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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 2013-9-3 16:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 woodee 于 2013-9-3 17:57 编辑

塑胶直齿轮、斜齿轮,常纠结于噪音。
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。
先看一下一对塑胶斜齿轮鼓型齿的啮合痕迹:
ptCGr01.gif

为何鼓型齿对塑胶齿轮传动之降噪是必须?
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;
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:
Rr01.png
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。
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):
ptCGr01_Aug13.png



 楼主| 发表于 2013-9-3 17:48 | 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。
1. 脱模的可行性;
2. 易于加工出鼓型齿电极、方便电火花出型腔并保证精度;
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。
下面就逐次叙述。

ptCGrAssy.gif
发表于 2013-9-3 19:36 | 显示全部楼层

小模数塑料尼龙类齿轮的高频噪音问题较难解决

本帖最后由 hyfjy 于 2013-9-4 16:59 编辑

要是能有齿形加齿向的修形工艺就好了,我都试过用薄片式齿轮片叠加后作为行星齿轮,有意使得中间齿厚稍大,两端稍小,但试过,不行,噪音总水平还是高,关键就是塑料及尼龙材料在收缩时,两端一般要比中间大0.02至0.06,视材料不同,噪音水平也不一样,头疼。
吴先生提出的是一条减少这类齿轮啮合噪音的好办法。
为何在国家的小模数齿轮的齿廓上没有齿形修形这一说法?
塑料尼龙齿轮一般都用于小模数或极小模数,噪音的总水平虽然不是太高,但用户要求的无高频噪音是放在耳朵上听的,听的距离小于10mm,所以要解决这类噪音,难度较大。
 楼主| 发表于 2013-9-4 07:35 | 显示全部楼层

老费你好!

齿形修型不难解决,滚刀设计时就可以做到。只是不同塑胶材质、不同负载状况,需要有不同的最佳修型曲线。这是后话。
鼓型齿模腔,齿厚中间比两端大0.03左右,就是目标。用以抵消塑胶收缩带来的两端接触。
美国塑胶齿轮齿形修形的资料。
解决高频噪音,一定要齿形精度、鼓型齿、齿形修型,三管齐下,才能解决。


发表于 2013-9-4 09:17 | 显示全部楼层
(1)塑料齿轮的齿形修形计算方法在AGMA 1106-A97标准中有相关的计算方法。但是实际应用此计算方法计算时发现,主要是齿顶修缘,且修形量不大,一般都是直接倒圆角处理了!
(2)齿向修形,这个问题不是很好解决。
     ①对直齿轮,一般采用线切割加工,经济性要比电极放电要好很多,而且线切割无法实现齿向修形,故而推广难度很大。
     ②对斜齿轮,采用齿向修形后,电极易于制造,但是放电需要做特殊处理;而且模具型腔中间大两头小,脱模是个问题,虽然可以强脱,但需要把握出模时的温度;
      ③对于非片式塑齿,在轴向上呈现“腰型”,即中间直径小两头直径大,这是收缩规律,通过常规反补难度较大。倒是可以通过二次压缩工艺可以使这一趋势缩小。如果要齿向修形,需要将塑齿收缩量、修形量叠加做到电极上,这势必增大电极的凸度,这对电极放电的难度提高了!
(3)对于塑齿精度,一般齿形与齿距的精度可以做到较高,做的好可以达到GB6级以上,但是齿向与径向跳动这一点难以控制,批量生产的一致性都是很大的考验!
***********
这些问题的解决都附带的是成本的提升,woodee版主不知道将如何解决这些技术难题?

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 楼主| 发表于 2013-9-5 12:32 | 显示全部楼层
本帖最后由 woodee 于 2013-9-5 19:14 编辑

塑胶鼓型齿的鼓形量及出模

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。

鼓型齿的获得方法,是通常用得最多的“圆弧进给”法,下图示:
Rr02.png
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。
而CNC滚齿机,这只是一个标配的选项,只需键入半径值即可。
推荐CNC滚齿机加工电极,加工很方便。

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,齿廓出模“过盈量”双边为0.022

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。
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”。

其实,更大的出模问题在齿根,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):
ptcgrCav02.png

以上面参数为例,齿根的径向双向“过盈量”达到0.0666
所以必须对齿根做处理,如下图示:
ptcgrCav03.png

好在打火花加工的预精打工序,只要精确设计电极工艺参数,前后电蚀加工,正好得到上图所示的结果。
下图所示,是15°斜齿轮的打火花完成模腔的精确示意图片,仔细点,可以看到两次电蚀加工的分界:
ptcgrCav01.png



 楼主| 发表于 2013-9-5 13:03 | 显示全部楼层
mrmrw 发表于 2013-9-4 09:17
(1)塑料齿轮的齿形修形计算方法在AGMA 1106-A97标准中有相关的计算方法。但是实际应用此计算方法计算时发 ...

(1)塑料齿轮的齿形修形计算方法在AGMA 1106-A97标准中有相关的计算方法。但是实际应用此计算方法计算时发现,主要是齿顶修缘,且修形量不大,一般都是直接倒圆角处理了!
应该是齿顶圆弧线齿廓修形,跟倒圆不是一回事。一般的修形量,本来就不需要很大。

(2)齿向修形,这个问题不是很好解决。
     ①对直齿轮,一般采用线切割加工,经济性要比电极放电要好很多,而且线切割无法实现齿向修形,故而推广难度很大。
看需求了。若效果好,且电极只需加一段鼓型齿,应该会采用的。

     ②对斜齿轮,采用齿向修形后,电极易于制造,但是放电需要做特殊处理;而且模具型腔中间大两头小,脱模是个问题,虽然可以强脱,但需要把握出模时的温度;
电极不难做,但参数需把握好。放电工艺以后谈。脱模见6楼。

      ③对于非片式塑齿,在轴向上呈现“腰型”,即中间直径小两头直径大,这是收缩规律,通过常规反补难度较大。倒是可以通过二次压缩工艺可以使这一趋势缩小。如果要齿向修形,需要将塑齿收缩量、修形量叠加做到电极上,这势必增大电极的凸度,这对电极放电的难度提高了!
要做好塑胶圆柱齿轮,注塑工艺及型腔鼓型需要兼顾才行。

(3)对于塑齿精度,一般齿形与齿距的精度可以做到较高,做的好可以达到GB6级以上,但是齿向与径向跳动这一点难以控制,批量生产的一致性都是很大的考验!
齿向鼓型,就是为了改善或“覆盖”齿向误差。径跳的改善,不是鼓型齿讨论的话题,应该在浇口数量和位置、注塑条件的调节等塑胶模设计和注塑工艺的调整上下功夫。
***********
这些问题的解决都附带的是成本的提升,woodee版主不知道将如何解决这些技术难题?
对鼓型齿而言,若都使用电极加工,电极增加一段鼓型齿,电火花最后再追加一次鼓型电蚀,这就是全部的附带成本。
就我所知,国内许多精密塑胶齿轮模,还都在国外制造,如德国,价格不菲。若满足对现有加工工艺的把握,不思突破,则永远只能做相对低端的产品。

谢谢MRMRW版主讨论互动!

 楼主| 发表于 2013-9-5 19:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 woodee 于 2013-9-5 19:22 编辑

鼓型齿型腔,必须采用电极摆动的电火花工艺,才能获得:

ptcgEDasm02.gif
 楼主| 发表于 2013-9-6 12:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 woodee 于 2013-9-6 14:02 编辑

电极摆动得到的等效齿形
渐开线的等距线仍是渐开线
齿根为过渡曲线的等距线

ptCGrCurve01.gif

渐开线起始点变了,精确传动计算时要考虑此点。

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。
ptcgEDasm00.gif

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:
ptcgEreal05.gif

图上部,可以看到齿侧和齿根的啮合线位置。






 楼主| 发表于 2013-9-6 14:28 | 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
ptcgrCav&Ereal.png


渐开螺旋面的等距面,依然是渐开螺旋面。
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:
ptCGfcv01.png

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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