FDM工藝參數(shù)對(duì)齒輪制件精度影響的試驗(yàn)研究

李濤 李夢(mèng)君 陳麗芳 徐攀

摘 要：本文針對(duì)FDM方法成型齒輪工藝過(guò)程進(jìn)行了正交試驗(yàn)，著重研究了主要成型工藝參數(shù)對(duì)齒廓總偏差、單個(gè)齒距偏差和齒距累計(jì)總偏差的影響，以期對(duì)FDM技術(shù)應(yīng)用于齒輪快速成型提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：熔融沉積成型；齒輪成型；精度

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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，F(xiàn)DM）技術(shù)采用熱塑性工程塑料（如PLA、ABS、尼龍等）來(lái)快速制造各種工業(yè)產(chǎn)品及其零部件，發(fā)展極為迅速，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。但由于成型設(shè)備精度、材料性能、工藝參數(shù)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(zhì)量較低的問(wèn)題[1]。齒輪作為重要傳動(dòng)件，其精度影響著整臺(tái)機(jī)器設(shè)備的工作準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性和載荷分布均勻性。因此，采用FDM方法成型的齒輪的質(zhì)量對(duì)其使用性能至關(guān)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(shè)備根據(jù)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(gè)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

FDM快成型試驗(yàn)設(shè)備選用江蘇威寶仕生產(chǎn)的Wiiboox One桌面級(jí)快速成型機(jī)，其為單噴頭結(jié)構(gòu)，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(yàn)方法與方案

FDM工藝涉及CAD建模、數(shù)控、材料、成型工藝參數(shù)等許多方面，因而成型制件精度的影響因素也極為復(fù)雜，但可調(diào)控且影響顯著的還是少數(shù)幾個(gè)工藝參數(shù)[3]。本文綜合齒輪成型工藝和大量的FDM成型實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重選取成型層厚、成型速度、噴頭加熱溫度，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，分別賦予這3個(gè)成型工藝參數(shù)4個(gè)水平，具體分析它們對(duì)齒輪成型精度的影響。根據(jù)選用成型設(shè)備參數(shù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定出這3個(gè)參數(shù)4水平的L9（43）正交試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。

2.3 齒輪成型制件實(shí)例

根據(jù)表1所列，試驗(yàn)方案設(shè)置16組不同的工藝參數(shù)組合，最終成型的16件齒輪實(shí)例如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

一般來(lái)說(shuō)，齒廓總偏差、單個(gè)齒距偏差和齒距累計(jì)總偏差是進(jìn)行齒輪精度檢測(cè)時(shí)必須強(qiáng)制檢測(cè)的重要偏差項(xiàng)目[4]。因此，本文選擇這3個(gè)偏差項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

采用正交試驗(yàn)的極差法分析表2數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各因素不同水平下齒廓總偏差、單個(gè)齒距偏差和齒距累計(jì)總偏差的極差，結(jié)果見(jiàn)表3—5。

由極差法分析表3—5的數(shù)據(jù)，在本文試驗(yàn)條件下，噴頭加熱溫度和成型層厚對(duì)齒廓總偏差、單個(gè)齒距偏差和齒距累計(jì)總偏差的影響相對(duì)較顯著，所以在采用FDM工藝成型齒輪時(shí)，需重點(diǎn)考慮。同時(shí)查《圓柱齒輪 精度制 第1部分：輪齒同側(cè)齒面偏差的定義和允許值標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 10095.1—2008 ）可知，齒廓總偏差、單個(gè)齒距偏差和齒距累計(jì)總偏差的允許值分別為54、36、110μm。與本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)齒距累計(jì)總偏差符合要求，而齒廓總偏差和單個(gè)齒距偏差大于允許值，這表明FDM工藝的齒輪制件質(zhì)量除與本文所考察的成型過(guò)程中的幾個(gè)主要工藝參數(shù)有關(guān)外，還與前處理時(shí)的模型精度等因素有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明，F(xiàn)DM方法成型齒輪的原理簡(jiǎn)單，成型相對(duì)容易，但齒廓總偏差和單個(gè)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(yè)中，必須綜合考慮工藝參數(shù)、提高處理精度。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)與機(jī)床，2014（9）：152-156.

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

[3]鄔宗鵬.FDM工藝參數(shù)對(duì)成型制品尺寸精度影響的研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（1）：55-57.

[4]彭浩坤.漸開(kāi)線圓柱齒輪偏差計(jì)算及精度等級(jí)評(píng)估[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.