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考慮數字齒面的斜齒面齒輪增材制造加工方法

2016-11-15 來源：西安工業大學機電學作者：董皓趙曉龍方舟李軍寧

摘要：為研究斜齒面齒輪的增材制造加工方法，運用齒輪嚙合空間傳動原理及增材制造的基本原理，建立了斜齒面齒輪和圓柱斜齒輪副的空間嚙合坐標系、增材加工坐標系和逐層加工模型坐標系，建立漸開線斜齒輪嚙合和斜齒面齒輪的齒面方程，形成斜齒面齒輪的數字化齒面。建立可用于增材制造加工的面齒輪三維參數幾何模型，對該模型進行前處理，對增材制造加工過程進行分析，得到了斜齒面齒輪增材制造加工的一種加工方法。結果表明：斜齒面齒輪齒面方程的建立，形成數字齒面，可以快速有效地反應出斜齒面齒輪的幾何特征。提高了增材制造加工的準確度。提供一種增材制造加工的方法，為斜齒面齒輪的快速成型加工提供依據。

關鍵詞：數字齒面；增材制造；斜齒面齒輪；快速成型

面齒輪傳動是一種新型齒輪傳動，被應用于航空直升機等諸多場合。對面齒輪的加工方法的研究也是歷年來研究的熱點和難點。面齒輪的加工通常采用數控的加工方法。

增材制造(additive manufacturing，AM)技術俗稱3D打印技術，是近30年快速發展的先進制造技術，其優勢在于三維結構的快速和自由制造，被廣泛應用于新產品開發、單件小批量制造。增材制造能夠實現斜齒面齒輪的快速成型，使其成為制造業的研究熱點之一，國內外許多學者圍繞增材制造技術進行了大量研究∞。6 J。其中，文獻[7]對航空領域的金屬高性能增材制造技術進行了分析，文獻[8]就金屬結構增材制造技術發展及其在高超聲速飛行器上的應用進行了分析，文獻[9]針對激光增材制造技術在航空航天領域的應用與發展進行了分析，文獻[10]對飛機增材制造制件的宏觀結構進行了輕量化分析。還有一些作者對齒輪加工制造做了研究。但是，增材制造加工斜齒面齒輪的報道較少。

本文將斜齒面齒輪與增材制造相結合，討論增材制造法加工斜齒面齒輪的可行性，運用齒輪嚙合空間傳動原理及增材制造的基本原理，建立可用于增材制造成型加工的面齒輪三維參數幾何模型，對增材制造過程進行研究，獲得面齒輪增材制造的加工工藝方法。

1,斜齒面齒輪傳動原理

斜齒小齒輪和面齒輪的嚙合傳動關系如圖1所示，其中下角標1、2、s、廠分別代表小齒輪、面齒輪、刀具和固定坐標系；B為小齒輪和刀具軸線間的距離；L0為小齒輪和面齒輪坐標系原點沿小齒輪軸線方向的距離。

圖1面齒輪嚙合傳動示意圖

圖2齒面接觸分析坐標系

齒輪副12在坐標系S。中的切觸方程可以寫為：

2.增材制造原理

如圖3所示，增材制造技術是采用材料逐層累加方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。

圖3增材制造工藝過程不意圖

利用三維設計數據在一臺設備上，可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，這項新技術給斜齒面齒輪的加工制造，提出了一種新的制造加工方法。Objet Eden260VⅢ光敏樹脂快速成型3D打印機裝載兩個3．6 kg的模型材料盒和兩個支撐材料，消除了低分辨率構造的復雜曲面通常遇到的樓梯效應。Objet擁有專利的PolyJet噴墨技術，可以以超薄層的狀態將藝術感光聚合材料一層一層地噴射到構建托盤上，直至部件制作完成。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等，對斜齒面齒輪的加工采用該3D打印機。在加工前，需要準備好加工所需的數據，數據的類型是CAD模型的STL數據格式，Pro／E、UG、Catia、Cimatio、Solid Edge、MDT等大型軟件都提供了這種能夠被DMLS制造系統中切片軟件識別的STL數據格式。STL數據格式的使命是將三維實體的表面三角網格化，表面的三角剖分之后使3D模型呈現多面體狀，如圖4所示。

圖4斜齒面齒輪增材制造前處理

3.快速成型加工

采用ObjetEden260VTM光敏樹脂快速成型3D打印機加工斜齒面齒輪，打印機基本參數如表1所示。

表1快速成型機Eden260V基本參數

模擬面齒輪加工過程中噴頭和面齒輪的嚙合關系，如圖5所示。

圖5面齒輪加工坐標系的建立

式中：M。表示從坐標系s；到坐標系Js。的轉換，其余可類推。刀具到面齒輪的坐標轉換關系式：

由以上的坐標變換關系，可以建立快速成型機加工時噴頭與齒輪之間的位置變化關系。

4.算例

加工開始時，加工平臺移動到初始位置，并且在平臺底層鋪一層粉末，然后向成形艙通入適當的惰性氣體，當成形艙的氧含量低于規定的限值，則自動開始加工。通過用計算機控制的激光束照射粉末，使得凝固的粉末與零件的幾何模型吻合。此后，加工平臺降低一個層的厚度，再鋪上一層金屬粉末，重復上述過程，最終，就可得到所需的零件。加工成型機及過程如圖6所示。