汽車齒輪3D打印建模與實驗研究

韓晨浩 馬芳 郭偉斌 郭弋誠 韓世煒 呂妍霖

摘 要：3D打印，在當(dāng)今的民用領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用與實例。但是3D打印的模具性能與傳統(tǒng)材料的模具性能卻存在著一些質(zhì)疑，通過本實驗對齒輪進行建模，模型的材料選則確定為PLA材料，然后對模型進行打印，并且最終對打印產(chǎn)品進行相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)分析，得出3D打印的PLA材料產(chǎn)品的相關(guān)性能，對于產(chǎn)品的分析有著良好的價值。

關(guān)鍵詞：3D打印;檢測;強度;硬度

3D打印，是一種集計算機輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)與一體的技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控機床系統(tǒng)將特種金屬材料、非金屬材料和醫(yī)用材料按照擠壓、燒結(jié)、熔化、光固化、噴涂等方式逐層堆疊，制造物品的制造技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的模型加工方式：對原材料去除-切削、組裝，3D打印制造的產(chǎn)品是不同的，它是一種“自下而上”的制造方法，通過對材料的累加進行產(chǎn)品制造，使產(chǎn)品從無到有。這使得過去某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品因為受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(xiàn)制造在現(xiàn)在變?yōu)榱丝赡堋?D打印在在當(dāng)今的民用領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用與實例。但是3D打印的模具性能與于傳統(tǒng)材料的模具性能卻存在著一些質(zhì)疑，通過本實驗對齒輪進行建模，模型的材料選擇確定為PLA材料，然后對模型進行打印，最終對打印產(chǎn)品進行相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)分析，得出3D打印的PLA材料產(chǎn)品的相關(guān)性能，對于產(chǎn)品的分析有著良好的價值。

1 圓柱齒輪的設(shè)計

利用UG軟件設(shè)計圓柱直齒輪，對于齒輪的參數(shù)包括了模數(shù)為4mm，齒寬為20mm，齒數(shù)為20，齒輪中心孔直徑為20mm，齒輪鍵槽寬為10mm，齒頂圓直徑為88mm，齒根圓直徑為70mm，壓力角為20°，模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，模型的三維造型如圖2所示。

2 模型的材料及打印

2.1 打印材料

（1）ABS材料。可以便于加工地加工ABS印刷材料，其良好的吹塑功能已經(jīng)成為當(dāng)前材料在開發(fā)過程中非常容易成熟的類型。材料內(nèi)容包括工程塑料、生物塑料等，以及合理的機械強度與熱穩(wěn)定性，在一些大型的工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都得到了有效利用。但材料仍然有一定的缺陷，如果溫度場不均勻，在產(chǎn)品打印的過程中會出現(xiàn)開裂，并產(chǎn)生刺激性氣味。因此，在改進技術(shù)條件時，目前通常在ABS材料之內(nèi)加入填料或進行改性，獲取不同類型的3D打印耗材。

（2）主要材料：PLA材料，打印溫度與ABS材料相比要低一些，只有200℃左右，并且可在70℃往下的平板上成形。然而其玻璃轉(zhuǎn)化溫度更低，在熔化后的延展性較好，也不會產(chǎn)生刺激性氣味，可以獲取相對較大的零件。但與ABS材料相比，該材料也有一定的局性，主要是在在沖擊強度和力學(xué)性能的差距。所以業(yè)界的相關(guān)研究人員通過改性方案來解決這一缺陷，例如，一些研究使用了改性聚乳酸材料，使PLA材料的尺寸更加穩(wěn)定，抗沖擊性和斷裂強度明顯提高[1]。

本次實驗材料是PLA材料。

2.2 模型打印

圖3所示為熱塑擠壓3D打印原理示意圖。打印材料首先通過相應(yīng)的通道被送到加熱后的噴頭內(nèi)加熱融化，然后噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將融化后的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。

通過對UG軟件所繪制的三維模型圖進行格式的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為STL文件的格式，導(dǎo)入到打印的軟件當(dāng)中進行打印。圖4是最終的打印實物圖。

3 對打印產(chǎn)品進行相關(guān)檢測

3.1 尺寸測量檢測

齒輪模型打印完成后，通過使用游標卡尺進行打印產(chǎn)品幾何尺寸的測量，測量內(nèi)容包括：齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒寬、齒輪鍵槽度寬、齒輪鍵槽深度、齒輪內(nèi)孔直徑等。通過對檢測結(jié)果與設(shè)計值進行比較，得到打印產(chǎn)品的相關(guān)精度。測量結(jié)果如表1和表1續(xù)表所示。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，并于齒輪設(shè)計時的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的對比，其尺寸誤差在0.2mm-0.3mm，3D打印的精度與傳統(tǒng)切削所得的齒輪精度有一定的差距。

3.2 強度檢測

本次實驗對打印產(chǎn)品進行了拉伸和壓縮的簡單實驗。每組實驗進行了兩次檢測。

關(guān)于拉伸實驗，對齒輪進行了徑向的拉伸。第一次檢測測得最大力為2.3861kN，其抗拉強度為2.7MPa，規(guī)定塑性延伸力與強度分別是1.419031kN和1.6MPa;第二次檢測測得的最大力為2.7158kN，其抗拉強度為3.1MPa，規(guī)定塑性延伸力與強度分別為1.547089kN和1.7MPa。

關(guān)于壓縮實驗，同樣進行了兩次的檢測。第一次檢測測得最大力為81.8950kN，其抗拉強度為17.1MPa，規(guī)定塑性延伸力與強度分別是73.460340kN和15.3MPa;第二次檢測測得的最大力為79.9472kN，其抗拉強度為17.3MPa，規(guī)定塑性延伸力與強度分別為66.425022kN和14.4MPa。

圖4是相關(guān)檢測的曲線。上面兩條曲線為壓縮測試曲線，下面兩條測試曲線為拉伸測試曲線。

3.3 硬度檢測

實驗選取硬度測試的方法為邵氏硬度測試。測量的儀器如圖5所示。

本次實驗進行了三次邵氏硬度的測量，測量結(jié)果分別為98.2HSA、99.2HSA、99.8HSA。

通過查找機械設(shè)計第八版[3]，對于灰鑄鐵材質(zhì)的齒輪，其抗拉強度在300MPa左右，硬度在260HBS左右，通過布氏硬度與洛氏硬度的換算關(guān)系式進行換算，換算關(guān)系式為HRC=0.174HB-18.93，換算之后為27HRC左右[4];對于合金結(jié)構(gòu)鋼，例如變速器齒輪，齒輪材料為20CrMnTi，其抗拉強度在1000MPa左右，硬度在60HRC左右。通過邵氏硬度近似的換算D=A-50，得到測量結(jié)果約為49HSD，通過GB/T 17394.4-2014金屬材料里氏硬度試驗第4部分：硬度值換算表可以看出此次打印產(chǎn)品的硬度能夠達到36HRC以上，通過對比，打印產(chǎn)品在硬度方面可以達到灰鑄鐵齒輪的水平，但是其抗拉強度太低，不能達到傳統(tǒng)齒輪的水平。

4 結(jié)語

通過對3D打印產(chǎn)品進行尺寸測量檢測、強度檢測、硬度檢測，可以得出3D打印產(chǎn)品在精度方面能適合低精度需求，但相對于傳統(tǒng)方法制造的金屬齒輪而言，其硬度可以基本一致，但其抗拉強太低。對于3D打印的齒輪可應(yīng)用于一些低強度的工作條件下。雖然實驗數(shù)據(jù)檢測有一定的局限性，但對于金屬材料或者其他材料的打印檢測具有參考意義。

校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（CX1901026）

參考文獻：

[1]王超，袁媛，任蕊，曹晨茜.高分子3D打印材料和打印工藝探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019，10：55.

[2]朱小明，韓偉，牛吉梅，潘健怡.齒輪系列零件由建模到3D打印的任務(wù)導(dǎo)向教學(xué)模式探索[J].實驗室研究與探索，2019，38（8）：232-235.

[3]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計第八版[M].北京：高等教育出版社.2006：190-191.

[4]張守魁，王丹虹.布氏硬度與洛氏硬度的換算關(guān)系式[J].物理檢驗.物理分冊，1992，05：7.