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精密塑胶圆柱齿轮鼓形修型的工艺原理

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发表于 2013-9-10 10:58:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
塑胶直齿轮、斜齿轮,常纠结于噪音。4 r7 E/ m% N' _! l6 z
提高精度等级固然重要,但更为根本的,是需要用鼓形修型齿来解决。
2 p4 B$ k0 q. K7 h: v, H7 k" A先看一下一对塑胶斜齿轮鼓型齿的啮合痕迹:
# Y  `: {+ z! _3 I! D* U 0 r( ^, h0 d" T
' l% M. ?' s! O$ i
为何鼓型齿对塑胶齿轮传动之降噪是必须?9 p/ p7 p2 a9 o
1. 塑胶齿轮强度不及金属,且安装、加载后,多出现位置偏斜现象,易造成端面棱边接触啮合;+ t) f! O6 ]8 h5 d2 y6 Z' y3 X- \: F& Y
2. 由塑胶齿轮的结构、以及塑胶收缩特点所决定,齿宽中部齿厚会稍小于两端;如下图示:
; a5 Z) ]: b6 g0 t5 P
# Z: I$ l8 B7 U/ f' E3. 分模线端面,即便合模缝隙小于溢边值,0.01mm左右高度的细小披锋(毛刺),也难以避免。
5 i2 T9 C+ e0 N# F% `; f故: 塑胶齿轮噪音,多源于端面棱边啮合;首要解决方案,在于做出鼓型齿。下图示(啮合痕迹厚度夸大倒0.02.以便看清楚):
2 a" ^( s- M. W, x * {! S( K: E: x' D8 u2 m' s+ I

0 a3 d. q& M; `) I3 {) E( Z2 P

点评

非常不错的东西!楼主有心了!!!  发表于 2013-9-11 15:56

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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:01:42 | 显示全部楼层
既然说到工艺,则意味着原理可行、加工可行和成本可行三方面。& V  b" s% g+ ~9 H
1. 脱模的可行性;
; N. ?2 W- }4 l2. 易于加工出鼓型齿电极、方便电火花出型腔并保证精度;
/ |; u2 _+ l4 u: d3. 对应于一种塑胶收缩率,只需备一把滚刀,并且一次装夹滚切出初成形和鼓型齿电极,电火花也是一次装夹,分段电蚀完成。6 T% y* _3 P7 Z0 r
下面就逐次叙述。
6 k3 l# K0 O0 C$ ?3 B1 W/ ]) v9 Q! I( |

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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:03:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 目成 于 2013-9-10 22:36 编辑
$ G3 ?. p: g3 z, U! ^+ ?& p9 f2 |9 i2 [5 R' L' P( Z
塑胶鼓型齿的鼓形量及出模9 \6 q0 i8 {4 _! a1 V
8 P2 z1 e+ Y$ N$ h' z* Z
任何方案的可行性,若论证中不加数值,可信度要打95%的折扣。
3 X3 t4 _$ H$ C: |+ z- U" c' G3 T: R' V: D1 A( u+ B( |* _6 }
鼓型齿的获得方法,是通常用得最多的“圆弧进给”法,下图示:' a- g* F4 V. ^& j

' |3 E* u+ O* F" O9 t  ^" B( M1 a对于机械传动链滚齿机,一般采取靠模的方法,滚切出进给弧线。# {; {- o9 `) l8 t- e3 n; z
而CNC滚齿机,这只是一个标配的选项,只需键入半径值即可。- r- H+ T7 I( W4 B: A
推荐CNC滚齿机加工电极,加工很方便。- N2 ?" E4 a' A! [) @2 k# L

+ _9 w  v) \0 G" r以法向模数1,齿宽8的直齿轮为例,当“啮合接触厚度”为0.008(金属齿为0.0064,塑胶齿刚性差稍加放大),接触60%的齿宽,那么,当齿根进给圆弧半径Rrx=244.975时,齿廓脱模“过盈量”双边为0.022$ k! Y& O: ^% N7 w
$ X* \3 W; D# S* d3 P5 X
这是一个比较合理的数值,既满足传动的鼓型要求、给中缩以适当补偿,又使得强行脱模成为可能。
1 ~6 j' P' ^) m$ Q7 f脱模时,塑胶温度若偏高,0.022的过盈不至于引起塑性变形;塑胶温度若低下来,冷却收缩量能够抵消大部分出模“过盈量”。
4 s( ~( p/ M- e5 G4 Q5 b6 T0 A
# z+ ]. q! L# f5 R- g4 e6 S# u其实,更大的脱模问题在齿根,因为进给走弧线,两端的变位系数要小于中间。如下图示(鼓形量夸大了2.25倍):9 D) Z" _! v) B: F8 o/ z4 L

. y4 Z* ]* ?9 }: M5 t- U3 P) P* Z+ v! F9 A- T
以上面参数为例,齿根的径向双边“过盈量”达到0.0666! q* C$ s; J2 Z  ?; H& }2 v
所以必须对齿根做处理,如下图示:( ~1 E- k& Z3 _' ~

2 H7 z+ Q* E5 X6 g" J# q/ g# s5 x. V1 s
好在电火花加工的预精打工序,只要精确设计电极工艺参数,经前后电蚀加工,正好得到上图所示的结果。
5 N( b( j/ L2 O7 r4 L下图所示,是15°斜齿轮的电火花完成模腔的精确示意图片,仔细瞧,可以看到两次电蚀加工的分界:$ `; Q' [4 x: h" s8 ]

: Q# u- @" }8 X% b6 O' o( J' X: q* e# k& M

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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:04:27 | 显示全部楼层
鼓型齿型腔,必须采用电极摆动的电火花工艺,才能获得:/ b+ {1 I4 D& t
# c4 w: L. ]. ]: i$ C
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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:06:18 | 显示全部楼层
电极摆动得到的等效齿形
, {4 ~& |" S  ?$ q% {% B渐开线的等距线仍是渐开线
6 u) t* s. B% G* B齿根为过渡曲线的等距线
/ t8 n3 C) W* P2 {

) Y" R* d' A) A, e  Q
9 X. A( }: ]* w, f9 r渐开线起始点变了,精确传动计算时要考虑此点。# f# ?" W  J4 @) w, E

$ q. R* d) z7 p& h+ i; D另,电极摆动电蚀加工型腔,传动原理是:同齿数内、外圆柱齿轮的啮合。4 Q5 F1 ]& l/ l4 }- Z9 @! _
7 b4 c6 F  u, ?, @1 Z, c. N. @8 C

9 `9 T5 G- |2 h  N1 `在上图运动的基础上,令内、外齿轮按照摆动转速值,同步顺时针旋转,则得到下图:
$ d& R6 O8 V5 F9 e) U4 Q
/ M2 z$ t: G3 ]0 j
! y5 @' u( t3 _5 c图上部,可以看到齿侧和齿根的啮合线位置

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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:07:35 | 显示全部楼层
电极摆动得到的等效齿形,再加上螺旋面的电火花放电间隙,就是模腔齿形
' G6 S/ ~( w  p: ]  F' [

- p+ I1 o9 K1 y% V4 ]
, \0 \, [$ u5 R9 O) L" [9 {/ e& C' B: y0 C3 S7 E& T7 L
渐开螺旋面的等距面,依然是渐开螺旋面。
/ o2 y; R  r  g0 C6 t* Y' {齿根螺旋面的等距面,就与以前的不同了,但这个齿形与加工电极用的同一把滚刀滚切出的齿轮相比,更不会发生过渡曲线干涉。如下对比图示,蓝色是滚切齿轮,淡黄色是出模的但没有收缩的塑胶齿轮:+ r' i! ~: X4 @7 E1 F, G  ~3 V
4 J7 P% E8 j3 f1 _
( w( Z3 b* G2 M; I
当然,渐开线起始点半径又一次有了变化,尽管这一步量很小。
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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:08:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 目成 于 2013-9-10 22:23 编辑
. q7 @) o3 P' h  A
4 {0 d, E$ ?. U$ j- |* r关于电极补偿的压力角修正问题
6 C' h: s1 c( j5 W3 E8 P4 `8 N
! Y: B2 r# S5 O& O
为补偿电极损耗而导出的电极滚刀的压力角修正,经常见到下面两张图:7 u3 v- W, H/ E* L( J' i

) {1 r' Y9 i6 r7 o4 X: a3 l' _4 R! t4 y( D+ A1 U  F1 l
其论据由来是根据放电机理:曲率半径小处最先击穿。
  {) S9 Z% H6 t+ _( `/ x5 V& C% t) }! @于是根据渐开线曲率半径公式,导出压力角修正公式。( t6 A7 D' j; X( }' C: ^  e
但是,如果稍加仔细看看两篇论文(《内螺旋齿轮电火花加工的齿形误差分析》《齿轮模具电火花展成加工电极的研究》)的表述,两者的补偿目标正好相反,前者说“在电极齿轮齿根部分的损耗大于齿顶部分的损耗”,后者说“电极齿轮的齿顶部分损耗大于齿根部分的损耗”。可见,压力角修正公式或许有道理(因为得到两者的认可),但推到的机理是有问题的。
  @/ {: E5 F6 A7 `5 Q
1 g- t7 M! n! x$ g何况,两者都没有考虑齿根过渡曲线部分的形状对放电的影响,如下图示:. q4 N: u3 c4 S; w3 E! E" T8 O. [
! T! x* y( I; |' u0 P. k/ U5 K
事实上齿根过渡部分足够大,一般都会超过1/3齿高,所以不能忽略。! V( b% o5 }0 ~$ U) q' D" [. K- p9 b
更何况,齿根过渡曲线相对渐开线而言,曲率是负值,比尖角还要小,放电损耗怎能不考虑呢?还有,摆动电极法进行电火花加工,齿根过渡部分本身有了内凹(模数1有0.015~0.02),这部分的影响亦应考虑在内。7 I. v1 M! A0 K' R" @
其实,放电击穿频度、电场密度、放电介质、电极运动方式以及放电间隙的大小,综合影响着模腔齿形,单单从渐开线曲率半径来推导电极补偿量,数值是不可能准确的。
' [+ G- v3 g8 x9 O0 X6 W" t另外,塑胶收缩过程中,齿顶、齿根处收缩量是有差别的,这同样会影响齿形。4 m  t0 g8 K+ |4 F: T: Q3 p5 V% U! J
我以为,减小精打放电间隙(比如≤0.01mm),可以综合解决问题。对于精度要求高的齿轮,通过定制齿廓修形滚齿刀的办法,应该更实际

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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:10:39 | 显示全部楼层
电极齿轮的窜刀加工
) Q2 K9 X! a% D8 L' ~9 |% N+ P/ L7 `' y
要想一种收缩率用一把滚刀,去加工不同摆动、放电侧隙的电极齿轮,必须采取窜刀法加工。. K3 V. Y6 R. O- B8 c
窜刀有两种途径实现
. {* x: A! ^0 P4 V; [9 D- ]0 ^& L一是工件不动,滚刀沿着轴线窜动一小段距离;1 ]8 r  a. x$ ?
二是滚刀不动,工件转动一个角度。# v9 C( \8 Z* w& I7 \& a
对CNC滚齿机来说,两者都容易实现,只需键入数值编程即可。/ m) j$ Q5 m1 w8 F4 H
推荐CNC滚齿机采用转动角度法。7 ]* V% M" z* S8 Z- b$ h; _9 O
% ?5 L% \7 {6 J$ Z: a# p  T& V& Y1 P
窜刀加工电极示意如下:) [: K5 Y; X; W8 Q5 K
1. 滚到径向尺寸/ @, K7 D+ L  N0 {& `: y
+ g3 ]+ V( R7 s/ B3 {  ~& `! Z! J
. v/ V7 }8 f& o& X: V* ]: t9 u
2. 滚切右齿面/ A  b. _! u& u0 m% Z2 I. u, K8 D
/ \$ }+ l3 G" c

( Y0 j0 {3 z. `3 W! y3 X2 N' X3. 滚切左齿面. z* p4 o4 U9 |! F+ m) U2 K7 D

2 h8 t/ a# r" x; x6 R
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 楼主| 发表于 2013-9-10 11:11:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 目成 于 2013-9-10 15:02 编辑 6 w  N' L# J% V3 Z

6 ^  Z/ D$ K! ]1 w( r% \* a8 T; a7 {电极与型腔关系的示意图:: K' B& ^  T! ~' l

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发表于 2013-9-10 11:14:35 | 显示全部楼层
顶一下,在齿轮论坛看过了,又一力作
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