FDM工藝參數對齒輪制件精度影響的試驗研究

李濤 李夢君 陳麗芳 徐攀

摘 要：本文針對FDM方法成型齒輪工藝過程進行了正交試驗，著重研究了主要成型工藝參數對齒廓總偏差、單個齒距偏差和齒距累計總偏差的影響，以期對FDM技術應用于齒輪快速成型提供一定的參考。

關鍵詞：熔融沉積成型；齒輪成型；精度

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0033-02

Experimental Study of Parameters Affecting Gear Accuracy in FDM

LI Tao LI Mengjun CHEN Lifang XU Pan

（School of Mechanical Engineering， Hubei Engineer University，Xiaogan Hubei 432000）

Abstract： In this paper， the orthogonal experiment was carried out for the process of forming gears by FDM method， and the influence of the main molding parameters on the total deviation of the tooth profile， the deviation of single pitch and the cumulative total deviation of tooth pitch was emphatically studied， so as to provide a reference for the application of FDM technology in the rapid prototyping.

Keywords： FDM；gear forming；gear accuracy

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術采用熱塑性工程塑料（如PLA、ABS、尼龍等）來快速制造各種工業產品及其零部件，發展極為迅速，應用領域越來越廣泛。但由于成型設備精度、材料性能、工藝參數等多種因素的影響，該方法仍然存在尺寸精度、形位精度和表面質量較低的問題[1]。齒輪作為重要傳動件，其精度影響著整臺機器設備的工作準確性、平穩性和載荷分布均勻性。因此，采用FDM方法成型的齒輪的質量對其使用性能至關重要。

1 FDM工藝原理

FDM熔融層積成型的基本原理是材料“自下而上”的疊層制造[2]，即成型設備根據模型層截面信息有選擇性地涂覆熱融材料，逐層堆積，直到完成整個三維模型。FDM工藝的一般流程如圖1所示。

2 齒輪FDM工藝成型試驗

2.1 試驗設備與材料

FDM快成型試驗設備選用江蘇威寶仕生產的Wiiboox One桌面級快速成型機，其為單噴頭結構，成型尺寸范圍為200mm×150mm×150mm（XYZ），打印精度0.1mm，材料采用直徑1.75mm的PLA絲材，成型層厚0.1～0.5mm，成型速度20～150mm/s，噴頭加熱溫度20～280℃。

2.2 試驗方法與方案

FDM工藝涉及CAD建模、數控、材料、成型工藝參數等許多方面，因而成型制件精度的影響因素也極為復雜，但可調控且影響顯著的還是少數幾個工藝參數[3]。本文綜合齒輪成型工藝和大量的FDM成型實踐經驗，著重選取成型層厚、成型速度、噴頭加熱溫度，運用正交試驗方法，分別賦予這3個成型工藝參數4個水平，具體分析它們對齒輪成型精度的影響。根據選用成型設備參數和實際經驗，確定出這3個參數4水平的L9（43）正交試驗方案，見表1。

2.3 齒輪成型制件實例

根據表1所列，試驗方案設置16組不同的工藝參數組合，最終成型的16件齒輪實例如圖2所示。

3 試驗結果及分析

一般來說，齒廓總偏差、單個齒距偏差和齒距累計總偏差是進行齒輪精度檢測時必須強制檢測的重要偏差項目[4]。因此，本文選擇這3個偏差項目來進行試驗研究分析，檢測結果見表2。

采用正交試驗的極差法分析表2數據，分別計算各因素不同水平下齒廓總偏差、單個齒距偏差和齒距累計總偏差的極差，結果見表3—5。

由極差法分析表3—5的數據，在本文試驗條件下，噴頭加熱溫度和成型層厚對齒廓總偏差、單個齒距偏差和齒距累計總偏差的影響相對較顯著，所以在采用FDM工藝成型齒輪時，需重點考慮。同時查《圓柱齒輪 精度制 第1部分：輪齒同側齒面偏差的定義和允許值標準》（GB/T 10095.1—2008 ）可知，齒廓總偏差、單個齒距偏差和齒距累計總偏差的允許值分別為54、36、110μm。與本文試驗數據進行對比，發現齒距累計總偏差符合要求，而齒廓總偏差和單個齒距偏差大于允許值，這表明FDM工藝的齒輪制件質量除與本文所考察的成型過程中的幾個主要工藝參數有關外，還與前處理時的模型精度等因素有關。

4 結語

試驗表明，FDM方法成型齒輪的原理簡單，成型相對容易，但齒廓總偏差和單個齒距偏差偏大，受噴頭加熱溫度和成型層厚影響較顯著。因此，將FDM齒輪成型工藝用于工業中，必須綜合考慮工藝參數、提高處理精度。

參考文獻：

[1]李星云，李眾立，李理.熔融沉積成型工藝的精度分析與研究[J].制造技術與機床，2014（9）：152-156.

[2]汪程，王宏松.FDM成形精度分析及實驗研究[J].熱加工工藝，2012（9）：217-219.

[3]鄔宗鵬.FDM工藝參數對成型制品尺寸精度影響的研究[J].赤峰學院學報，2015（1）：55-57.

[4]彭浩坤.漸開線圓柱齒輪偏差計算及精度等級評估[D].蘇州：蘇州大學，2011.