浙江大学3D创客中心 Make It Possible

齿轮泵的逆向设计与3D打印

 by  工程训练甲  第七组 杨鹏飞,于瑞

 

    齿轮泵:齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间,当齿轮转动时,齿轮脱开侧的空间的体积从小变大,形成真空,将液体吸入,齿轮啮合侧的空间的体积从大变小,而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出口处阻力的大小。
    组成:主动齿轮,从动齿轮,传动轴,从动轴,泵体(前后盖)

 

    项目要求对一个工业生产的齿轮油泵进行3d建模,进而对其箱体进行进一步设计得到更好的性能的齿轮油泵。因此需要对原始的箱体进行测绘,得到相应的3d模型,进行装配对装配时出现的问题进行进一步改进,调整零件的形状和尺寸,重新打印得到合适的模型。
    逆向工程,不同于传统的生产流程:图纸——模型——实体而是通过实体得到模型的过程,因此在这个过程中,建立合适的模型十分重要。因此在进行逆向过程中,测绘建模是很重要的环节,工业上常采用扫描建模的方法,但是这种方法中模型的准确度和扫描仪的精度有很大的关系。由于学校的扫描仪精度并不高,对于精密的零件,扫描的误差很大,因此在测量时采用手工测绘更好。

 

    总体方案
(1)使用游标卡尺,螺旋测微器测量泵体,前后泵盖三个部件的几何尺寸信息,各螺栓孔位置,直径,轴孔位置,直径。
(2)使用solidwork建立相应泵体部件的3D模型。并将3D模型导入打印软件UP,进行泵体部件的3D打印。
(3)使用3D打印得到的壳体部件代替原先泵体,装入原配金属齿轮检查是否配合。
(4)测量两个等大小齿轮的分度圆径,齿数,使用SolidWorks中自带数据库生成相应的标准件齿轮。导入UP软件进行3D打印。
(5)测量两齿轮轴键的位置,齿轮卡槽的位置,轴径,长度等参数,使用SolidWorks绘制两齿轮轴的3D模型,并进行3D打印。
(6)使用打印的齿轮,齿轮轴替代原先金属齿轮,与打印的泵体组装检查是否可以正常工作,如不能检查配合问题进行改进。
(7)如有可能,尝试使用3D打印制作标准件螺栓以及螺母替代原先金属部件。


    本次工程中,我所在小组的分工是3人分别对工件3个部分进行测量建模打印整个工作。我主要负责的是中间泵体以及齿轮,齿轮轴的尺寸测量,建模和打印,相应模型数据如图。


    泵体中空部分为两个中心距为30,半径17.5的相交圆孔,中间两三角形孔端点距离49.5,关于泵体中心Y轴对称,角度为45°关于泵体中心X轴对称。6个通孔位置分别在Y轴以及与Y轴成60°角的四条轴线上,成距中空部分两圆心25的阵列排布,通孔直径为7,略大于所使用的M6螺栓。
泵体内两齿轮测量结果:齿数15,分度圆直径30.25,考虑测量误差取模数为2,齿数为15的标准渐开线齿轮,中间开直径为12的轴孔,轴孔一侧开高度约为宽度为5的方形键槽,以上数据可以通过SolidWorks中自带的toolbox插件生成相应的ISO标准渐开线齿轮,比较方便。
    短轴长度39,半径为6,该轴的一半长度处,在中心开一个半径为2.5,高度为7的键以与齿轮上宽度为5的方形键槽配合。
    长轴半径为6,长度为79,以一端面为Y轴原点,在y=15,y=21处分别切入两个深度为1的环形槽,两槽中点即y=18处y轴上拉伸出一个半径为2.5,长度为7的键与齿轮上方形键槽配合,同时轴一端开一个与原轴大小相等的直槽口,这一口在之后装配中没有重要作用,这里不过多阐述。


    实施方案
    在测量与建模完成后,将SolidWorks所绘制的3D模型另存为.stl模型文件。在3D打印机配套软件UP中打开,打印时首先进行打印机初始化上电,可以通过长按打印机上初始化按键或通过软件中“三维打印-初始化”进行初始化上电。
    初始化后,通过“三维打印-维护”打开维护界面,将平台抬高至133mm高度左右,此时与喷头距离约为1-2mm,将喷头分别移动至左前、左后、右前、右后五个位置观察喷头与平台距离是否一致以此判断平台是否水平。可通过三颗平衡螺丝维持平台水平,螺丝拧松平台该位置上升,拧紧平台该位置下降。
调平将平台上升至机器上标注的喷头高度下约0.5mm处,将一张A4纸对折插入喷头与平台之间,每次0.1mm逐步上升平台,感受到对纸有些许挤压感后,将此高度设为喷头高度。
    设置好平台相关参数后,对导入的3D模型进行一定位置调节,因为需要固定尺寸所以不进行缩放,之后使用自动布局进行布局,因为打印时间比较紧,在泵体打印中填充选择“壳”,层片高度选择较高的0.35MM,打印质量选择fast以此节约时间。而打印与轴时,由于工件大小比较小,同时精度要求比较高,因此层片高度选择了0.2mm,填充选择最疏填充以加强工件强度。
    自动打印后,取下打印盘,用铲子将工件从盘上取下,使用尖嘴钳或者镊子去除软件自动生成的支架,取出工件,再将托盘清理干净放回打印机上。工件进行配合测试,由于ABS材料延展性弹性较差,如果略有过盈配合,这通常是工件在打印后降温收缩导致的,此时可以使用打磨装置进行一定打磨以便配合,或者在设计图上进行修改扩大孔径,再次进行打印。

 

    结果分析
    (1)壳体装配:首先将打印出的泵体,前后泵盖与原泵体中的金属齿轮进行装配,这里最先打印完成的是我制作的泵体,泵体遇到的问题是,一开始考虑到了圆孔可能有一定的收缩,将中央的两个圆孔设计半径为17,而齿轮的标称直径为32,认为是可以配合的,但打印件最终圆孔由于是塑料材料,同时没有加入润滑,导致齿轮放入后在刚好配合的情况下受到的摩擦很大,难以转动,因为圆孔半径较大,打磨可能造成较大误差,就没有进行打磨,将圆孔半径设计为17.5后金属齿轮放入可以正常转动。
    前后泵盖打印完成后与先前打印的泵体及金属齿轮进行配合,出现的问题是固定齿轮的轴孔略小与所需孔径,主要原意是此处设计时采用了与轴直径相同的孔径φ=12,因此存在收缩的情况下齿轮轴无法装入,由于此孔径较小误差可以接受,因此对孔内壁进行了一定的打磨,使齿轮轴可以装入。打磨后装入齿轮,装入泵体泵盖,齿轮可以正常传动,表明齿轮中心距以及泵体圆孔位置没有出现设计错误。
    (2)整体替换:在壳体配合无误后,用3D打印机打印出两枚齿轮以及两根带键齿轮轴,替换原有金属齿轮装入塑料泵体,由于3D打印材料收缩的存在,塑料齿轮可以较好地转动,同时两齿轮传动没有问题,但存在的问题是这样打印的齿轮精度较差,初步打印没有办法与泵体边缘完美结合,存在一定的缝隙,这在实际应用中会导致渗漏问题,使工件没法达到预期效果,这表明3D打印齿轮要完美配合,需要对材料的相关性能进行分析,在设计时留出余量,让其收缩后刚好与泵体无缝隙贴合。

 

    问题和解决方案

    问题1:平面发生翘曲: 
    在打印过程中底层的材料会脱离打印版,造成整个零件的打印都变得弯曲
    解决办法:换一块更加粗糙的板;改变零件摆放的角度(老师指导方法);调整打印面的倾斜程度(首先调节平台下旋钮使平台降至最低 然后打印机选择设置中的平台校准;
    1. 然后在每次喷头下降到校准点时 调节对应平台角的旋钮使平台刚好与喷头接触;
    2. 照此方法将四个平台角校准一遍 然后进行第二次校准 这次不需要降低平台 只需要对喷头和平台间的距离进行微调使之完美贴合(如果刚刚好就不要调节) 然后确认 机器重启 大功告成;);换成立式打印;


    问题2:设计直径为20的孔与实际打印出来不用。
    处理方法:打印件由于材料冷却导致收缩可能导致孔径,尺寸等略小于预计尺寸,这时候可以使用打磨工具进行一定的扩孔使其成功装配。同时应该略微在3D模型设计时扩大相应孔径,在实验中感觉扩大0.5MM的孔径基本可以解决冷却引起的模型尺寸收缩问题。通过打磨,使零件孔恰好与齿轮轴进行配合,然后测量打磨后的孔,重新进行设计。实际上用ABS打印时,20.6的直径刚好与20的轴配合。


    问题3:打印过程中打印出来的零件无法与支撑底座分开:
    由于选用了PLA材料,而打印机的温度设定是ABS材料,因此造成PLA的温度过高,粘性过大,造成无法分开,此时通过改变设置,重新打印。


    问题4:打印机喷头堵住不出料
    先停止打印,选择维护界面,点击挤出。此处也可以进行撤出材料和更换新材料的设置。


    问题5:打印机初始化时,平台移动受阻,发生卡置:
    有一台打印机由于使用时间比较长,电机的履带出现了问题,此时拆开电机将履带轻轻拨开,使平台的移动顺畅即可。

 

    心得体会
    通过本次的训练,对于逆向工程有了很详细的认识。由于在机械制图课上曾经进行过齿轮油泵的测绘及3d建模,本次的训练是对上次课程的很好的延续,对于零件制作有了系统的了解。在实际打印过程中,出现了故障,通过拆装3d打印机对内部的结构和其原理有了更深的理解。通过测绘和建模提高了自己的动手和创造能力。通过多次的调整和重置提高了自己的实验能力。实验的项目比较新颖,又可以对SolidWorks进行实际应用,本次的训练收获很大,同时又可以对打印过程中的表面精确度,零件的设计大小和实际打印大小的关系,以及零件尺寸对于齿轮拟合和泵体的配合的影响进行探究,开阔了自己思维和提升了试验和探究能力。总之,此次的训练收获很大。

 

留言列表
发表留言
◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。