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考慮數(shù)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(yè)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(shù)字化齒面。建立可用于增材制造加工的面齒輪三維參數(shù)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(jié)果表明：斜齒面齒輪齒面方程的建立，形成數(shù)字齒面，可以快速有效地反應(yīng)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(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)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(yīng)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(shù)控的加工方法。

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)俗稱3D打印技術(shù)，是近30年快速發(fā)展的先進制造技術(shù)，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、單件小批量制造。增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)斜齒面齒輪的快速成型，使其成為制造業(yè)的研究熱點之一，國內(nèi)外許多學者圍繞增材制造技術(shù)進行了大量研究∞。6 J。其中，文獻[7]對航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)進行了分析，文獻[8]就金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)發(fā)展及其在高超聲速飛行器上的應(yīng)用進行了分析，文獻[9]針對激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展進行了分析，文獻[10]對飛機增材制造制件的宏觀結(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)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(guān)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(shù)是采用材料逐層累加方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除技術(shù)，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(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)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(shù)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(gòu)造的復雜曲面通常遇到的樓梯效應(yīng)。Objet擁有專利的PolyJet噴墨技術(shù)，可以以超薄層的狀態(tài)將藝術(shù)感光聚合材料一層一層地噴射到構(gòu)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(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的類型是CAD模型的STL數(shù)據(jù)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(tǒng)中切片軟件識別的STL數(shù)據(jù)格式。STL數(shù)據(jù)格式的使命是將三維實體的表面三角網(wǎng)格化，表面的三角剖分之后使3D模型呈現(xiàn)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(shù)如表1所示。

表1快速成型機Eden260V基本參數(shù)

模擬面齒輪加工過程中噴頭和面齒輪的嚙合關(guān)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(zhuǎn)換，其余可類推。刀具到面齒輪的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

由以上的坐標變換關(guān)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(guān)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?shù)亩栊詺怏w，當成形艙的氧含量低于規(guī)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。