CN115415544A

CN115415544A - 一种基于3d打印的高性能轻量型齿轮及其制造方法

Info

Publication number: CN115415544A
Application number: CN202211098423.2A
Authority: CN
Inventors: 徐淑波; 马锡全; 高瑞兰; 薛现猛; 景鹏飞; 胡馨支; 李宁; 郑伟; 韩娟娟; 李婷婷
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及制造方法，本发明的特点是将一定材料配比的铜基合金粉末，通过3D打印机打印成形，成形后的齿轮具有多个通孔，可显著降低齿轮的整体质量使齿轮轻量化，3D打印是增材制造技术的一种，可以大幅提高材料利用率，显著降低生产成本；然后对齿轮的啮合接触的齿面部分进行激光熔覆，熔覆后的齿轮齿面可获得具有较高硬度、耐磨性及耐高温性的熔覆层；最后通过超声滚压技术对获得熔覆层齿面进行加工，细化表层晶粒，降低表面粗糙度，进一步提高齿面的耐磨性和耐蚀性，从而获得高性能轻量化的齿轮。

Description

一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及3D打印齿轮技术领域，具体为一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及制造方法。

背景技术

3D打印技术为增材制造技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，目前已经应用于诸多领域。用于齿轮生产加工，在实现齿轮快速成形的同时，可保证其具有较高的精度。

现如今齿轮技术已经非常成熟。各种各样的齿轮已经应用于各种工程机械及设备中，成为工业中不可或缺的机械零部件。齿轮大多为实心结构，质量较大，若较多的大重量齿轮应用于机械中将对其造成不必要的负担，影响其工作效率。

目前，齿轮的主流加工方法主要以铣削加工为主，可以保证加工出的齿轮具有很高的精度，但材料利用率低，工艺复杂；其次为精密模锻，但其成形需要非常精密的齿轮模具，且一种模具只能加工成形一种齿轮，模具造价高，成形速度慢。

随着工业的高速发展，现有齿轮的性能及寿命已经开始满足不了人们的使用需求，而齿轮的失效及损坏也逐步增多，间接增加了产品的成本。齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形五种，可见齿轮表面的性能对于齿轮的使用寿命起着十分重要的作用。

发明内容

本发明的目的是：针对现有的齿轮因磨损、疲劳、腐蚀等而大量损坏失效的现象及齿轮重量过大、材料利用率低、成本高等问题，提供一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及制造方法。

本发明是通过如下技术方案来实现：

1. 本发明提供的一种一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮的基体材料为铜基合金粉末，其配方按质量百分比构成为：碳纳米管0.3％～0.5％，镍粉8％～10％，铝粉15％～19％，铁粉16％～21％，锆粉1％～2％，其余为铜粉，总质量百分含量为100％。该齿轮的结构中包含多个通孔，可降低齿轮整体的质量，节省材料，从而使齿轮轻量化。齿轮通过3D打印机打印成形。3D打印是增材制造技术的一种，与传统的减材制造相比，材料的利用率大幅提高，生产成本显著降低；然后对齿轮的齿的表面部分进行激光熔覆，熔覆后的齿的表面可获得具有较高硬度、耐磨性、耐高温性和耐腐蚀的熔覆层；最后通过超声滚压技术对获得熔覆层的齿表面进行加工，在表层形成纳米级晶粒，从而降低表面粗糙度，进一步提高齿轮啮合接触部分的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而获得具有高性能的齿轮，大幅提高齿轮寿命。

本发明提供了一种方法，包括如下步骤：

（1）3D打印成形：根据权利要求1中所述的铜基合金粉末，其配方按质量百分比构成为：碳纳米管0.3％～0.5％，镍粉8％～10％，铝粉15％～19％，铁粉16％～21％，锆粉1％～2％，其余为铜粉，总质量百分含量为100％，粉末粒度为25μm～45μm。步骤1）将准备好的铜基合金粉末进行筛粉、称粉，然后进行烘干；步骤2）建立齿轮的三维模型，该齿轮的结构中包含多个孔洞，并对模型进行预切片处理、切片检查；步骤3）将烘干的上述铜基合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4）通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为300～500W，扫描速率为V＝60-300mm/s，扫描间距为0 .07mm～0 .09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或 140μm，逐层打印各模型切片，从而得到初始齿轮。

（2）激光熔覆处理：步骤1）将齿轮的啮合接触的齿面部分用细砂纸打磨去除表面氧化层，再用无水乙醇清洗、凉干；步骤2）将熔覆粉末在研钵中充分混合后和基材一起放入120℃电热炉中烘干2h，最后将混合好的熔覆粉末均匀地涂覆在基材表面上，涂层厚度控制在1.1mm～1.2mm；步骤3）采用工业级半导体激光器作为熔覆热源，氩气作为保护气体，进行单道搭接熔覆，激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为12g/min～ 13g/min。步骤4）熔覆完成后对齿轮进行保温处理后冷却，保温处理的保温温度为150℃～180℃，保温时间为2h～3h，处理后即可获得具有耐磨、耐高温熔覆层的齿轮。

（3）超声滚压表面处理：步骤1）将具有耐磨、耐高温的熔覆层的齿轮置于超声滚压装置的夹具中固定好；步骤2）在保证滚压头与熔覆层接触良好情况下施加50N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度5μm，超声频率20KHz，，滚压速度 8m/min，多道滚压步距0.2mm在此工艺参数下，开启超声滚压装置熔覆层表面进行往复3次全覆盖加工。最终获得的齿面熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低的高性能轻量型齿轮。

激光熔覆所用熔覆层为增强合金粉末，其粒度为154μm～308μm，所述增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0 .9％～1 .1％，C：0 .2％～0 .3％，Cr：16 .5％～17.5％，B：1 .6％～1 .8％，Si：1 .2％～1 .6％，Mo：1 .8％～2 .2％，其余为Fe。

本发明提供了一种高性能轻量型齿轮及制造方法，获得的齿轮相比于目前使用的轴承其优点在于：

1.首先是配方上的创新：在铜基合金粉末中加入了碳纳米管、铝粉和锆粉等，其中，碳纳米管具有优异的性能，将微量碳纳米管加入合金中，即可使合金表现出较高的强度和较高的热导率；锆具有高熔点和良好的耐腐蚀性能，加入微量锆元素可使合金整体具有良好的耐高温性和耐腐蚀性；铝的质量小，可以降低合金的整体质量，同时对合金的整体性能影响较小。

2. 其次是制备工艺上的创新：通过3D打印将齿轮打印成形，相比于减材制造，3D打印技术作为增材制造技术的一种具有更高的材料利用率，大幅降低材料成本；通过激光熔覆技术对齿轮啮合接触的齿面部分进行加工处理，熔覆后的齿面可获得具有较高硬度、耐磨性、耐高温性和耐腐蚀的熔覆层；通过超声滚压技术对获得熔覆层的齿面进一步加工，在表层形成极小的晶粒，降低表面粗糙度，进一步提高齿轮齿面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而获得具有高性能的齿轮，同时齿轮的寿命得到大幅提高。

本发明提供的制备方法属于增材制造领域，加工效率高，可以实现齿轮的快速高精度成形，相比于减材加工如铣削加工等，减少了材料的浪费，提高了材料利用率，从而降低材料成本。

附图说明

下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。

图1为直齿圆柱齿轮结构示意图；

上述图中的标记为：

图1为本发明齿轮的1.熔覆层，2.通孔

具体实施方式：

实施例一：本发明中的高性能齿轮所用材料为铜基合金粉末，其配方按质量百分比构成为：碳纳米管0.3％～0.5％，镍粉8％～10％，铝粉15％～19％，铁粉16％～21％，锆粉1％～2％，其余为铜粉，总质量百分含量为100％，粉末粒度为25μm～45μm。将准备好的铜基合金粉末进行筛粉、称粉，然后采用真空炉或者气氛保护炉，将粉末烘干，温度和时间随天气、粉末粒度而定，一般是80-200℃，1-6小时；建立齿轮的三维模型，齿轮的结构中包含多个通孔2，并对模型进行预切片处理、切片检查；将烘干的上述铜基合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4）通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为300～500W，扫描速率为V＝60-300mm/s，扫描间距为0 .07mm～0 .09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或 140μm，逐层打印各模型切片，从而得到初始齿轮。将齿轮啮合接触的齿面部分用细砂纸打磨去除表面氧化层，再用无水乙醇清洗、凉干；激光熔覆所用熔覆层为增强合金粉末，其粒度为154μm～308μm，所述增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0 .9％～1 .1％，C：0 .2％～0 .3％，Cr：16 .5％～17 .5％，B：1 .6％～1 .8％，Si：1 .2％～1 .6％，Mo：1 .8％～2 .2％，其余为Fe，将熔覆粉末在研钵中充分混合后和基材一起放入120℃电热炉中烘干2h，最后将混合好的熔覆粉末均匀地涂覆在基材表面上，涂层厚度控制在1.1mm～1.2mm；采用工业级半导体激光器作为熔覆热源，氩气作为保护气体，进行单道搭接熔覆，激光熔覆工艺参数为：光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为130mm/min，同步送粉装置的送粉量为12g/min～13g/min。熔覆完成后对齿轮进行保温处理后冷却，保温处理的保温温度为150℃～180℃，保温时间为2h～3h，处理后即可获得具有耐磨、耐高温熔覆层2的齿轮。将具有耐磨、耐高温的熔覆层的浮环轴承置于超声滚压装置的夹具中固定好；在保证滚压头与熔覆层2接触良好情况下施加50N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度5μm，超声频率20KHz，，滚压速度 8m/min，多道滚压步距0.2mm在此工艺参数下，开启超声滚压装置熔覆层表面进行往复3次全覆盖加工。最终获得熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低，从而获得高性能轻量化的齿轮。

上述实施例中，以直齿圆柱齿轮为例。

本发明并不局限于上述所列举的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及制造方法，其特征是：将一定材料配比的铜基合金粉末，通过3D打印机打印成形，3D打印是增材制造技术的一种，与传统的减材制造相比，材料的利用率大幅提高，生产成本显著降低；然后对齿轮啮合接触的齿面部分进行激光熔覆，熔覆后的齿面可获得具有较高硬度、耐磨性、耐高温性和耐腐蚀的熔覆层；最后通过超声滚压技术对获得熔覆层齿面进行加工，细化表层晶粒，降低表面粗糙度，进一步提高齿轮齿面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而获得高性能的吃轮，齿轮的寿命；

（a）3D打印成形：根据权利要求1中所述的铜基合金粉末，其配方按质量百分比构成为：碳纳米管0.3％～0.5％，镍粉8％～10％，铝粉15％～19％，铁粉16％～21％，锆粉1％～2％，其余为铜粉，总质量百分含量为100％，粉末粒度为25μm～45μm；步骤1）将准备好的铜基合金粉末进行筛粉、称粉，然后进行烘干；步骤2）建立齿轮的三维模型，该齿轮的结构中包含多个通孔，并对模型进行预切片处理、切片检查；步骤3）将烘干的上述铜基合金粉末倒入粉缸，SLM成形机准备并对基板进行预处理，安装基板和刮刀，预置铺粉；步骤4）通过振镜扫描系统控制激光头动作，所述激光头的功率为300～500W，扫描速率为V＝60-300mm/s，扫描间距为0 .07mm～0 .09mm，铺粉厚度d＝20μm，激光光斑直径D＝120或 140μm，逐层打印各模型切片，从而得到初始齿轮；

（b）激光熔覆处理：步骤1）将齿轮的啮合接触的齿面部分用细砂纸打磨去除表面氧化层，再用无水乙醇清洗、凉干；步骤2）将熔覆粉末在研钵中充分混合后和基材一起放入120℃电热炉中烘干2h，最后将混合好的熔覆粉末均匀地涂覆在基材表面上，涂层厚度控制在1.1mm～1.2mm；步骤3）采用工业级半导体激光器作为熔覆热源，氩气作为保护气体，进行单道搭接熔覆，激光熔覆工艺参数为：所述光纤激光器的激光功率为1.5kW，扫描速度为130mm/min，所述同步送粉装置的送粉量为12g/min～ 13g/min；步骤4）熔覆完成后对齿轮进行保温处理后冷却，保温处理的保温温度为150℃～180℃，保温时间为2h～3h，处理后即可获得具有耐磨、耐高温熔覆层的齿轮；

（c）超声滚压表面处理：步骤1）将具有耐磨、耐高温的熔覆层的齿轮置于超声滚压装置的夹具中固定好；步骤2）在保证滚压头与熔覆层接触良好情况下施加50N静压力，设定超声滚压工艺参数为：振动幅度5μm，超声频率20KHz，，滚压速度 8m/min，多道滚压步距0.2mm在此工艺参数下，开启超声滚压装置熔覆层表面进行往复3次全覆盖加工；最终获得的齿面熔覆层表层晶粒更加细化，残余压应力分布更加均匀和表面粗糙度值更低的高性能轻量型齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮及制造方法，其特征是：本发明提供的一种超耐磨耐高温的浮环轴承所用的铜基合金粉末材料配方中，碳纳米管0.3％～0.5％，镍粉6％～8％，锆粉2％～4％，铬粉0.1％~0.2％，其余为铜粉，总质量百分含量为100％；其中，碳纳米管具有优异的性能，将微量碳纳米管加入合金粉末中，即可使合金表现出较高的强度和较高的热导率；锆元素具有高熔点和良好的耐腐蚀性，加入锆元素可使合金整体具有良好的耐高温性和耐腐蚀性。

3.根据权利要求1中所述的激光熔覆所用熔覆层为增强合金粉末，其粒度为154μm～308μm，所述增强合金粉末的合金质量百分比成分为：CeO2：0 .9％～1 .1％，C：0 .2％～0.3％，Cr：16 .5％～17 .5％，B：1 .6％～1 .8％，Si：1 .2％～1 .6％，Mo：1 .8％～2.2％，其余为Fe。

4.根据权利要求1中所述的一种基于3D打印的高性能轻量型齿轮的结构中包括多个通孔，可节省材料，有效降低齿轮的整体质量，从而使齿轮轻量化。