考（kǎo）慮數字（zì）齒麵的斜齒麵齒輪增材製造加工方法
2016-11-15 來源：西安工業大學機電學（xué） 作者：董皓 趙曉龍 方舟 李軍寧
摘要：為研究斜齒麵（miàn）齒輪的增材製造（zào）加工方法，運用齒（chǐ）輪齧合空間傳動原（yuán）理及增材製造的基本原理，建立了斜齒麵齒（chǐ）輪和圓（yuán）柱斜齒輪副的空間齧合坐標係（xì）、增材加工坐（zuò）標係和逐層（céng）加工模型坐標係，建立漸開線斜齒輪齧合和斜齒麵齒輪（lún）的（de）齒麵方程，形成斜齒（chǐ）麵齒輪的數字化齒麵（miàn）。建立可用於增材製造加工的麵齒輪三維參數幾何模型，對該模型進行前處理，對增材製造加（jiā）工過程進行分析，得到了斜齒麵齒輪增材製造（zào）加工的一種加工方法。結果表明：斜齒麵齒輪齒（chǐ）麵方程的建立，形成數字齒麵，可以快速有效地反應出斜齒麵齒輪的幾何特征（zhēng）。提高了增材製造（zào）加工的準確度。提供一種增材製（zhì）造加工的方法，為斜齒麵齒（chǐ）輪（lún）的（de）快速成型加工提供依據。
關鍵詞：數字齒麵；增材製造；斜齒麵齒輪；快速成型
麵齒輪傳動是一種新型齒輪傳動，被應用於航（háng）空直升機等諸多場（chǎng）合。對麵齒輪的（de）加工方（fāng）法的研究（jiū）也是曆年來研究的熱點和難點。麵（miàn）齒輪的加工通常采用數控的加（jiā）工（gōng）方法。
增材製造(additive manufacturing，AM)技術俗稱3D打（dǎ）印技術，是近30年（nián）快速發展的先進製（zhì）造技術，其優勢在於三維結構的快速和（hé）自由製造，被廣泛應用於（yú）新產品開（kāi）發、單件小批量製造。增材製造能夠實現斜齒麵齒（chǐ）輪的快速成型，使其成為製造業的研（yán）究熱點之一，國內外許多學者圍（wéi）繞增材（cái）製造技術（shù）進行了大量研究∞。6 J。其中，文獻[7]對航空領域的金屬高（gāo）性能增材製造技術進行了分析，文獻[8]就金屬結構增材製造技術發展（zhǎn）及其在高超聲速飛行器上的應用進行了分（fèn）析，文獻[9]針對激光（guāng）增材製（zhì）造技術在航空航天領域的應用（yòng）與發展進（jìn）行了分析，文（wén）獻[10]對飛機增材製（zhì）造製件的宏觀結構進行了輕量化（huà）分析。還有一些作者對齒輪加工製造做了研究。但是，增（zēng）材製造加工（gōng）斜齒麵齒輪的報道較少。
本文將斜（xié）齒（chǐ）麵齒輪與增材製造相結合，討論增材製造法加工斜齒麵齒輪的可（kě）行性，運用齒輪齧合空間（jiān）傳動原理及增（zēng）材製造的基本原理，建立可用於增（zēng）材製造成型加工的麵齒輪（lún）三維參數幾何模型，對增（zēng）材（cái）製造過程（chéng）進行研究，獲得麵齒輪增材製造的加工工藝方法。
1,斜齒（chǐ）麵齒輪傳動原理
斜齒小齒輪和麵齒（chǐ）輪的齧合傳動關係如圖1所示，其中下（xià）角標1、2、s、廠分別代表小齒輪、麵齒輪、刀具（jù）和固定坐標係；B為小齒輪和刀具軸線間（jiān）的距離；L0為小齒輪和麵齒輪坐標係（xì）原點（diǎn）沿小齒輪軸線方向的距離。
圖1麵齒輪齧合傳動示意圖
圖2齒麵接觸分析坐標係
齒輪副12在坐標係S。中的切觸方程可以寫為：
2.增材製造原理
如圖3所示（shì），增材製造技（jì）術是（shì）采用（yòng）材（cái）料逐層累加方法製造實體零件（jiàn）的技術，相對於傳統的材料去（qù）除技術，是一種（zhǒng）“自（zì）下而上”材料累加的（de）製造方法。
圖3增材製造工藝過程不意圖
利用三維設計數據在一台設備（bèi）上（shàng），可快速而精確地製造出任意（yì）複雜形狀的零件（jiàn），這項新技術給斜（xié）齒麵齒輪的加工製造，提出（chū）了一種新的製造加工方法（fǎ）。Objet Eden260VⅢ光敏樹脂快速成型3D打印（yìn）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（gòu）造的複雜曲麵通常遇到的樓梯效應。Objet擁有專利的PolyJet噴（pēn）墨技術，可以以（yǐ）超薄（báo）層的狀態將藝術感（gǎn）光聚（jù）合材料一層一層地噴射到（dào）構建托盤上，直至部（bù）件製作完成。其整個工藝過程包（bāo）括CAD模（mó）型的建立（lì）及數據處（chù）理、鋪粉、燒結以及後處理等，對斜齒麵齒輪的加（jiā）工采用該3D打印機。在加工前，需要（yào）準備好加（jiā）工所（suǒ）需的數據，數（shù）據的類型是CAD模型的（de）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（gòu）被（bèi）DMLS製造係統中切片（piàn）軟件識別的STL數據格式。STL數據格式的使命是將三維（wéi）實體的表麵三角網格化（huà），表麵的三（sān）角剖分之後（hòu）使3D模型呈現多麵體（tǐ）狀，如圖4所示。
圖4斜齒麵齒輪增材（cái）製造（zào）前處理（lǐ）
3.快速成（chéng）型加工
采用（yòng）ObjetEden260VTM光敏樹脂快（kuài）速成型3D打印機加工（gōng）斜齒麵齒輪，打印機基本參數如表1所示。
表1快速成型（xíng）機Eden260V基本參（cān）數
模擬麵齒輪加工過程中噴頭和（hé）麵齒輪（lún）的齧合關係，如圖5所示。
圖5麵齒輪加工坐（zuò）標係的建（jiàn）立
式中：M。表示從坐（zuò）標係（xì）s；到坐標係Js。的（de）轉換，其餘可類推（tuī）。刀具到麵齒輪的坐（zuò）標轉換關係式：
由以（yǐ）上的坐標變換關係，可以建立（lì）快速成型機加工時噴頭與齒輪之間的位置變化關係。
4.算例
加工開始時，加工平台（tái）移動到初始位置，並（bìng）且（qiě）在平台（tái）底層鋪一層粉末，然後向成形艙通入適當的（de）惰性氣（qì）體，當成形艙的氧含量低於規（guī）定的限（xiàn）值，則自動開始加工。通過用計算機控製的激光束照射粉末，使得凝固的粉末與零件的（de）幾何模型吻合。此後，加工平台降低一個層的厚度（dù），再鋪上一層金屬粉末，重（chóng）複上述過程，最終，就可得到所需的零件。加工成型機及過程如圖6所示。
圖6加工設備及過程
對斜齒麵齒輪進行加工時，采用光敏樹脂材料，加工該齒輪選用的層厚（hòu）為20鬥m，齒輪總高度為21．81mm，總層數為（wéi）742，各典型狀（zhuàng）態采用solidworks模擬如圖7所示。
加工成（chéng）品如圖7所示，可以看出，加工的表麵形貌符合幾何特征。
可以進一步進行齒麵誤差分析和精度測量等工（gōng）作，進而得到更高精度的齒麵幾何特（tè）征。
5.結語
本文將增材製造（zào）法運用（yòng）於斜齒（chǐ）麵齒輪的加工，結合齒輪齧合（hé）原理的基本方法和增材製造的基本原理，建立了增材製（zhì）造加工模型，並（bìng）完成了增材製造過程分析，所得結（jié）論為：
(1)斜齒（chǐ）麵齒輪齒麵（miàn）方程的建立，為增材製造加工提供了數（shù）據參數，提高了加工的（de）準確（què）度。
圖7 SolidWorks模擬增材（cái）製造加工（gōng）
圖8斜齒麵齒輪增材製造加（jiā）工成品
(2)得到較好的斜齒（chǐ）麵齒輪的加工成品（pǐn），如（rú）若得到更好的表麵質量，需進一步優化STL模型（xíng），減小粉末直徑，減少激光半徑和熱（rè）效應對加工層的影響，提高增材製造加工精度。
(3)可以進一步進（jìn）行齒麵誤差的測量分析等工作，以此作為參考，提升快速成型加工的質量。
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