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1、第30卷第3期北京化工大学学报Vol.30,No.32003年JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGY2003FDM工艺送丝驱动机构的摩擦驱动力分析闫东升 曹志清 孔改荣(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘 要:基于熔融沉积造型(FusedDepositionModeling,FDM)中料丝的受力分析,提出采用槽轮结构以增大驱动力。文中主要通过分析送丝驱动摩擦轮的结构,提出从动轮上的摩擦力可以忽略不记,同时提出在摩擦轮上开设V形卡槽的做法,并分析V形卡槽角度的大小对送丝驱动力的影响,提出卡槽角度的范围,寻求能够获得
2、较大送丝驱动力的卡槽角度。文中最后讨论了开槽的作用与开槽角度的范围,并推导了有弹簧预压情况下驱动力的计算公式。关键词:熔融沉积;摩擦轮;驱动力中图分类号:TQ320.663 熔融沉积造型(FusedDepositionModeling,料一般采用直径为两毫米的丝料,对其特性也有具FDM)采用热熔喷头,使处于半流动状态的材料按体的要求。CAD分层数据控制的路径挤压并堆积在指定的位1 送丝驱动机构的原理及对材料的要求置凝固成原型,逐层挤出堆积、凝固后形成整个原型或零件。这一技术的主要工艺原理是采用摩擦驱动送丝驱动结构采用两等直径的摩擦轮对料丝驱机构将料丝送入加热腔,使之受热熔融,然
3、后通过料动。两摩擦轮之间的间距可以实现方便地调节,并[1]丝的活塞推进作用使其挤出喷头,根据片层参数可以通过压力弹簧的作用使料丝和两驱动摩擦轮之控制加热喷头沿模型断面层扫描,同时控制熔融液间处于压紧的受力状态,从而提供驱动力。体的体积流量,使粘稠液体物料均匀地铺撒在断面由于料丝受到两驱动摩擦轮的夹持作用,另外[2]层上(图1)。材料需通过摩擦轮的摩擦力牵引作用使其从储丝轮上拉出,所以料丝应具有较好的抗弯强度、抗压强度、抗拉强度和柔韧性。由于料丝在加热腔内还起到活塞推进作用,为了提高其抗失稳能力,料丝必须具有足够高的弹性模量。此外料丝不均匀也会对送丝驱动力产生影响,因此要求料丝直径
4、均匀,表面光[3,4]滑,内部密实,没有中空、表面疙瘩等缺陷。其他还有一些对料丝的要求间接与送丝驱动作用有关:在加热腔和堆积成型过程中,熔融的料丝物料还需要具有较好的流动性,以减小料丝活塞推进力;料丝的熔融温度区间必须合适,既能具有合适的粘度,又能远离氧化分解的临界温度。图1 加热腔系统示意图Fig.1Schemeofheatingcavitysystem2 送丝驱动机构的送丝驱动力计算熔融沉积工艺的制造系统主要包括硬件系统、软件系统和供料系统。供料系统主要是提供用于成211 驱动机构采用一对主动轮和从动轮驱动型的材料[2]。在FDM工艺中,成型材料及支撑材快速原型机要求传动送丝
5、平稳,摩擦因数较高,并要求噪声小。一般送丝驱动机构采用一对等直径收稿日期:2002208231的摩擦轮驱动,且一个为主动轮,另一为从动轮。为第一作者:男,1976年生,硕士生了得到较大的料丝驱动力,本文提出在主动轮上开E2mail:ydongsh@163.com设V槽的改进结构,角度为α,如图2所示。从动轮·72·北京化工大学学报 2003年丝直径略有变化时,正压力大小近似不变。本文讨论有弹簧预压的情况。取Km=2/2(1-cosα)作为力的放大系数。根据式(2)和(3)可知:当弹簧的预紧力一定时,从理论上分析,取α=0°虽可使N1达到最大值,但这
6、样破坏了主动轮两个面接触料丝的假设,因而不成立。当α角取值趋近于零度时,例如当α=1°时,虽然N1可以达到较大值,但此时计算得放大系数Km为11416,这种情况下料丝的图2 材料丝受力分析示意图受力可能超出材料的压力屈服极限,显然这种情况Fig.2Schemeofforceanalysisonpolymerwire不合理,不予采用。当α=10°时,对应Km为1114,上的摩擦力对料丝的运动起阻力作用,为减小其影同样不合理。当α≥60°时,此时N1小于N,显然响,故将其设计成平面。由分析可知,料丝前进的驱不利于最大限度发挥材料的性能,因此,如考虑不超动力来源于主动轮对料丝的摩擦力F
7、f和从动轮对1出材料的压力屈服极限,α的取值范围应在10°到料丝的摩擦力Ff的合力,总的摩擦驱动力为60°之间。放大系数Km随角度α变化见图4。F(总)=2×Ff+Ff=2×f×N1-fr×N1式中,f为摩擦轮与材料丝之间的外摩擦因数,决定于摩擦轮与材料丝本身的材料性质以及主动轮提供的动力;fr为从动轮与料丝之间的当量摩擦因数,其数值不等于f(等于从动轮轴承摩擦阻力矩对应的摩擦因数的当量数值,轴承摩擦属于滚动摩擦,远远小于f,故忽略不计);N为从动摩擦轮对材料丝的正压力;N1为主
