从铸件到3D打印盘点机器之心——齿轮的12中加工方法

  如果你是一个机械爱好者，那么你一定对齿轮这种神奇的机械元件充满了好奇和敬畏。它们就像机械之心一样，在不同的轴之间传递着动力和运动，让各种机器能战场工作。但你知道吗？制造一颗完美的齿轮并不是一件容易的事情，它需要经过多种工艺和技术的配合和优化，才可以做到理想的效果。

  齿轮就是一种带有均匀分布在周围的凸起部分的圆盘状物体。当两个或多个齿轮的齿相互啮合时，就可以在不同的轴之间传递转矩和运动。齿轮的齿形有多种形式，其中以渐开线齿形最常见。渐开线齿形是指齿形的曲线是由一个圆周上的一点沿着圆周的法线方向展开而成的。这种齿形拥有非常良好的啮合性能，能够保证两个齿轮的传动比恒定不变。

  通过各种铸造工艺生产齿轮毛坯甚至齿轮以及需要大量或很少机加工或精加工的齿。

  大型铸铁齿轮的毛坯，若需要制作一个或几件，则采用砂型铸造生产。然后将坯料准备成适当的尺寸，并通过机加工铸造预制件来生产齿。这种铸件也可以直接生产带齿的完整齿轮，并在对齿轮精度和光洁度要求不高的农业机械和手动设备等机械中低速使用。

  精度和光洁度有限的中型钢齿轮通常由金属模具铸造成单件或几件。这种未完成的齿轮用于多个农业工业。对于一般和精密使用，铸造预制件经过适当加工。

  大批量或大批量生产Al、Zn、Cu、Mg等低熔点合金的小齿轮主要是通过压铸来完成的。这种相当精确的齿轮直接或稍加精加工后用于轻载和中等速度下，例如在仪器、照相机、玩具中。

  这种近净形方法用来生产具有高精度和几乎不要进一步精加工的表面光洁度的特别的材料的中小型齿轮。这些相对昂贵的齿轮通常在重载和应力下使用。

  小齿轮的批量生产也常常采取这种工艺。该工艺提供的质量介于砂型铸造和熔模铸造之间。

  由铸铁、磷青铜甚至钢制成的实心毛坯或蜗轮的外缘（无齿）优选通过离心铸造来预成型。对预成型件来加工以形成适当尺寸的齿轮毛坯。然后通过机械加工出齿。

  中小直径和模数的圆盘或杆式外钢齿轮的直齿和斜齿采用平模或圆模冷轧加工而成。与切削不同，这种滚动赋予由材料流动形成的齿的高精度和表面完整性。尽管初始机械成本相比来说较高，但合理地使用齿轮轧制以获得高生产率和高质量。较大尺寸的齿轮通过热轧形成，然后通过机械加工完成。

  小尺寸高质量的外部或内部正齿轮、锥齿轮或螺旋齿轮也通过粉末冶金工艺生产。大型齿轮在压块和烧结后滚压，以提高强度和寿命。粉末冶金生产的齿轮几乎不需要任何进一步的精加工工作。

  对精度和光洁度要求较低的小而薄的金属齿轮的批量生产通常是通过适当设计的模具和冲头从板材下料来完成的。此类齿轮用于钟表、手表、仪表、玩具等。但也可通过冲裁后的轻微精加工（剃须）生产出优质齿轮。

  带或不带金属芯的中小型塑料齿轮通过注塑成型大量制造。这种中等精度和噪音较小的齿轮，包括外部和内部类型，用于设备、玩具、仪表等轻负载下。

  高质量的小型金属或非金属外齿轮通常通过挤压大量生产。所需宽度的齿轮数量是通过从齿轮的挤压杆上分离获得的 - 截面。

  几何形状精确但加工程度适中的直齿金属直齿轮，无论是外部类型还是内部类型，都能够最终靠线型放电加工 (EDM) 生产。

  增材制造也称为3D 打印，从 CAD 3D 模型逐层构建三维对象。由于工艺的性质，增材机能形成具有晶格结构的复杂设计。可以对这些结构可以进行建模，以实现通过传统方法不易获得的轻量化。这种类型的几何形状通常是使用 3D 拓扑优化和计算机设计软件创建的。

  首先，3D打印齿轮是可行的，有时甚至是更好的选择!虽然一开始3D打印的齿轮不起眼，但如今已经适用很多领域。

  传统和非圆形齿轮都能够最终靠增材制造工艺制造，高质量的 3D 打印机价格相对便宜且广泛使用。由于这种可用性，它已成为维修和机械项目的选择，例如益智玩具或别的需要全功能齿轮的小工具。您还可以包含其他特征，甚至将几何图形与齿轮形状相结合，以将自定义轴、键或凹槽添加到同一实体中。

  2018年10月，奥地利电动汽车充电系统开发商Easelink正在与国际先进的聚合物供应商igus合作。Easelink需要一种廉价而有效的方法来测试矩阵充电系统中使用的各种齿轮。 Igus为Easelink提供3D打印专业相关知识，3D打印各种齿轮，以测试可靠性和耐用性。Easelink的开发团队使用igus的配置器测试了连接器原型的各种齿轮。

  使用iglidur I6-PL制造的3D打印齿轮在一百万次循环后没有显示出明显的磨损迹象。相比之下，由聚甲醛（POM）制成的铣齿轮在321,000次循环后磨损，并在621,000次循环后完全破坏。

  2019年4月初，金属材料制造商贺利氏（Heraeus ）发布了他们通过SLM （选区激光熔化）3D打印技术制造的非晶态金属齿轮。贺利氏表示这是迄今为止全球最大的非晶态金属部件，他们正在突破非晶态金属的制造界限，为制造业开辟非晶态金属的全新设计可能性。

  贺利氏开发的3D打印非晶态金属齿轮采用拓扑优化结构，与传统制造工艺相比，齿轮重量能够减轻50％。贺利氏通过SLM 3D打印技术，在非晶态金属齿轮的尺寸和设计复杂性方面重新定义了传统技术的限制，改变了这类材料的设计可能性。

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