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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(lái)源：西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué) 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(yùn)用齒輪嚙合空間傳動(dòng)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(biāo)系、增材加工坐標(biāo)系和逐層加工模型坐標(biāo)系，建立漸開(kāi)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(duì)該模型進(jìn)行前處理，對(duì)增材制造加工過(guò)程進(jìn)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(zhǔn)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(dòng)是一種新型齒輪傳動(dòng)，被應(yīng)用于航空直升機(jī)等諸多場(chǎng)合。對(duì)面齒輪的加工方法的研究也是歷年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。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(jìn)制造技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞增材制造技術(shù)進(jìn)行了大量研究∞。6 J。其中，文獻(xiàn)[7]對(duì)航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[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(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[9]針對(duì)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(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[10]對(duì)飛機(jī)增材制造制件的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化分析。還有一些作者對(duì)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(bào)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(yùn)用齒輪嚙合空間傳動(dòng)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(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)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(dòng)原理

斜齒小齒輪和面齒輪的嚙合傳動(dòng)關(guān)系如圖1所示，其中下角標(biāo)1、2、s、廠分別代表小齒輪、面齒輪、刀具和固定坐標(biāo)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(biāo)系原點(diǎn)沿小齒輪軸線方向的距離。

圖1面齒輪嚙合傳動(dòng)示意圖

圖2齒面接觸分析坐標(biāo)系

齒輪副12在坐標(biāo)系S。中的切觸方程可以寫(xiě)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(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)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(guò)程不意圖

利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上，可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，這項(xiàng)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(shù)脂快速成型3D打印機(jī)裝載兩個(gè)3．6 kg的模型材料盒和兩個(gè)支撐材料，消除了低分辨率構(gòu)造的復(fù)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(pán)上，直至部件制作完成。其整個(gè)工藝過(guò)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(duì)斜齒面齒輪的加工采用該3D打印機(jī)。在加工前，需要準(zhǔn)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(shí)別的STL數(shù)據(jù)格式。STL數(shù)據(jù)格式的使命是將三維實(shí)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(shù)脂快速成型3D打印機(jī)加工斜齒面齒輪，打印機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1快速成型機(jī)Eden260V基本參數(shù)

模擬面齒輪加工過(guò)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(biāo)系的建立

式中：M。表示從坐標(biāo)系s；到坐標(biāo)系Js。的轉(zhuǎn)換，其余可類推。刀具到面齒輪的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

由以上的坐標(biāo)變換關(guān)系，可以建立快速成型機(jī)加工時(shí)噴頭與齒輪之間的位置變化關(guān)系。

4.算例

加工開(kāi)始時(shí)，加工平臺(tái)移動(dòng)到初始位置，并且在平臺(tái)底層鋪一層粉末，然后向成形艙通入適當(dāng)?shù)亩栊詺怏w，當(dāng)成形艙的氧含量低于規(guī)定的限值，則自動(dòng)開(kāi)始加工。通過(guò)用計(jì)算機(jī)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(tái)降低一個(gè)層的厚度，再鋪上一層金屬粉末，重復(fù)上述過(guò)程，最終，就可得到所需的零件。加工成型機(jī)及過(guò)程如圖6所示。