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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。
  j) ~/ i# I4 D4 n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。
: M& G' \& M: s& O: C先看一下一对塑胶斜齿轮鼓型齿的啮合痕迹:
: ?0 ^( T. f" f0 N. Q+ _9 N% F ' m: O/ J* x  f- u" ]+ M( E
. O* j% V1 k9 V$ K: U9 C! s
为何鼓型齿对塑胶齿轮传动之降噪是必须?
+ ]# o" K) o6 p! H3 }8 D3 \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;* K/ ]+ p- o, ^0 I$ H
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:
0 j: m" f5 K  K' I( l+ W% S ' G9 R8 b/ h$ @% K# d2 A  N
3. 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。
8 A6 c# r5 X% |* X: g1 X/ {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):* z7 g8 o6 |0 W

0 ~5 ~9 l$ U8 f, x# L3 F) y: G: y* o$ K! e

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。
% ?& X4 d5 L- d1. 脱模的可行性;$ `4 @2 T1 a4 M( m1 h0 D4 H, e; e
2. 易于加工出鼓型齿电极、方便电火花出型腔并保证精度;
) `2 y! p1 f* e0 ?7 W: L3 V3. 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。
1 x! N! L) [* S; L- ~下面就逐次叙述。2 F/ C1 ]% L1 X& w3 o$ t, E
# n. x5 D/ g: z

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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
- }8 ^/ |& r! ?) s
+ o/ T8 a0 p& l2 {, n塑胶鼓型齿的鼓形量及出模
# Y! V6 h% {. {
7 V# Y! X' X- F4 V  I9 R4 |& e1 M
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。
, H- i6 T- G: f  D# X
, e5 o3 e. C6 y鼓型齿的获得方法,是通常用得最多的“圆弧进给”法,下图示:
( h  ~2 G' z) a0 N9 E8 A
; s9 J* a6 l$ t% P% \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。
1 W3 r7 a1 ?4 p+ I$ f$ i( F而CNC滚齿机,这只是一个标配的选项,只需键入半径值即可。
: E: p; F8 W$ l- {, s. q6 _推荐CNC滚齿机加工电极,加工很方便。
5 ]( a% \; L. G/ \! Z8 M1 @1 c1 a; Q  G5 [7 Y# {
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
0 H& V3 o& J0 X2 }* e: @* m
- T; T. t6 W) }- s2 V5 T& d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。
* a# \  X( X8 |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”。
  O0 a. j$ _. F3 c
' I. u) J/ Y3 y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):
8 @1 P* r3 F3 @. @3 K4 ?! m % X* q$ A. u/ ?* S% O
! J/ b/ J- n0 u
以上面参数为例,齿根的径向双边“过盈量”达到0.0666
+ G; S: Q  J: k+ w. g' S% ^5 h- P: q所以必须对齿根做处理,如下图示:- a( J- Z4 V5 i" R$ n& ]9 L6 n

0 \. c2 ]7 Q' M" Z3 w8 ^* m( H9 l8 r6 M
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。
/ U# v2 q  E, T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:
: y( Y: p' J; `/ k
: s* b! \; A: x5 W5 g% s: c. g5 _
# n( R3 _  r0 }, k) N/ Q

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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:
' q, J7 @2 S; F  I
7 b/ h# {# J( k$ o0 I' T* G* L% ]% |
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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% L3 Y, D, [" |- y+ n
渐开线的等距线仍是渐开线. Y. _- k, R  q
齿根为过渡曲线的等距线
, q3 u! Q, U3 Y2 @8 k

% [1 Q5 [9 X* G' {) l; w' ]& e2 S0 n9 l- B
渐开线起始点变了,精确传动计算时要考虑此点。5 |$ P  J7 W* |; r' M% t
; y8 B/ h* f1 m* P! p+ u( O, B" X
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。
" q, E! C- \6 S* I 4 O$ d2 Y: k5 q, _* F+ n

$ ?% X9 U: ?, r2 i% K  X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:3 S2 z8 Z; Z1 y  X$ C8 }1 M
- F( h  z" m' k0 f7 U" J) G
0 m9 w9 l/ P6 e' d( M) v5 C3 E; j7 m
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5 `! m" [; A7 E
& t2 X8 h3 Z; o; g

# n9 D; Y: @4 {9 o' x% S7 B
! D4 t& H2 A- S( V  ]+ s渐开螺旋面的等距面,依然是渐开螺旋面。/ N7 w% q; ]9 W2 k( @  S
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:) W$ Z' ]2 @) c7 ^. ], W' g* z
/ j- ?* X9 t/ w4 U8 C

8 }# k7 E% H/ g3 G8 I, ^, X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 ( w& B5 d+ A/ F3 @

( n7 l. P$ }& v) ?% c6 Z关于电极补偿的压力角修正问题
# c3 d; d6 G$ ]( S0 y% d
" _' f) `- s9 j! H, O& U! `* V
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:8 ]) r$ y. c5 f& i% j
* O& s( A9 m. s3 l4 B2 Z+ [* @
; U, D, H% L7 B" i; a( k
其论据由来是根据放电机理:曲率半径小处最先击穿。/ O  _2 J3 b) K5 O: R& |5 n5 N" _" B
于是根据渐开线曲率半径公式,导出压力角修正公式。
3 ?" B/ F" U" C4 v; Z* s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。
9 s% b! r. c$ [* s. S% n; o8 h; @* q9 @; q8 \
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:
% t  L6 ^" j0 b! L/ z
/ v7 Z$ |& O: Q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。% J+ U0 t9 J! Z7 @7 v; |$ g
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。1 X' D" M; w- S+ T$ W
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。
3 H8 ^# J% l, d, f- k0 P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。
5 @- @* G% m  Z4 E9 P3 i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+ c/ A  ?- n$ M: e  ?8 I
* i6 k; I: E2 I6 m
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。/ U4 G3 I6 u9 Q* ^. T: x! E8 z0 k
窜刀有两种途径实现" I) H4 [, A/ Y. D* ^' h
一是工件不动,滚刀沿着轴线窜动一小段距离;$ \/ h/ l/ ~/ H, U# z4 d* a$ z& `
二是滚刀不动,工件转动一个角度。
5 y- S& k' v2 e9 m& e对CNC滚齿机来说,两者都容易实现,只需键入数值编程即可。2 z& _. k: R# a" g* j- ~% k6 W! n) F' W
推荐CNC滚齿机采用转动角度法。
. n$ h  y% p; Q% n' o. @6 @+ Z( q  ~
窜刀加工电极示意如下:; K* M2 `1 [5 N; w
1. 滚到径向尺寸
) _, ^6 x& y% s4 {: }# w' M

& ~( A$ x* |* @8 w
( d+ j9 y/ e9 N6 m2. 滚切右齿面
$ ]: {5 C8 {# z9 G  Q! Y* g

' b5 q% Y, h5 V1 ]( ^. d( D6 g3 h! l, r! ^' i3 c/ i' s# |
3. 滚切左齿面
0 W+ Q5 Y# q7 @. k  B

7 f6 M9 G. b' G7 z; T4 x
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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
# o" k2 X; Z- `. n9 ^" ~/ a( Z& M: w7 S& U0 N
电极与型腔关系的示意图:
7 A; T! C$ u# ]% k

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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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