切片機CAD/CAE/CAM一體化設計及3D打印技術的應用

陸天龍，馬澤飛，王睿鵬，向　楠，劉　棟北方民族大學，寧夏銀川　750021

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切片機CAD/CAE/CAM一體化設計及3D打印技術的應用

陸天龍，馬澤飛，王睿鵬，向楠，劉棟
北方民族大學，寧夏銀川750021

摘要計算機技術在我國工業起到了不可替代的作用，本文通過了計算機輔助設計CAD三維軟件對切片機的整體設計，計算機輔助工程CAE對切片機主要零件進行分析，計算機輔助制造CAM對切片機零件進行模擬數控加工，通過一整套的計算機模擬、分析減少了實物實驗時材料的浪費。利用3D打印技術打印出切片機精密度高的零件。最后對各零部件進行再次檢查，若滿足安全使用、生產要求，產品將投入生產。

關鍵詞切片機；CAD/CAE/CAM；3D打印；模擬

切片機是在生活中占有很大比例的機械產品，如：食品切片機、蔬菜切片機、藥理切片機、工業切片機等。但是，這些切片類機器主要應用在企業工廠、學校食堂和手工作坊等一些需求量比較大的場合。在家庭中使用存在著體積大、移動不方便、耗電多、成本大、不易操作、功能單一等缺點。本文中介紹的切片機，在設計上考慮到產品裝配和維修的機械結構設計問題、怎么提高了精度的結構設計、人機學的結構設計問題。該作品其具有有體積小、移動方便、低耗能、操作方便、機械傳動節約資源等優點，很好的解決在家庭中使用的受限的問題。

利用計算機虛擬模擬該產品加工、受力情況可以知道產品的不足以及加工過程中出現的問題，及時改正，減少生產的廢品率。

1　整機結構及工作原理及結構設計

家用式切片機采用全有機玻璃做外殼，造型美觀，易清理，無毒無害，切片機主要由電機、減速器、切片機構、自動輸出料機構、機座等組成，如圖1所示。

圖1　切片機的CAD的三維建模

電機和減速器通過聯軸器連接，通過主動齒輪和從動齒輪間的嚙合轉動帶動切刀的運動，從而實現切片機的功能，切刀與減速器之間通過簡單的連桿機構連接，實現了切刀的往復運動，本文所設計的蔬菜切片機所滿足的要求如下：

1）若蔬菜的種類不同，采用調節裝置，改變刀片的傾角，實現切片時的長度、厚度切片工作速度約60 次/min。

2）切片機在家庭中使用，操作使用方便，所以必須選用機構、簡單、輕便。

3）切片機在使用時須保證切片大小，厚度的統一。

4）必須保證使用者的人身安全以及周圍環境不受切片機工作影響。

2　主要部件的CAD三維造型及CAE有限元分析

2.1齒輪

齒輪傳動平穩，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用功率、速度和尺寸范圍大，所以齒輪機構在機械產品中的使用非常廣泛，為了使切片機運行穩定從而設計減速器來實現這一要求，通過相關的計算得到減速器上齒輪的參數，然后再通過CAD三維軟件繪制出齒輪后，再利用CAM軟件對齒輪、最后和其他的零件進行裝配，得到減速器。

齒輪的計算：

齒頂高：ha=ha*m

齒根高：hf=（ha*+c*）m

分度圓直徑：d=mz

基圓直徑：db=dcosα

齒頂圓直徑：da=d+2ha

齒根圓直徑；df=d-2hf

齒距：p=πm

2.2對刀片進行有限元分析

首先將該刀片和CAE軟件關聯，創建有限元模型。然后對刀片設計約束條件并施加載荷。接下來進行計算求解及相關進行數據處理并在特殊情況下進行求解。最后對該材料的刀片強度進行校核。

3　零部件的3D打印

3D打印即快速成型現代技術之一，它以數字模型文件作為基礎，現在只能運用一些粉末狀金屬或塑料等可粘合的材料進行打印，然后采用逐層打印、堆積的方式來構造物體的技術。常在模具制造、工業設計等領域

被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的單件小批量、不易直接加工的產品進行直接制造，但3D打印費用較高，在生產過程中還是受到限制。本實驗只對切片機的主要零部件進行3D打印。

4　CAM及數控加工

CAM計算機輔助制造的核心是數控。數控技術也是計算機快速發展在工業生產的產物。數控的核心是用計算機來對加工過程中的信息進行處理和控制，從而實現加工過程的自動化。現階段我國的數控技術與國外仍有很大的差距，主要表現在精確度、穩定性、可靠性等差距。現代工業革命德國工業4.0和中國工業2025很大程度上都對數控加工技術提出了更高的要求。平時在使用數控加工切片機工件時大致分為以下階段：1）明確一個數控加工的方案，對加工的方式進行大致設計；2）進行工藝處理，用CAM數控加工切片機零部件時，注意使用合理的數控加工工藝從而保證工件的合格率。例如，為了維護數控機床，先用傳統機床進行粗加工，再用數控機床進行精加工，這樣不但方維護了數控機床的精度，同時也保證了零部件的加工精度；3）進行相應的數學坐標處理，該步驟影響了工件的加工精度，所以必須嚴肅對待；4）計算各種刀具的運動軌跡信息；5）根據不同的數控機床，使用不同介質，并對相應的程序步驟進行檢查。

5　結論

1）通過計算機輔助工具對切片機的零件進行設計裝配和模擬加工，避免問題的產生，提高產品設計生產速率、降低了產品研發成本；2）通過CAD三維軟件的裝配功能可以知道切片機設計的可行性，CAE有限元分析功能解決了主要零件受力情況，通過3D打印技術打印出主要零部件。CAM對切片機零件進行模擬數控加工減少工件材料和能源的消耗，從而可以降低成本。

參考文獻

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中圖分類號G2

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0118-01