基于选择性激光烧结(SLS)快速成型机设计.doc

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基于选择性激光烧结（SLS）快速成型机设计
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（ee）
指导老师：ee

[摘要] 快速成型(RP)技术是近年来倍受学术界和制造业关注的一种先进成型制造技术。目前世界上占主导地位的5种RP成型方法其基本原理业己完善，针对具体的RP系统如何在不增加昂贵的附加成本的同时，进一步提高成型效率、提高成型件的精度、完善成型件性能以及尽量扩展成型件的适用范围是发展RP技术的重要课题.
选择性激光烧结工艺（SLS）又称为激光选区烧结。是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。该工艺方法是由美国得克萨斯大学奥斯丁（Austin）分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的。
目前研究SLS的有DTM公司，E.O.S公司，3D Systems公司，北京隆源公司，华中科技大学，华北工学院，南京航空航天大学等。其中，最早将SLS市场化的是DTM公司。
作者正是基于以上观点，对比DTM，EOS两大公司的经典设计方案，改进设计结构，增强工作性能，通过对机械、电气部分的研究，试图将新的思想带入到SLS成型机的设计中。

[关键词] 快速成型;激光选区烧结;成型效率;成型精度

Forming based on selective laser sintering(SLS) rapid prototyping machine design
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(ee)
Tutor : ee

Abstract:Rapid Prototyping (RP) is an advanced forming and processing technology that is followed with interest by researchers and manufactures in recent years. Now the basic principles of five kinds of RP technology, which dominate in the world, have been integrated. To special RP systems, it is an important subject how to decrease forming time, improve the prototyping precision and extend the utilization area of prototyping without extra expensive cost.
The Selective Laser Sinter(SLS) is also named Laser Selectivity Sinter. It can make the datum powder sinter or blend to three-dimensional antitype by dint of exactitude introductory laser. This craftwork is created in 1989 by an American, C.R.Dechard, who lived in the Austin.
Now, there are many company studying the SLS in the world, for example , the DTM, E.O.S, 3D Systems. And there are also many company in our country, for instance, Beijing Longyuan Lst., the middle of China science and technology University. But the first company who made the SLS commercial is the DTM.
Just on the basis of all above opinions, Author would like compare the design blue print of DTM and E.O.S, and improve the design,Through the study of mechanical and electrical parts ,also try to take a new idea into the SLS.

Key words:Rapid Prototyping; Selective Laser Sintering; forming precision; Forming time

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目 录
目 录 I
1 绪论 1
1.1 对快速成型技术的全面理解 1
1.2 当前主要的RP技术 2
1.2.1 主要快速成型系统的综述 2
1.2.2 几种主要RP技术的比较 3
1.3选择性激光烧结概述 3
1.3.1 选择性激光烧结的工艺原理 3
1.3.2 选择性激光烧结的工艺特点 4
2 方案选择 5
2.1 设计的目的和要求 5
2.2 拟解决的具体问题 5
2.3 解决问题的思路和方法 5
2.3.1 整体布局示意图 5
2.3.2 SLS的工作原理 6
2.4 激光选区烧结的工艺过程及特点 8
2.4.1 激光选区烧结工艺过程 8
2.4.2 激光选区烧结的工艺特点 8
3 机械部分设计计算 9
3.1 机械结构传动装置设计 9
3.2 SLS的系统设计 10
3.2.1 成型工作缸 10
3.2.2 废料回收缸 18
3.2.3 铺粉机构的设计 18
3.2.4 送料工作缸 19
3.2.5 机身与机壳 19
4 电气部分设计 20
4.1 工控机 20
4.2 激光系统 20
4.2.1 激光器 20
4.2.2 反射镜 20
4.2.3 扩束聚焦系统 21
4.2.4 扫描器 22
4.2.5 扫描路径选择 22
4.3 辅助部件 23
4.3.1 传感器的选择 23
4.3.2 温度加热与检侧装置的选择 23
4.3.3 行程开关 24
5 硬件设计 25
5.1 供粉与铺粉运动控制单元 25
5.2 激光系统硬件单元 26
5.2.1 激光扫描控制单元 27
5.2.2 激光器控制单元 27
5.3 行程开关和温控系统控制单元 27
致 谢 29
参考文献 30

31

1 绪论
20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形（Rapid Prototyping & Manu facturing：RP）技术，突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的影响。
1.1 对快速成型技术的全面理解
RP 的总体目标是在CAD的直接驱动下，快速完成具有复杂形状的零件：(1)直接CAD驱动，无需专用的工夹具; (2)快速完成，零件制造全过程的快速性，这是CAD直接驱动的直接结果:(3)复杂形状的三维实体，RP可制造任意复杂程度的零件，不受零件几何形状的限制。在RP的发展过程中，不少研究机构和人员都按照自己的理解赋予其不同的称谓，而这些不同称谓即反映了RP不同方面的重要特征；
·材料添加制造 （MIM, Material Increase Manufacturing)
“材料添加制造”将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。
·分层制造 (LM, Layered Manufacturing)
“分层制造”将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。
·离散堆积制造
“离散堆积制造”是现代成型学理论中在对成型技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成型物理过程的材料堆积性，体现了RP技术的基本成型原理，具有较强的概括性和适应性。RP由于采用了离散堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，而RP的工艺规划主要作用是对成型过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以RP可容易地实现设计制造一体化。
·直接CAD制造 (DCM, Direct CAD Manufacturing)
“直接CA D制造”反映了RP是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RP设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺规划，成型设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。
·实体自由成型制造(SFF, Solid Free form Fabrication)
“实体自由成型制造”表明RP技术无需专用的模腔或夹具，相应不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体零件的形状和结构也，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。
·即时制造(IM, Instant Manufacturing)
“即时制造”反映了该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，RP技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RP技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。
1.2 当前主要的RP技术
RP是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术的总称，是技术综合的结果。到目前为止，RP的成型方法已逾百种，但是其中的大多数都还是处于实验室阶段，并没有实现真正的商品化。不同的RP系统都有其特有的优势，但是同时也存在自身的缺陷，所以必须根据具体的使用要求进行RP系统的选择。
1.2.1 主要快速成型系统的综述
现阶段RP技术的基本原理在上世纪90年代初期就得到了基本的完善，这些原理的最主要成果就体现在目前占统治地位的5种快速成型系统上面,5种主要有:光固化立体造型(SLA, Stereolithography)，叠层制造(LOM, Laminated Object Manufacturing),激光选区烧结(SLS, Selective Laser Sintering)、熔丝沉积制造(FDM, Fused Deposition Modeling)以及三维印刷(3DP,Three Dimension Printing).多年来主要是从这些原理出发，不断的完善系统性能及成型工艺，而很多其他的RP方法的发展却严重滞后，有些则被淘汰。关于这五种RP系统的发展概况如下表1所示：
表 1 典 型 RP 系 统 的 发 展 概 况
成型
系统
发明
时间
主要发明
机构和人员
主要
供应商
SLA
1986年获得专利，87年商品化
学者Hull等，美国3D Systems公司
美国3D Systems公司、德国EOS公司，日本CEMT公司
LOM
1984年提出构想，89年开发出样机，稍后商品化
学者Michhaa Feygin,Helisys公司
美国Helisys公司，新加坡KINERGY公司，日本Kira公司
SLS
1986年发明概念机，92年商品化
Carl.Deckard,DTM公司
美国DTM公司、德国E.O.S公司
FDM
1988年提出构想，90年开始出样机，92年商品化
Scott Crump 博士，Stratasys公司
美国Stratasys公司
3DP
上世纪80年代末
麻省理工学院，MIT公司和Soligen公司
美国SPI　Systems公司
1.2.2 几种主要RP技术的比较
有关这5种主要的RP技术的成型原理已有很多文献进行过详细的介绍，这里不加赘述。由于快速成型技术方法以及成型材料的迅猛发展，针对特定的零件如何选择最适合的快速成型系统是近年来快速成型研究的一个重点方面，下面在横向将几种主要的RP技术进行比较。
1)尺寸精度:
在大多数情况，SLA能获得的尺寸精度最高，下来依次为LOM, FDM和SLS;
2)零件制造时间
SLA较快，LOM次之，而FDM和SLS的成型速度较慢。
3) 制件的复杂程度
SLA较高，FDM和SLS次之，LOM较低。
4) 制作成本
制作成本应包括设备购置成本、设备运行成本以及人工成本，经过综合评价认为SLA较高，FDM和SLS次之，LOM的制作成本较低。
1.3选择性激光烧结概述
1.3.1选择性激光烧结的工艺原理
快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。如图1.1所示

图1.1 快速成型原理示意图
成型系统的主体结构是在一封闭成型中装有两个活塞机构, 一个用于供粉(称为供粉活塞) , 另一个用于成型(称为成型活塞)。成型过程开始, 供粉活塞上移一定量, 铺粉辊将粉末均匀地铺在工作平面上。激光束在计算机的控制下, 透过激光窗口以一定的速度和能量密度对粉末层进行有选择的照射, 使被照射粉末达到其烧结温度, 粉末颗粒间发生表层粘接, 从而烧结在一起, 这样零件的第一层就制造出来了。这时, 成型活塞下移一定距离, 这个距离与设计零件的切片厚度一致, 而供粉活塞上移一定量。铺料辊在已烧结层上再铺一层粉。这样逐层烧结形成三维实体。成型材料为各种可烧结粉末, 如石蜡、塑料、低熔点金属粉末, 或它们的混合粉末[3]。其工艺原理框图，如图 1.2 所示。

图 1.2 工艺原理框图
1.3.2选择性激光烧结的工艺特点
成型技术开辟了不用刀具、模具等迅速制作零件的途径，并为传统方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种崭新的制造手段，技术的特点如下：
（1）成型过程与零件复杂程度无关, 是真正的自由成型。由于选区粉末烧结技术采用叠加造型原理, 而且烧结过程中未烧结的粉末成为天然的支架,因此SLS 技术几乎可以成型任意复杂的零件。
（2）成型材料范围广, 开发前景广阔。任何受热粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性, 包括塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。
（3）成型速度相对较快, 精度高。成型材料的易熔消失可代替蜡模直接用于精密铸造, 而且不必制作模具和翻模, 因此可以通过精铸快速获得铸件。
（4）材料无浪费, 未烧结的粉末可重复使用。
总结：从上面关于RP技术的初步介绍特别是SLS成型技术的现状分析发现，当今SLS技术己经能达到很不错的强度和精度。但是为了使快速成型技术从经济和技术上变得更有吸引力，就得在进一步减少成型时间而又不增加昂贵的开发成本的同时，提高成型系统的综合性能。基于此目的，我总结吸取已有的成型机设计，然后进行我下面的设计。希望对送料装置及传送装置进行改进设计，能够对SLS有更深的了解。

2.电机选择
2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）
2.1.1选择电动机类型
2.1.2选择电动机容量
电动机所需工作功率为：
；
工作机所需功率为：
；
传动装置的总效率为：
；
传动滚筒
滚动轴承效率
闭式齿轮传动效率
联轴器效率
代入数值得：

所需电动机功率为：

略大于 即可。
选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW
2.1.3确定电动机转速
取滚筒直径

1.分配传动比
（1）总传动比

(2)分配动装置各级传动比
取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比

则低速级的传动比

2.1.4 电机端盖组装CAD截图

图2.1.4电机端盖

2.2 运动和动力参数计算
2.2.1电动机轴

2.2.2高速轴

2.2.3中间轴

2.2.4低速轴

2.2.5滚筒轴

3.齿轮计算
3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。
2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。
3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。
4>选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取
5初选螺旋角。初选螺旋角
3.2按齿面接触强度设计
由《机械设计》设计计算公式（10-21）进行试算，即

3.2.1确定公式内的各计算数值
（1）试选载荷系数1。
（2）由《机械设计》第八版图10-30选取区域系数。
（3）由《机械设计》第八版图10-26查得，，则。
（4）计算小齿轮传递的转矩。

（5）由《机械设计》第八版表10-7 选取齿宽系数
（6）由《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数
（7）由《机械设计》第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 。
13计算应力循环次数。

（9）由《机械设计》第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数; 。
（10）计算接触疲劳许用应力。
取失效概率为1%，安全系数S=1，由《机械设计》第八版式（10-12）得

（11）许用接触应力

3.2.2计算
（1）试算小齿轮分度圆直径
===49.56mm
（2）计算圆周速度

（3）计算齿宽及模数

==2mm
h=2.252.252=4.5mm
49.56/4.5=11.01
（4）计算纵向重合度
0.318124tan=20.73
（5）计算载荷系数K。
已知使用系数根据v= 7.6 m/s,7级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数
由《机械设计》第八版表10-4查得的值与齿轮的相同，故
由《机械设计》第八版图 10-13查得
由《机械设计》第八版表10-3查得.故载荷系数
11.111.41.42=2.2
（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得

（7）计算模数

3.3按齿根弯曲强度设计
由式（10-17）

3.3.1确定计算参数
（1）计算载荷系数。
=2.09
（2）根据纵向重合度 ，从《机械设计》第八版图10-28查得螺旋角影响系数
（3）计算当量齿数。

（4）查齿形系数。
由表10-5查得

（5）查取应力校正系数。
由《机械设计》第八版表10-5查得
（6）由《机械设计》第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ；
（7）由《机械设计》第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ，；
（8）计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数S＝1.4,由《机械设计》第八版式（10-12）得

（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。

=
由此可知大齿轮的数值大。

3.3.2设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由

取 ，则 取

3.4几何尺寸计算
3.4.1计算中心距
a=
将中以距圆整为141mm.

3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角

因值改变不多，故参数、、等不必修正。
3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径

3.4.4计算齿轮宽度

圆整后取.
低速级
取m=3;
由
取

圆整后取

表 1高速级齿轮：
名　　称
代号
计 算 公 式
　　　小齿轮
大齿轮
模数
m
2
2
压力角

20
20
分度圆直径
d
=227=54
=2109=218
齿顶高

齿根高

齿全高
h

齿顶圆直径

表 2低速级齿轮：
名　　称
代号
计 算 公 式
　　　小齿轮
大齿轮
模数
m
3
3
压力角

20
20
分度圆直径
d
=327=54
=2109=218
齿顶高

齿根高

齿全高
h

齿顶圆直径

4.　轴的设计
4.1低速轴
4.1.1求输出轴上的功率转速和转矩
若取每级齿轮的传动的效率,则

4.1.2求作用在齿轮上的力
因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

圆周力 ,径向力 及轴向力 的
4.1.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据《机械设计》第八版表15-3,取 ,于是得

输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.
联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:

按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.
4.1.4轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案

图4-1
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.
2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。
3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。
4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取
低速轴的相关参数：
表4-1
功率

转速

转矩

1-2段轴长

84mm

1-2段直径

50mm

2-3段轴长

40.57mm

2-3段直径

62mm

3-4段轴长

49.5mm

3-4段直径

65mm

4-5段轴长

85mm

4-5段直径

70mm

5-6段轴长

60.5mm

5-6段直径

82mm

6-7段轴长

54.5mm

6-7段直径

65mm

（3）轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=20mm12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

4.2中间轴
4.2.1求输出轴上的功率转速和转矩

4.2.2求作用在齿轮上的力
（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：

（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：

4.2.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：

轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径。

图 4-2
4.2.4初步选择滚动轴承.
（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为dD*T=35mm72mm18.25mm，故，；
（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径 ；齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度，取。
（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。
4.2.5轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=22mm14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

中间轴的参数：
表4-2
功率

10.10kw
转速

362.2r/min
转矩

263.6
1-2段轴长

29.3mm

1-2段直径

25mm

2-3段轴长

90mm

2-3段直径

45mm

3-4段轴长

12mm

3-4段直径

57mm

4-5段轴长

51mm

4-5段直径

45mm

4.3高速轴
4.3.1求输出轴上的功率转速和转矩
若取每级齿轮的传动的效率,则

4.3.2求作用在齿轮上的力
因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

4.3.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：

输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.
联轴器的计算转矩 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取 ,则:

按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.
4.4轴的结构设计
4.4.1拟定轴上零件的装配方案

图4-3
4.4.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3 段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=45mm .半联轴器与轴配合的毂孔长度 ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端面上,故 段的长度应比 略短一些,现取.
2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故 ；而 ，mm。
3）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为61mm，齿轮轴的直径为62.29mm。
4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取。
5）轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按 查表查得平键截面b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。
高速轴的参数：
表4-3
功率

10.41kw
转速

1460r/min
转矩

1-2段轴长

80mm

1-2段直径

30mm

2-3段轴长

45.81mm

2-3段直径

42mm

3-4段轴长

45mm

3-4段直径

31.75mm

4-5段轴长

99.5mm

4-5段直径

48.86mm

5-6段轴长

61mm

5-6段直径

62.29mm

6-7段轴长

26.75mm

6-7段直径

45mm

5.齿轮的参数化建模
5.1齿轮的建模
（1）在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”，如图5-1所示。

图5-1“新建”对话框
2>取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体建模环境。

图5-2“新文件选项”对话框
（2）设置齿轮参数
1>在主菜单中依次选择“工具” “关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。
2>在对话框中单击按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体内容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。

图5-3输入齿轮参数
（3）绘制齿轮基本圆
在右工具箱单击，弹出“草绘”对话框。选择FRONT 基准平面作为草绘平面，绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。
（4）设置齿轮关系式，确定其尺寸参数
1>按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。
2>双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为、、、修改的结果如图5-6所示。

图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框

图5-6修改同心圆尺寸 图5-7“曲线：从方程”对话框
（5）创建齿轮齿廓线
1>在右工具箱中单击按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲线选项” “从方程” “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。
2>在模型树窗口中选择坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。
3>在记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件” “保存”选项保存设置。

图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程
4>选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTO。参照设置如图5-10所示。

曲 线1
曲 线 2

图5-11基准点参照曲线的选择 图5-10“基准点”对话框
5>如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照，创建过两平面交线的基准轴A_1，如图6-13所示。

图5-12“基准轴”对话框 图5-13基准轴A_1

6>如图5-13所示，单击“确定”按钮，创建经过基准点PNTO和基准轴A_1的基准平面DTM1,如图5-14所示。

5

5-15基准平面对话框 5-15基准平面DTM1
7>如图5-16所示，单击“确定”按钮，创建经过基准轴A_1，并由基准平面DTM1转过“-90/z”的基准平面DTM2，如图5-17所示。

图5-16“基准平面”对话框 图5-17基准平面DTM2

8>镜像渐开线。使用基准平面DTM2作为镜像平面基准曲线，结果如图5-18所示。

图5-18镜像齿廓曲线

（6）创建齿根圆实体特征
1>在右工具箱中单击按钮打开设计图标版。选择基准平面FRONT作为草绘平面，接收系统默认选项放置草绘平面。
2>在右工具箱中单击按钮打开“类型”对话框，选择其中的“环”单选按钮，然后在工作区中选择图5-19中的曲线1作为草绘剖面。再图标中输入拉伸深度为“b”，完成齿根圆实体的创建，创建后的结果如图5-20所示。

图5-19草绘的图形

5-20拉伸的结果
（7）创建一条齿廓曲线
1>在右工具箱中单击按钮，系统弹出“草绘”对话框，选取基准平面FRONT作为草绘平面后进入二维草绘平面。
2>在右工具箱单击按钮打开“类型”对话框，选择“单个”单选按钮，使用和并结合绘图工具绘制如图5-21所示的二维图