汽车齿轮3D打印建模与实验研究

韩晨浩 马芳 郭伟斌 郭弋诚 韩世炜 吕妍霖

摘 要：3D打印，在当今的民用领域和工业领域已经有了相当广泛的应用与实例。但是3D打印的模具性能与传统材料的模具性能却存在着一些质疑，通过本实验对齿轮进行建模，模型的材料选则确定为PLA材料，然后对模型进行打印，并且最终对打印产品进行相应的实验数据分析，得出3D打印的PLA材料产品的相关性能，对于产品的分析有着良好的价值。

关键词：3D打印;检测;强度;硬度

3D打印，是一种集计算机辅助设计、材料加工与成型技术与一体的技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控机床系统将特种金属材料、非金属材料和医用材料按照挤压、烧结、熔化、光固化、喷涂等方式逐层堆叠，制造物品的制造技术。相对于传统的模型加工方式：對原材料去除-切削、组装，3D打印制造的产品是不同的，它是一种“自下而上”的制造方法，通过对材料的累加进行产品制造，使产品从无到有。这使得过去某些结构复杂的产品因为受到传统制造方式的约束，而无法实现制造在现在变为了可能。3D打印在在当今的民用领域与工业领域已经有了相当广泛的应用与实例。但是3D打印的模具性能与于传统材料的模具性能却存在着一些质疑，通过本实验对齿轮进行建模，模型的材料选择确定为PLA材料，然后对模型进行打印，最终对打印产品进行相应的实验数据分析，得出3D打印的PLA材料产品的相关性能，对于产品的分析有着良好的价值。

1 圆柱齿轮的设计

利用UG软件设计圆柱直齿轮，对于齿轮的参数包括了模数为4mm，齿宽为20mm，齿数为20，齿轮中心孔直径为20mm，齿轮键槽宽为10mm，齿顶圆直径为88mm，齿根圆直径为70mm，压力角为20°，模型的结构如图1所示，模型的三维造型如图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经成为当前材料在开发过程中非常容易成熟的类型。材料内容包括工程塑料、生物塑料等，以及合理的机械强度与热稳定性，在一些大型的工业领域和民用领域都得到了有效利用。但材料仍然有一定的缺陷，如果温度场不均匀，在产品打印的过程中会出现开裂，并产生刺激性气味。因此，在改进技术条件时，目前通常在ABS材料之内加入填料或进行改性，获取不同类型的3D打印耗材。

（2）主要材料：PLA材料，打印温度与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。然而其玻璃转化温度更低，在熔化后的延展性较好，也不会产生刺激性气味，可以获取相对较大的零件。但与ABS材料相比，该材料也有一定的局性，主要是在在冲击强度和力学性能的差距。所以业界的相关研究人员通过改性方案来解决这一缺陷，例如，一些研究使用了改性聚乳酸材料，使PLA材料的尺寸更加稳定，抗冲击性和断裂强度明显提高[1]。

本次实验材料是PLA材料。

2.2 模型打印

图3所示为热塑挤压3D打印原理示意图。打印材料首先通过相应的通道被送到加热后的喷头内加热融化，然后喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将融化后的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

通过对UG软件所绘制的三维模型图进行格式的转换，将其转换为STL文件的格式，导入到打印的软件当中进行打印。图4是最终的打印实物图。

3 对打印产品进行相关检测

3.1 尺寸测量检测

齿轮模型打印完成后，通过使用游标卡尺进行打印产品几何尺寸的测量，测量内容包括：齿顶圆直径、齿根圆直径、齿宽、齿轮键槽度宽、齿轮键槽深度、齿轮内孔直径等。通过对检测结果与设计值进行比较，得到打印产品的相关精度。测量结果如表1和表1续表所示。

根据表中的数据，并于齿轮设计时的数据进行相应的对比，其尺寸误差在0.2mm-0.3mm，3D打印的精度与传统切削所得的齿轮精度有一定的差距。

3.2 强度检测

本次实验对打印产品进行了拉伸和压缩的简单实验。每组实验进行了两次检测。

关于拉伸实验，对齿轮进行了径向的拉伸。第一次检测测得最大力为2.3861kN，其抗拉强度为2.7MPa，规定塑性延伸力与强度分别是1.419031kN和1.6MPa;第二次检测测得的最大力为2.7158kN，其抗拉强度为3.1MPa，规定塑性延伸力与强度分别为1.547089kN和1.7MPa。

关于压缩实验，同样进行了两次的检测。第一次检测测得最大力为81.8950kN，其抗拉强度为17.1MPa，规定塑性延伸力与强度分别是73.460340kN和15.3MPa;第二次检测测得的最大力为79.9472kN，其抗拉强度为17.3MPa，规定塑性延伸力与强度分别为66.425022kN和14.4MPa。

图4是相关检测的曲线。上面两条曲线为压缩测试曲线，下面两条测试曲线为拉伸测试曲线。

3.3 硬度检测

实验选取硬度测试的方法为邵氏硬度测试。测量的仪器如图5所示。

本次实验进行了三次邵氏硬度的测量，测量结果分别为98.2HSA、99.2HSA、99.8HSA。

通过查找机械设计第八版[3]，对于灰铸铁材质的齿轮，其抗拉强度在300MPa左右，硬度在260HBS左右，通过布氏硬度与洛氏硬度的换算关系式进行换算，换算关系式为HRC=0.174HB-18.93，换算之后为27HRC左右[4];对于合金结构钢，例如变速器齿轮，齿轮材料为20CrMnTi，其抗拉强度在1000MPa左右，硬度在60HRC左右。通过邵氏硬度近似的换算D=A-50，得到测量结果约为49HSD，通过GB/T 17394.4-2014金属材料里氏硬度试验第4部分：硬度值换算表可以看出此次打印产品的硬度能够达到36HRC以上，通过对比，打印产品在硬度方面可以达到灰铸铁齿轮的水平，但是其抗拉强度太低，不能达到传统齿轮的水平。

4 结语

通过对3D打印产品进行尺寸测量检测、强度检测、硬度检测，可以得出3D打印产品在精度方面能适合低精度需求，但相对于传统方法制造的金属齿轮而言，其硬度可以基本一致，但其抗拉强太低。对于3D打印的齿轮可应用于一些低强度的工作条件下。虽然实验数据检测有一定的局限性，但对于金属材料或者其他材料的打印检测具有参考意义。

校级大学生创新训练项目（CX1901026）

参考文献：

[1]王超，袁媛，任蕊，曹晨茜.高分子3D打印材料和打印工艺探析[J].山东工业技术，2019，10：55.

[2]朱小明，韩伟，牛吉梅，潘健怡.齿轮系列零件由建模到3D打印的任务导向教学模式探索[J].实验室研究与探索，2019，38（8）：232-235.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计第八版[M].北京：高等教育出版社.2006：190-191.

[4]张守魁，王丹虹.布氏硬度与洛氏硬度的换算关系式[J].物理检验.物理分册，1992，05：7.