精密塑胶圆柱齿轮鼓形修型的工艺原理

woodee

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：


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：

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）：

woodee

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。

hyfjy

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。

woodee

hyfjy 发表于 2013-9-3 19:36

                               
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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， ...

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。

mrmrw

（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！
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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？

woodee

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：

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）：


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：


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：

woodee

mrmrw 发表于 2013-9-4 09:17

                               
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（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。
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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！

woodee

鼓型齿型腔，必须采用电极摆动的电火花工艺，才能获得：

woodee

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


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。


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：


图上部，可以看到齿侧和齿根的啮合线位置。

woodee

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



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：


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。