PROTOTYPING OF BEVEL GEARS OF AIRCRAFT POWER TRANSMISSION

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No PROTOTYPING OF BEVEL GEARS OF AIRCRAFT POWER TRANSMISSION Grzegorz Budzik, Tadeusz Markowski, Mariusz Sobolak Rzeszów University of Technology Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautic Department of Machine Design Al. Powsta ców Warszawy 8, Rzeszów, Poland tel.: , fax: gbudzik@prz.edu.pl, tmarkow@prz.edu.pl, msobolak@prz.edu.pl Abstract The article presents manufacturing process of bevel gears of aircraft power transmission. Rapid prototyping of gears with complex tooth forms is possible with the use of modern methods. One of such methods is the stereolithography, where a model is obtained as a result of resin curing with laser beam. This method allows creating gear model with arbitrary tooth form. Bevel gears was carried out by method of stereolitography on SLA 250 apparatus. Gear wheel prototypes were predestined for casting by method losing patterns. One of the best advantages of stereolitography model is its transparency. This advantage allow to observation instantaneous contact ellipses of gear. Instantaneous contact ellipses of gear is one of the most important parameters describe correctly work of gear. Research of instantaneous contact ellipses of gear requires special construction of model gear with thin wall. This construction allows costing reduction of prototype. Observation of instantaneous contact ellipses of gear is not possible by traditional research method. Rapid Prototyping method give good results in research process of new prototype of aircraft transmission gear. Keywords:, combustion engine, rapid prototyping systems, stereolithogaphy, bevel gears PROTOTYPOWANIE STO KOWEJ PRZEK ADNI NAP DU LOTNICZEGO Streszczenie Artyku przedstawia proces wykonania prototypu sto kowej przek adni nap du lotniczego. Szybkie wykonywanie prototypów przek adni o nietypowych zarysach z bów jest mo liwe metodami "Rapid Prototyping". Jedn z najdok adniejszych metod szybkiego prototypowania jest stereolitografia, która polega na warstwowym utwardzaniu promieniem lasera fotopolimeru. Metoda ta pozwala zbudowanie modeli kó z batych o dowolnych kszta tach. Za pomoc urz dzenia stereolitograficznego SLA-250 wykonane zosta y modele kó z batych przek adni sto kowej. Modele stereolitograficzne mog s u y do wykonania odlewów. Istotn zalet prototypów kó z batych wykonanych z fotoutwardzalnej ywicy jest ich prze roczysto. Zaleta ta pozwala na obserwacj chwilowego ladu styku kó z batych przek adni. Chwilowy lad styku jest jednym z podstawowych parametrów opisuj cych prawid ow prac przek adni. W tym celu przygotowane zosta y specjalne modele kó z batych o zmniejszonej grubo ci cianki. Taka budowa pozwoli a na bardziej precyzyjn obserwacj ladu styku oraz na zmniejszenia kosztów wykonania modeli. ledzenie dynamiczne chwilowego ladu styku jest niemo liwe do wykonania tradycyjnymi metodami badawczymi. Zastosowanie metod szybkiego prototypowania daje dobre rezultaty w procesie bada nowych prototypowych przek adni z batych nap dów lotniczych. S owa kluczowe: silnik spalinowy, systemy szybkiego prototypowania, stereolitografia, przek adnia sto kowa 1. Wst p Wykonanie prototypów kó sto kowych przek adni lotniczych cz sto wymaga zastosowania drogich, specjalistycznych narz dzi. Wdro enie nowych typów przek adni, zw aszcza z ko ami 61

2 G. Budzik, T. Markowski, M. Sobolak o nietypowych zarysach wymaga tak e odpowiednich bada stanowiskowych. Proces konstruowania mo na znacznie skróci wykorzystuj c w tym celu systemy CAD oraz metody szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping RP) [1, 2, 3, 10]. Dzi ki zastosowaniu technik CAD mo liwe jest zamodelowanie geometryczne przek adni. Wst pne badania modelowe mo na przeprowadzi na ko ach wykonanych metod szybkiego prototypowania np. stereolitografi. Badania modelowe i stanowiskowe mo na wykona na prototypach wykonanych metodami Rapid Tooling RT np. przez odlewanie niskoci nieniowe (Vacuum Casting VC) [6, 7, 13]. Praca zosta a wykonana w ramach projektu rozwojowego: Opracowanie innowacyjnych przek adni z batych o nietypowym zaz bieniu. 2. Model CAD przek adni sto kowej Modelem wyj ciowym dla modelu stereolitograficznego jest bry a utworzona w systemie CAD [11, 14]. Dla walcowych kó z batych o z bach prostych model mo e by wykonany przez wyci gni cie zarysu. W przypadku kó sto kowych proces tworzenia modelu CAD jest bardzo skomplikowany i mo e by wykonany za pomoc modelowania powierzchniowego lub symulacji obróbki wirtualnym narz dziem. Na rysunku 1 przedstawione zosta y modele geometryczne CAD kó sto kowych o ko owo- ukowej linii z ba Gleason SGM. Podstawowe parametry kó : modu czo owy m et =6,35 mm, z 1 =11, z 2 =32, =35, = Model STL kó z batych Rys. 1. Model CAD przek adni sto kowej Fig. 1. Model CAD of bevel gears Gotowy model CAD eksportowany jest do formatu odpowiedniego dla systemów szybkiego prototypowania. Najcz ciej stosowany w systemach Rapid Prototyping jest format streolitografii, oznaczany cz sto skrótem STL (od rozszerzenia nazwy pliku *.stl). Format ten opisuje ka d modelowan bry za pomoc p askich trójk tnych powierzchni oraz wektorów normalnych do ka dej z nich (rys. 2). Nast pnie w modelu STL wyodr bniane s warstwice, które s u do wytworzenia modelu SLA. Model SLA utworzony jest z warstw o ustalonej grubo ci. Przyk adowo dla aparatury SLA- 250 firmy 3D Systems grubo ci warstw mog wynosi odpowiednio 0,1 lub 0,15 mm. Modele CAD oraz ich eksport zosta y wykonane w programie Mechanical Desktop. Zastosowanie tego programu pozwoli o na uzyskanie bardzo dok adnych modeli bez b dów, które mog powsta w trakcie procesu eksportu danych do formatu STL [8, 9]. 62

3 Prototyping of Bevel Gears of Aircraft Power Transmission 4. Modele SLA kó z batych Rys. 2. Model STL przek adni sto kowej Fig. 2. Model STL of bevel gears Na rysunku 3 przedstawiona zosta a fotografia kó w komorze aparatury stereolitograficznej SLA-250. Ko a wykonano z ywicy Sl-5170 przy zastosowaniu technik podwy szania dok adno ci wykonania modelu opracowanych w Katedrze Konstrukcji Maszyn Politechniki Rzeszowskiej [3]. W tym celu do modelu w formacie STL wprowadzono korekty po o enia punktów b d cych wierzcho kami pojedynczych trójk tów stereolitograficznych o warto ci wynikaj ce z rozk adu przesuni okre lonego eksperymentalnie dla danej aparatury stereolitograficznej. Po wytworzeniu prototypowych kó w aparaturze stereolitograficznej usuni to podpory technologiczne, modele oczyszczono oraz utwardzono dodatkowo w piecu UV. Dok adno otrzymanego modelu SLA wynios a ±0,025mm. Modele stereolitograficze kó z batych zosta y z o one w model lotniczej przek adni sto kowej za pomoc specjalnego przyrz du wykonanego równie technologi stereolitografii (rys. 4). Rys. 3. Modele SLA kó przek adni sto kowej w urz dzeniu SLA-250 Fig. 3. SLA gears model of bevel gears in SLA-250 apparatus 63

4 G. Budzik, T. Markowski, M. Sobolak Rys. 4. Model SAL przek adni sto kowej Fig. 4. Model SLA of bevel gears 5. Wykorzystanie modeli stereolitograficznych do bada Modele przek adni z batych wykonywane za pomoc technik szybkiego prototypowania maj szerokie zastosowanie. Stereolitografia posiada szereg zalet, które stawiaj j na czele metod RP w zastosowaniu do wytwarzania prototypów przek adni z batych. Modele SLA mog by wykorzystywane w nast puj cych procesach modelowych i badawczych: wytworzenie modelu funkcjonalnego przek adni [4], wytworzenie modelu dla techniki Rapid Tooling [12, 13], wykonanie modeli do bada chwilowego ladu styku wspó pracuj cych kó, wykonania modeli odlewniczych dla technologii odlewania precyzyjnego [4, 5], wykonania modeli do bada elastooptycznych. Przedstawiona w artykule przek adnia sto kowa wraz ze specjalnym uchwytem kó pozwala na przeprowadzenie bada chwilowego ladu styku wspó pracuj cych kó (rys. 5). Rys. 5. Widok chwilowego ladu styku przek adni Fig. 5. Contact area visible on internal side of pinion 64

5 Prototyping of Bevel Gears of Aircraft Power Transmission 5. Wnioski Zastosowanie technik szybkiego prototypowania (jak np. zastosowanej w omawianym przyk adzie stereolitografii) pozwala na znaczne przyspieszenie bada nad nowymi konstrukcjami kó i przek adni, gdy nie zachodzi potrzeba wykonywania przek adni rzeczywistej z metalu, co wi za oby si z wyd u eniem czasu projektowania i bada oraz podwy szeniem kosztów. Zastosowanie stereolitografii przy u yciu odpowiedniego tworzywa (np. przezroczysta ywica SL-5170) prowadzi do wykonania przek adni, w której mo na okre li chwilowy lad styku poprzez bezpo redni obserwacj. Okre lenie chwilowego ladu styku, a zw aszcza jego zmian przy obrocie kó o podzia k pozwala wnioskowa co do poprawno ci konstrukcji przek adni. Przy zastosowaniu metody tuszowania mo liwe jest tak e okre lenie ladu wspó pracy. Wykorzystuj c zasad podobie stwa modelowego mo liwe jest równie okre lenie zmian ladu styku w przek adni pod obci eniem zarówno w przypadku statycznym jak i dynamicznym. Zastosowanie ywicy czynnej optycznie pozwoli na zaobserwowanie rozk adu napr e w obszarze styku przek adni. Mo liwe jest tak e wykorzystanie innych technik szybkiego wytwarzania narz dzi i prototypów, jak np. odlewania pró niowego tworzyw sztucznych. W tym wypadku jako model wyj ciowy mo e pos u y gotowe ko o z bate wykonane dowoln technik przyrostow lub ubytkow. Literatura [1] 3D Lightyear SLA File Preparation Software - User's Guide 2001.H. [2] Bernard, A., Rapid product development case studies and data integration analysis, Computers in Industry 43 (2000) pp , Elsevier [3] Budzik, G., Sobolak, M., Generating Stereolitographic (STL) Files from CAD Systems, Acta Mechanica Slovaca, 2B/2006 PRO-TECH-MA, Košice [4] Budzik, G., Kozd ba, D., Sobolak M., Wykorzystanie technologii Rapid Prototyping w odlewnictwie precyzyjnym, Archiwum Odlewnictwa, Nr 18 (2/2), s , Katowice [5] Budzik G., Markowski T., Sobolak, M., Hybryd foundry patterns of bevel gears, Archives of Foundry Engineering, Vol. 7, Issue 1/2007, pp , [6] Bullinger, H.-J., Warschat, J., Fischer, D., Rapid product development an overview, Computers in Industry 42 (2000) pp , Elsevier [7] Chlebus, E. (red.), Innowacyjne technologie Rapid Prototyping Rapid Tooling w rozwoju produktu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc awskiej, Wroc aw [8] Cuilliere, J. C., An Adaptive Method for the Automatic Triangulation of 3D Parametric Surfaces, Computer-Aided Design, Vol. 30, No. 2, pp , Elsevier [9] Jaskólski,J., Sobolak, M., Budzik, G., Rapid prototyping using in models building of engine elements, Journal of KONES Internal Combustion Engines. Institute of Aeronautics, Warszawa [10] Jee, H.J., Sachs, E., A Visual Simulation Technique for 3D Printing, Advances in Engineering Software 31 (2000) , Elsevier [11] Gebhardt, A., Rapid Prototyping, Carl Hanser Verlag, Munich [12] Heneczkowski, M., Oleksy, M., Galina, H., Kompozyty ywicy epoksydowej zawieraj ce modyfikowane bentonity, Polimery Tom LI nr 11-12/2006. [13] Tari, M.J., Bals, A., Park J., Lin M.Y., Hahn H.T., Rapid prototyping of composite parts using resin transfer molding and laminated object manufacturing, Mechanical and Aerospace Engineering Department, pp , Elsevier

6 G. Budzik, T. Markowski, M. Sobolak [14] Yang, D.Y., Ahn, D.G., Lee, C.H., Park, C.H., Kim, TJ., Integration of CAD/CAM/CAE/RP for the development of metal forming process, Journal of Materials Processing Technology, pp (2002) 26-34, Elsevier