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，在當今的民用領域和工業領域已經有了相當廣泛的應用與實例。但是3D打印的模具性能與傳統材料的模具性能卻存在著一些質疑，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，并且最終對打印產品進行相應的實驗數據分析，得出3D打印的PLA材料產品的相關性能，對于產品的分析有著良好的價值。

關鍵詞：3D打印;檢測;強度;硬度

3D打印，是一種集計算機輔助設計、材料加工與成型技術與一體的技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控機床系統將特種金屬材料、非金屬材料和醫用材料按照擠壓、燒結、熔化、光固化、噴涂等方式逐層堆疊，制造物品的制造技術。相對于傳統的模型加工方式：對原材料去除-切削、組裝，3D打印制造的產品是不同的，它是一種“自下而上”的制造方法，通過對材料的累加進行產品制造，使產品從無到有。這使得過去某些結構復雜的產品因為受到傳統制造方式的約束，而無法實現制造在現在變為了可能。3D打印在在當今的民用領域與工業領域已經有了相當廣泛的應用與實例。但是3D打印的模具性能與于傳統材料的模具性能卻存在著一些質疑，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，最終對打印產品進行相應的實驗數據分析，得出3D打印的PLA材料產品的相關性能，對于產品的分析有著良好的價值。

1 圓柱齒輪的設計

利用UG軟件設計圓柱直齒輪，對于齒輪的參數包括了模數為4mm，齒寬為20mm，齒數為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°，模型的結構如圖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成為當前材料在開發過程中非常容易成熟的類型。材料內容包括工程塑料、生物塑料等，以及合理的機械強度與熱穩定性，在一些大型的工業領域和民用領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，在產品打印的過程中會出現開裂，并產生刺激性氣味。因此，在改進技術條件時，目前通常在ABS材料之內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。然而其玻璃轉化溫度更低，在熔化后的延展性較好，也不會產生刺激性氣味，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性能的差距。所以業界的相關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的通道被送到加熱后的噴頭內加熱融化，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。

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

3 對打印產品進行相關檢測

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品幾何尺寸的測量，測量內容包括：齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒寬、齒輪鍵槽度寬、齒輪鍵槽深度、齒輪內孔直徑等。通過對檢測結果與設計值進行比較，得到打印產品的相關精度。測量結果如表1和表1續表所示。

根據表中的數據，并于齒輪設計時的數據進行相應的對比，其尺寸誤差在0.2mm-0.3mm，3D打印的精度與傳統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，規定塑性延伸力與強度分別為1.547089kN和1.7MPa。

關于壓縮實驗，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，規定塑性延伸力與強度分別為66.425022kN和14.4MPa。

圖4是相關檢測的曲線。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，測量結果分別為98.2HSA、99.2HSA、99.8HSA。

通過查找機械設計第八版[3]，對于灰鑄鐵材質的齒輪，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系式進行換算，換算關系式為HRC=0.174HB-18.93，換算之后為27HRC左右[4];對于合金結構鋼，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品的硬度能夠達到36HRC以上，通過對比，打印產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，不能達到傳統齒輪的水平。

4 結語

通過對3D打印產品進行尺寸測量檢測、強度檢測、硬度檢測，可以得出3D打印產品在精度方面能適合低精度需求，但相對于傳統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打印的齒輪可應用于一些低強度的工作條件下。雖然實驗數據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。

校級大學生創新訓練項目（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].山東工業技術，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打印的任務導向教學模式探索[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系式[J].物理檢驗.物理分冊，1992，05：7.