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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。' E% s2 P* s5 ?* V( C, w. X8 y/ S
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。
; w7 P: L& I/ A3 V2 u先看一下一对塑胶斜齿轮鼓型齿的啮合痕迹:
; W4 [6 L- u* ^" ^4 [* ~* L
% ^" u7 Z/ u3 g" q0 V/ [0 K* D" T0 Z' k9 V; g) S7 O
为何鼓型齿对塑胶齿轮传动之降噪是必须?
/ s8 ?9 r) q% N! D9 ]" }% d4 _. |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;' v% x7 L2 K  \  t
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:; s9 \& p. [2 k0 N& k' \3 T6 {

# {8 i7 E; ~/ k3. 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。' s8 K6 |% L8 P" P4 ~9 T
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):
& c; E' Y5 p$ D% J & J$ C0 t4 x1 L7 v/ J3 Z
' l* V9 ~" H7 v7 {/ c7 N/ Y6 _

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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。+ e) H1 v: N6 V7 ?! V
1. 脱模的可行性;+ M: u" K3 _7 E7 H
2. 易于加工出鼓型齿电极、方便电火花出型腔并保证精度;" m. |# m6 H3 N/ G2 }
3. 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。
! W# y5 c, b# k# |  _下面就逐次叙述。) |; l" ]1 }+ x# N
5 e0 J1 s& d* s3 w- S8 K' f" V

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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 + P& ?  v: B! {; J& h
/ ~: j" C* Z$ F' u8 c; @7 A9 M5 R
塑胶鼓型齿的鼓形量及出模4 @2 q* C. @5 s2 D- Q3 h1 `

' Q' ?1 X+ y0 z% n# Q' U
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。
  n, k: e0 E6 L# z! ^2 g! Y9 X) H& t9 H: G. Z. v4 e* {: n3 b3 K
鼓型齿的获得方法,是通常用得最多的“圆弧进给”法,下图示:4 c+ \; v: @# w5 |/ E0 R
5 k" b0 s9 e4 V1 |+ Z! ~0 V
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。
0 E; N+ v* F- A! Q3 o! 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。" D" _+ o8 M0 g6 h9 {
推荐CNC滚齿机加工电极,加工很方便。" E5 n$ p% ]5 ?2 n: V

* _2 }' A; W2 K4 n& T/ [( x1 ~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0.0227 U1 l" @  J4 p( Y( q1 `0 z
2 p+ d; `3 ^, P; h5 c( t/ s
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。
( V5 S( D+ A9 Y5 j, W, ]7 c, F' v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”。
* T' V6 }4 d0 b! l) }( W) y# K! C# _" Y: d4 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):
; T! p9 c8 n2 o  y4 R 8 x; P+ _; l# y

% d; w6 ]- A' G以上面参数为例,齿根的径向双边“过盈量”达到0.0666
) Q2 ^( v/ M" U4 K& E: F5 S所以必须对齿根做处理,如下图示:5 o% W7 ^3 @, v# z5 a% s
2 y4 y; ]4 d; y' a! n5 q

2 i5 `' Z( t3 v  i1 `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) G. T, d! `6 T- 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:; V/ l) r+ h2 r7 m, c4 r
+ R, g5 v" \3 u, ?1 m  w) D

, M, `& ]9 `) }6 F2 \2 Y' U0 k

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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:0 w6 O* d& h3 Q6 |1 I
' C2 U4 j( l. m
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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
1 L0 U+ [) v% u1 o; {8 k渐开线的等距线仍是渐开线
. H' L. o& y7 a# w2 P5 S4 Y齿根为过渡曲线的等距线$ m. I; t0 ]4 G( {5 Q2 O" G: i

9 ?+ q5 s0 v* \4 ^: W  g9 s, `- o  c$ C+ q
渐开线起始点变了,精确传动计算时要考虑此点。3 G8 _  e5 S, a5 Z! P9 |
: ^7 V' o3 j! e
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。
) U6 f4 c8 w9 D) O+ }5 t2 L
# A: B7 q) Q0 X. [3 l% X* U( m" ^# [' c; A1 O2 ?. [: R* R
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:. x8 V8 H# J9 N0 j

6 ]' |3 W9 G7 t; A. y) A$ B( k
: ^' Q$ ?( j& Y6 f. _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4 P6 N' D  O$ L

" H3 ~: _6 M( x/ ?+ h. D0 a3 D& z7 M( c- F( f6 Y( O! ~2 `: F, T
4 G! [8 I4 J0 d
渐开螺旋面的等距面,依然是渐开螺旋面。& A5 @, u2 |! R% T# b
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:
3 ]( n% a) k; }. i * e( _. x7 A. i" y; @+ \4 C, l$ q

" u- l9 t" [! g4 Z( j& o! N$ T$ p$ S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 , ~7 z2 e: S' c' y

$ B$ o6 E: D3 d" ]关于电极补偿的压力角修正问题
# F1 ]1 F/ p- O7 R+ ]8 A3 O
. w( S# d3 e: t6 A/ G
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:
" H2 S, t) H: a2 |' r) _2 W% _2 C 8 A2 V2 m  h4 f6 F: b, k% }

& Y  g7 }+ j0 p/ E" w3 G1 l其论据由来是根据放电机理:曲率半径小处最先击穿。
' o9 r; T& e* A1 I于是根据渐开线曲率半径公式,导出压力角修正公式。* w( q7 a& m4 c  x/ E( i: Z1 D3 }, d
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。
( D5 i* d* X5 S3 L0 T+ e
1 i1 Z3 q( E8 z1 R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:
# E  C- _( r; [- a2 g $ Z& E0 ^8 m- Z: Z
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。
$ b- T" a3 K  O+ T( g1 V! S, P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 W4 C- |" A
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。! O+ c( B3 ^5 ^8 t4 x# w
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。
7 ^. q. h& c& 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
5 `6 B, x% R( W- E) v9 q/ t1 S, v4 f" N8 [
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。2 ~  u. @7 ?0 H
窜刀有两种途径实现0 t4 p' _- F8 D, v3 _  }' H6 p
一是工件不动,滚刀沿着轴线窜动一小段距离;
1 N- U& {' R* \  W  z  _; M二是滚刀不动,工件转动一个角度。. _  g; t. h' h  w7 M% U
对CNC滚齿机来说,两者都容易实现,只需键入数值编程即可。
* ]+ j+ y0 W( f: f( x5 v3 x推荐CNC滚齿机采用转动角度法。
' i) \) ~3 h' g: z
6 j' x& p4 Z  w+ [) w3 ]" q窜刀加工电极示意如下:# X+ H' H. X9 t% A3 t& {) O
1. 滚到径向尺寸) S) s* o$ r  {% ~$ m* s& i! W8 |

; h/ ]" Z- X+ ~2 m  \
, B) i9 r$ N6 [8 }# T$ Y# w* L2. 滚切右齿面; _4 [' r$ J1 }/ i; y4 A/ M& j4 a

3 ?, q- w9 L. g, [$ E0 \- ]$ q0 {" }  H) L
- S- t! m. _7 C3 {* W2 x) c, c3. 滚切左齿面
- t% \8 s' G0 E) k& F

! H  y# }- [* T" I
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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 + k; w; t; e0 Q/ z: }
$ j1 Q2 K: W' C  D
电极与型腔关系的示意图:5 `/ {( Z; n9 t. V; c* L! V

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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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