们无不站在21世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。
总之，当前世界上已形成强劲的RP热，发展十分迅猛。
1.2课题来源与任务分析、研究意义及技术路线。
1.2.1课题来源与任务分析
本课题是在研究当前国内外快速原型技术的发展状况和趋势，结合现有的实际情况提出来的，具有现实意义和实用价值。
本课题的主要任务是：
（1）选择简单的三通管作为研究对象，使用Pro/E软件做出三通管的三维模型。
（2）做出三维模型后，使用Pro/E软件模具设计模块做出快速模具。
（3）用Pro/E软件NC加工模块对部分模具元件进行仿真加工，并生成NC代码。
（4）根据学校现有设备条件（快速成型机）做出其快速原型件和快速模具元件，并对该快速原型件的制作精度做分析研究，找出影响精度的因素，并提出相应的解决办法。
（5）通过对简单的三通管件从实现从设计、建模以及试样的制作及研究分析的整个过程。
从中对快速原型技术和快速模具技术认识、研究。
1.2.2本课题的研究意义
快速原型技术是一个全新的制造技术，它改变了人们的制造观念，是为了适应日趋激烈的市场竞争而产生的。
就其目前我国的发展状况来看，还有许多不尽人意的地方，国内的一些大型企业在花巨资引进快速原型设备后，普遍存在设备利用率不足甚至不用的现象，其主要原因是缺乏全面掌握这项技术的人员，快速原型技术与基于其的快速模具制造技术的发展前景广阔，对未来制造业发展有着强大的冲击力。
因此，为了能够进一步对快速原型技术及快速模具技术的认识和了解。
使更多的同学了解RP技术，为学习、传播和推广这项新技术奠定必要的理论基础，为今后推向社会服务做准备。
与此同时，更重要的使自己对其原理、方法等的进一步深入研究，真实地涉及本领域，培养自己的学习研究和动手实践能力。
另外，由于本课题研究的侧重点在于快速原型和快速模具的制作研究，对于三通管件不做太多地要求，本次毕业设计就拟以一简单的等径直三通管（三通接头）为研究对象，利用三维PRO/E软件实现从设计、建模和以学校现有的设备条件对其的快速原型与快速模具制制作、研究分析的整个过程。
从中对自己大学所学的知识进行综合的应用和扩展，在整个过程中培养自己的学习和研究能力，与此同时为今后走上工作岗位也提供良好的基础。
1.2.3本课题技术路线
本课题研究的主要内容为：
1.基于PRO/E的快速原型与快速模具的三维构建及NC加工。
2.快速原型技术与快速模具制造技术的研究。
3.快速原型件的制作及精度的分析研究。
根据研究的内容制定的具体的技术路线如下：
1.查阅本课题相关的资料,了解本课题相关知识，确定初步的设计方案。
2.通过三维软件PRO/E对三通管件的原型件进行方案设计,并建立三维模型。
3.利用PRO/E相应的模具模块设计出其快速模具。
4．利用PRO/E的NC加工模块对部分模具元件进行仿真加工，并生成NC代码。
5.了解学校实验室快速成型机的构造、原理等。
并绘制快速原型机工作原理图1套,与此同时要能够对其进行实验操作。
6.进行已经设计好的三通管件原型件的试制。
7.对该快速原型件的制作精度做分析研究,找出影响精度的因素，并提出相应的解决办法。
8.完善实验条件并对原型件进行重新试制，得到最后的试样。
9．编写毕业论文和技术文件（三维软件到快速原型制作的流程图1套，快速原型机工作原理图1套，零件图若干等）。
2.快速成型技术
2.1快速成型技术的基本原理
快速成型（RapidPrototyping）技术（以下简称RP）是20世纪80年代中后期发展起来的、观念全新的现代制造技术，该技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术，是先进制造技术的重要组成部分。
RP技术的基本原理是将计算机内的一维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓。
计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择地切割一层又一层的片状材料（或固化一层一层的液态光敏树脂，或烧结一层一层的粉末材料，或喷射一层一层的热熔材料或粘合剂等方法）形成一系列具有微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔接、焊接或化学反应的手段使其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件。
快速原形技术与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。
由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。
现在，该技术现在已经有了一套比较完整的技术体系。
该体系包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。
1）CAD造型：
利用各种CAD软件进行几何造型，得到零件的二维CAD数字模型，这是快速成型技术制造过程的第一步。
日前比较著名的CAD造型软件系统有Pro/Engineer、UG、IDEAS、AutoCAD。
2）反求工程：
物理形态的零件是快速成型技术体系中零件几何信急的另一个重要来源。
这里包括自然形成的各种几何形体以及采用传统工艺加工成的几何实体。
几何实体包括了零件的几何信息，但这些信息必须通过反求工程来进行数字化。
反求工程的整个过程主要由两部分组成，首先是零件表面数字化，提取零件的表面二维数据，其次进行二维重构，得到二维CAD模型或磨片模型。
3）数据转换：
二维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行处理，才能用于控制RP成型设备制造的零件。
数据处理的过程主要包括：
表面离散化、分层处理等，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正转换成数控代码。
4）原型制造：
利用快速成型设备将原材料堆积为三维物理实体。
图2.1典型的快速原形制造技术体系
5）物性转换：
通过快速成型系统制造的零件的力学性能、物理性质往往不能直接满足实际生产需要，仍然需要进一步处理，即物性转换。
该环节是RP技术实际应用的一个重要环节。
如果硅橡胶铸造、陶瓷型精密铸造、金属喷涂制模等多项配套制造技术与RP技术相结合，即形成快速铸造、快速模具制造等新技术，这一环节是RP技术走向工业应用的重要桥梁[1]。
如图2.1所示为典型的快速原形制造技术体系。
快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点:
（
（1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造，这是传统方法无法比拟的。
（2）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。
（3）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，不需要机械加工方面的专门知识就可操作。
（4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。
（5）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。
（6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造，小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。
快速自动成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。
人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。
制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。
人们用其长避共短，效益非凡。
与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
2.2快速成型技术的成型过程
快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用软件从STL文件"切"（Slice）出设定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。
然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，类似于计算机向打印机传递打印信息，用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层，直到完成整个零件。
因此，快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型几何体的信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。
快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”材料的加工方法（即:
对毛坯进行加工，去除多余的材料而获得工件），采用全新的“增长”加工法（即：
用一层一层小毛坯逐步叠加成工件），将复杂的三维加工分解成为简单二维加工。
因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法30%～50%的工时和20%～35%的成本，就能直接制造出产品的样品或模具。
具体的过程如下：
1、三维模型的建立
由于实现快速成型的系统只能接受计算机构造的产品三维模型（立体图），然后才能进行切片处理。
因此，三维建模是快速成型系统的第一步也是关键的一步。
所谓三维建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。
现阶段它主要包括线框建模、表面建模、实体建模和特征建模。
建模也就是在计算机上实现设计思想的数字化，即将产品的形状、特性等数据输入到计算机中。
目前快速成型机的数据输入主要有两种途径:
一是设计人员利用计算机辅助设计软件Pro/Engineering、SolidWorksIDEAS、MDT、AutoCAD等），根据产品的要求设计三维模型，或将己有产品的二维三视图转换为三维模型；另一种是对己有的实物进行数字化，这些实物可以是手工模型、工艺品或人体器官等。
这些实物的形体信息可以通过三维数字化仪、CT和MRI等手段采集处理，然后通过相应的软件将获得的形体信息等数据转化为快速成型机所能接受的输入数据。
2、三维模型的近似处理
快速成形是按一层一层的截面轮廓来进行加工，因此，加工前须从成形高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面轮廓。
由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，因此加工前必须对其进行近似处理。
在目前的快速成型系统中，最常见的近似处理方法是模型转换成STL格式的文件。
STL格式是目前快速成型系统中最常见的一种文件格式，它用于将三维模型近似成小三角形平面的组合。
计算机将记录模型的每一个小三角形法向量的X,Y、Z的分量，以及三角形每个顶点的X,Y、Z的坐标，用户大多并不需要关心这些而只要了解到STL文件的三角形的面数、线数和点数，从而判断模型的精度。
在转换的过程中，要根据所制作的产品或模具的不同，选择不同的精度，精度太低无法达到设计要求，精度太高则有些不成熟的成型系统接受不了。
对于精度设置，主要有角度公差、宽高比、表面公差和顶点间距这4项，而其中顶点间距值设置的大小直接而明显地改变了模型的精度，用户应根据自己的设计要求，不断摸索经验，选择适合自己的顶点间距值。
典型的计算机辅助设计都有转换和输出STL格式文件的接口，但是，有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。
3、三维模型的切片处理
由于快速成型是按一层一层截面轮廓来进行加工，因此，加工前必须从三维模型上沿成型的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。
间隔的大小根据被成型件精度和生产率的要求选定，间隔愈小，精度愈高，成型时间愈长；间隔的范围为。
0.05-0.5mm，常取O.lmm，在此取值下，能够得到相当光滑的成型曲面。
切片间隔选定之后，成型时每层材料的叠加厚度应与其相适应。
各种快速成型系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。
4、截面轮廓的制造
根据切片处理得到的截面轮廓，在计算机的控制下，快速成形系统中的成型头（激光头或喷头）在X—Y平面内自动按截面轮廓运动，切割纸（或固化液态树脂、烧结粉末材料一、喷射粘结剂或热熔材料），得到一层一层截面轮廓。
每层截面轮廓成形之后，快速成形系统将下一层材料送至已成形的轮廓面上，然后进行新一轮截面轮廓的成形，从而将一层层的截面轮廓逐步叠加在一起，最终形成三维产品。
5、后处理
后期处理是一种新工艺，在进行后期处理之前，先用Magic等类似软件将工件的图
后处理
图2.2快速成型过程
纸在计算机上打印出来，以了解整个工件的形状、尺寸，做到心中有数。
然后根据工件的大小、复杂性，决定是先取外围废料还是先取内腔废料，对于小工件一般先取内腔较好。
在处理的过程中一般遵循打磨→涂料→再打磨→再涂料，不断重复直至表面光洁度和尺寸精度符合设计要求的原则。
要注意打磨的时间、粗细和所选择的涂料的性能[2]。
２.３成型快速技术的成型工艺方法及特点
快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界第一台快速成型机的问世以来，各种不同的快速成型工艺相继出现并逐步成型，相对应的设备也继而商品化。
目前，比较成熟的快速成型工艺方法已经有十几种，其中光固化立体造型（SLA—StereoLithographyApparatus）、分层物体制造（LOM—LaminatedObjectManufacturing）、选择性激光烧结（SLS—SelectedLaserSintering）、熔融沉积制造（FDM—FusedDepositionModeling）等四种已经得到了世界范围内的广泛应用。
下面将分别介绍它们的成型原理与特点。
2.3.1光固化立体造型（SLA—StereolithographyApparatus）
该技术以光敏树脂为原料,计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描,使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。
当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。
新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复至整个零件原型制造完毕。
—般薄截面的厚度为0.07mm～0.4mm。
模型从液态树脂中取出来后,进行最终硬化处理,再打光、电镀、喷漆或着色处理。
其工作原理如图2.31所示。
图2.31SLA的成型原理
图
首先升降台向下浸入到装有液态光敏聚合物的容器中，每次的下降高度应能满足使升降板上获得所需厚度的一层液态光敏聚合材料，接着紫外激光源根据计算机给出的模型数据在该层材料上描绘零件图形，将该表面液态聚合物选择性地固化并粘在升降台上。
一层固化后，升降台再下降，使固化层的表面又覆盖一层0.15mm～0.25mm厚的液态光敏聚合材料，然后再用紫外激光来扫描，使之成为新的固化层，此过程周而复始，直到加工出所需的零件原型为止，然后升降架移出液面，将已成形的零件原型通过紫外光加热最后固化。
SLA法是第一个投入商业应用的RP技术,其方法特点是精度高、表面质量好、原材料利用率接近100%,能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰等）的零件,还可直接制造塑料件。
但不足之处有:
1）SLA设备、紫外激光管等费用昂贵,国内企业或一般用户难以接受；2）造型材料（液态树脂）所加工的制件成本高；3）分层固化过程中,处于液态树脂中的固化层因漂浮易发生错位,必须设计支撑结构与原型制件一道固化,至此前期软件的工作量大；4）由于激光固化液态树脂的过程中,材料发生相变,因此不可避免地使聚合物产生收缩而产生内应力,从而引起制件翘曲和其他变形。
2.3.2分层物件制造（LOM-laminatedObjectManufacturing）
分层物体制造是80年代末才开始研究的一种ＲＰ技术,1991年其商品化设备才开始问世，工艺先将单面涂有热熔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轮廓。
然后，新的一层纸再叠加在上面并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、粘合、切割…,直至整个零件模型制作完成。
这种方法最适合于成形中、大型件,翘曲变形小,尺寸精度较高,成形时间较短,激光器使用寿命长,制件有良好的机械性能，其工作原理如图2.32所示。
LOM（LaminatedObjectManufacturing）是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件原型的一种技术。
步进电机带动进给机构辊沿逆时针方向转动，原材料（卷纸）自右向左移动到预定的距离，工作台升高至切割位置，热压辊自左向右滚动，将涂胶纸热粘在基底上，计算机根据样品模型的截面轮廓线信息驱动激光切割头，在材料上切出轮廓线并在中间余料上切出方形小网格，工作台连同被切出的轮廓层一同下降到预定高度，步进电机再次驱动主动芯辊沿逆时针方向转动，重复下一个工作循环，直至构成零件原型。
图2.32LOM的工作原理
该成形机的基本结构：
1）送纸、卷纸机构；
2）热压、测高机构－加热、测高传感器
3）激光系统－CO2激光器、功率为50W；
4）X-Y扫描系统-丝杠、导轨，带插补的伺服闭环系统；
5）可升降工作台—步进的开环系统。
该方法的主要特点概括为:
1）成型速率在RP技术中最高。
由于该工艺不需要扫描整个模型截面,只要切割出内外轮廓,因而制模的时间主要取决于零件的尺寸和制件的复杂程度；2）设备价格低廉；3）造型材料成本低,制件价格远比ＳＬＡ制件便宜；4）造型材料一般选用单面涂有热熔胶的纸，成型过程中,不存在收缩和翘曲变形,制件强度和刚度高,几何尺寸稳定性好,可采用通常木材加工的方法对表面进行抛光；5）不必进行支撑设计,前期软件的工作量小；6）能制造大尺寸制件,工业应用面较广。
2.3.3选择性激光烧结（SLS-SelectedLaserSintering）
选择性激光烧结采用CO2激光器作为能量源,通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属（或其复合物）的粉木材料均匀地烧结在加工平面上。
在工作台上均匀铺上一层很薄（100μm-200μm）的粉末,在计算机控制下按照零件分层轮廓选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结。
全部烧结后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。
这种方法适合于成形小件,能直接得到塑料、陶瓷或金属产品,制件的翘曲变形比SLA法小,但仍需对整个截面进行面扫描烧结,因此成形时间较长。
在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合并得到制件后,须将制件置于加热炉中,烧掉其中的粘结剂,并在孔隙中渗入填充物（如铜）.因此,后处理比较麻烦,往往需要进行尺寸补偿才能保证制件精度。
该成形机的基本结构：
1）激光器—CO2激光器或YAG激光器、波长一般为1.06μm、近红外波段，功率为50～200W；
2）光学系统—用于激光束的调焦和定向；
3）函数发生器与工控机—控制激光束在X-Y平面上扫描；
4）料斗与铺平机构—装粉料、铺平粉料表面。
图2.33SLS的工作原理
成形材料主要有蜡粉、聚苯乙烯（PS）、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC）、尼龙（PA）、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50～125μm。
2.3.4熔融沉积造型（FDM-FusedDepositionModeling）
熔融沉积制造技术由美国Stratasys公司开发。
主要将CAD模型分为一层一层极薄的截面,生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。
加热喷头在计算机控制下,可根据截面轮廓的信息,作X-Y平面运动和高度Z向的运动，丝材（如塑料丝）由供丝机构送至喷头,并在喷头中加热、熔化,然后被选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成截面轮廓,如此反复一层一层地涂覆,最终得到三维产品。
这种方法适合成形小塑料件,制作的翘曲变形比SLA法小,但仍需对整个截面进行扫描涂覆,因此成形时间较长。
为克服这一缺点,可采用多个热喷头同时进行涂覆,以便提高成形效率。
该工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在凝固点之上,通常控制在比凝固温度高1℃左右,每层厚度范围在0.025ｍｍ～0.762ｍｍ。
其原理图如图2.34所示
图2.34FDM的成型原理
FDM的加工原理是将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）加热呈熔融的细丝状态，并从喷嘴中将其挤压喷出堆积为具有一定轮廓形状的薄层片，接着用同样的方法堆积出第二个薄层片，并于前一个层片熔结在一起，如此类推从而获得一个零件原型。
随着该技术的不断发展，现在双喷头的已经得到了广泛的应用和发展，具体的原理和单喷头的相同，只是多了一个支撑材料的喷头，这个将在后面详细的介绍[3-4]。
2.3.5其他的成型方法
（1）粘结成形（TDP-ThreeDimensionalPrinting）
TDP使用粉末材料和粘结剂,喷头在每一层铺好的材料上有选择地喷射粘结剂,有粘结剂的地方材料被粘结在一起,其他地方仍为粉末,这样层层粘结就得到一个空间实体,去除粉末进行烧结就得到所要求的零件。
（2）三维打印成型（3D-P）
该工艺是由麻省理工学院开发的成型技术，与SLS类似，3D-P也使用粉末材料，无需支撑，但它不使用激光束，而是用喷头喷出的粘接剂粘接粉末材料，该工艺制出的原型经过烧结、渗铜等后处理，也可以制造金属模具/零件。
（3）形状沉积制造成型（SDM）
SDM-工艺工作原理是去除加工与分层堆积制造相结合的一种新型快速成形制造工艺，它综合了两种零件成型的优点，既可以制造金属零件，具有较高的成型精度H由切削加工保证，
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