cxducww塑料_齒輪的設(shè)計(jì)和制造介紹

1、| You have to believe, there is a way. The ancients said:" the kingdom of heaven is trying to enter". Only when the reluctant step by step to go to it 's time, must be managed to get one step down, only have struggled to achieve it.- Guo Ge Tech塑料齒輪的設(shè)計(jì)和制造介紹一塑膠齒輪優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用相對(duì)金屬齒輪，塑料齒輪具有質(zhì)量輕、工

2、作噪音小、耐磨損、無須潤滑、可以成型較復(fù)雜的形狀、大批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于塑料本身具有收縮、吸水，相對(duì)金屬強(qiáng)度也比較弱，對(duì)工作環(huán)境要求高，對(duì)溫度較敏感等特性。因而，塑料齒輪同時(shí)就有精度低、壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。隨著新材料的應(yīng)用及制造技術(shù)的發(fā)展，塑料齒輪的精度越來越高， 壽命也越來越長， 并廣泛應(yīng)用于儀器、 儀表、玩具、汽車、打印機(jī)等行業(yè)。二塑料齒輪的模具制造方法由于塑料制品成型收縮，因此陰模尺寸要較制品尺寸大。見附圖：因而標(biāo)準(zhǔn)的齒輪制品意味著不標(biāo)準(zhǔn)的陰模尺寸。 這就對(duì)陰模的制造提出了嚴(yán)格的要求。以下是常用的兩種陰模制造方法1.先制作一母齒輪，然后通過鑄造、電火花加工、電鑄等方法制

3、作母齒輪。如：渦輪、渦桿、錐齒輪。2.不需母齒輪，直接線切割制作陰模。常用于正齒輪，斜齒輪。2.1 母齒輪的制作方法前面所提，母模要比制品大，因此標(biāo)準(zhǔn)制品齒輪就必須由特殊母齒輪制作特殊的陰模。特殊的母齒輪就需特殊的切齒刀來加工。通常方法：（ 1）特殊模數(shù)的切齒刀具（ 2）加上成型收縮率的余量用特殊壓力角的切齒道具（ 3）加上成型收縮率的余量用標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具（ 4）不需添加余量用標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具以下是各種方法的詳細(xì)介紹（ 1）特殊模數(shù)的切齒刀具制作一個(gè)特殊模數(shù)的切齒刀具，其壓力角為標(biāo)準(zhǔn)壓力角。在制作這個(gè)切齒刀具時(shí)必須考慮到成型收縮率以及后面要講到的陰模制作法所規(guī)定的修正值，然后用這個(gè)特殊刀具來加工母齒

4、輪。假設(shè)要制作下面的成型齒輪時(shí)Z=30 m=1 d=m*Z=30mm假設(shè)成型收縮率與根據(jù)陰模制作法所得到的修正值之和為 2。則要求母齒輪的各參數(shù)為Z=30 m=1.02 d=m*z=30.6mm根據(jù)這個(gè)方法制作出來的齒輪能得到比較正確的齒形。但時(shí)間長，成本較高。(2) 加上成型收縮率的余量用特殊壓力角的切齒道具加上成型收縮率的余量用標(biāo)準(zhǔn)的切齒刀具來制作母齒輪時(shí)會(huì)造成齒形的偏移，用節(jié)點(diǎn)上的壓力角的變化來表示的話如下公式所示。Cosa1=d1cosa2/d2a1: 加工齒輪模型用的切齒刀具的壓力角d1:已經(jīng)考慮了收縮率的分度圓直徑（母齒輪的分度圓直徑）d1=d2/(1-s/100)s:為收縮率a2

5、:標(biāo)準(zhǔn)齒輪的壓力角（一般為20 度或者為 14.5 度）d2:標(biāo)準(zhǔn)齒輪的分度圓直徑（制品的分度圓直徑）所以cosa1=cosa2/(1-s/100)現(xiàn)有一個(gè)壓力角為20 度的制品齒輪，成型收縮率和所要的切齒刀具的壓力角之間的關(guān)系如下：成型收縮率切齒刀具的壓力角1a1=18.342%a1=16.493%a1=14.364%a1=11.81（3）加上、成型收縮率的余量用標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具加上一個(gè)相當(dāng)于成型收縮率的余量用與成型齒輪相同的模數(shù)、壓力角的標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具制作母齒輪，這時(shí)制作出的母齒輪其壓力角常常比標(biāo)準(zhǔn)的大。但是由于使用的是標(biāo)準(zhǔn)工具，與（1）、（2）相比在交貨期及成本方面比較有利。如不存在壓力角的偏

6、移問題時(shí)，這個(gè)方法比較簡單常常被采用。除周節(jié)誤差、壓力角誤差外，其它方面與（ 1）、（2）等方法沒有多大的差別。（ 4）不需添加余量用標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具由于模型齒輪的分度圓直徑中不含有成型收縮率，所以，成型齒輪的分度圓的直徑等于風(fēng)度圓直徑減去成型收縮率。如果所用材料成型收縮率很小的話，以及分度圓本身很小，側(cè)此方法非常使用。2.2 齒輪模具陰模制作方法（ 1）鈹銅合金鑄造法在運(yùn)用鈹銅合金只制作法時(shí)，從鑄造性、硬度、強(qiáng)度等方面考慮一般采用含鈹量為 2.52.75的鈹銅合金。由于鑄造時(shí)的收縮率為0.20.3所以制作母模時(shí)需考慮進(jìn)去。為了便于脫模，模具上必須有12的脫模斜度。（2）電火花加工以母齒輪做電極用

7、電火花加工法來制作陰模時(shí)，母齒輪制作除了要考慮制品收縮性，還要把放電間隙考慮進(jìn)去。一般要進(jìn)行粗放電加工和細(xì)放電加工，而粗公和精公需做在同一軸棒上。在放電加工時(shí)，電極垂直度須充分校正。電極材料可以為：Tcu CuW BsBm。母齒輪的精度直接影響加工出來的型腔精度。 在決定電火花加工間隙時(shí)必須考慮制品收縮率在內(nèi)。一般來說，底部型的加工間隙為0.050.12mm,穿孔型的加工間隙為 0.030.06mm。另側(cè)壁錐度大約為0.2100。（3）線切割加工以銅絲或鎢絲來加工陰模，加工時(shí)須把材料的成型收縮率考慮進(jìn)去。一般采用慢走絲切割， 加工間隙一般為0.020.05mm?？杉庸ば饼X輪和正齒輪（4）電鑄法

8、加工將母模放入電解液中，使金屬成積到母模上至所需要厚度。母模的精度將決定電鑄模的精度，電鑄加工一般時(shí)間比較長。沉積離子一般為鎳離子。具體選擇哪種方法，取決于制品精度，模具成本和加工時(shí)間。按精度等級(jí)分：鑄造 <電火花 <線切割 <電鑄 2.3 水口的選擇和型腔數(shù)量的確定水口的位置和數(shù)量直接影響到制品的精度和同心度。一般來說采用多針點(diǎn)式水口， 36 個(gè)平均分布在同一圓周上。 齒輪外俓越大相對(duì)取量越多。直徑小于 8mm 的也會(huì)選單一水口。收口的大小與制品的厚度有關(guān)，盡可能采用大些的點(diǎn)水口。另，中心針的固定和分度圓的同心度也是相當(dāng)重要的。型腔數(shù)量取決于制品的精度要求。 最多不能超過4

9、 穴，每增加一穴，精度減少5。另外，模具材料的選擇和水路及排氣的設(shè)計(jì)亦會(huì)影響制品精度。齒輪參數(shù)單一齒距誤差相臨齒距誤差累積齒距誤差法向齒距誤差齒形誤差M=0.5,Z=40,B=3mm， a=20?j表 12 PA66 直齒圓柱齒輪注塑成型精度齒輪參數(shù)陰模制作單一齒距相臨齒累積齒距法向齒距齒形誤差方法誤差距誤差誤差誤差M=0.5,Z=40,B=3mm ， a=20?AJIS2JIS3JIS3*JIS5*JIS8同上BJIS2JIS4JIS4JIS2JIS5同上CJIS3JIS4JIS3JIS2JIS3M=1,Z=40,B=10mm,a=20 ?DJIS3-4JIS4-5JIS4-5M=1.5,z

10、=40,b=7mm,a=20 ?EJIS4JIS5JIS3M=2.5,Z=20,B=10mm,a=20 ?DJIS5JIS6JIS4注：* 記號(hào)誤差大是受壓力角誤差的影響A：加上成型收縮率的余量，用壓力角為 14.5? 的標(biāo)準(zhǔn)刀具制作母齒輪，然后采用電火花加工法來制作陰模。B：將成型收縮率估計(jì)在內(nèi)的特殊模數(shù)刀具來制作母齒輪，然后采用電火花加工法來制作陰模。C：采用線切割法制作陰模。D：用將成型收縮率及鈹銅的成型收縮率估計(jì)在內(nèi)的特殊模數(shù)工具刀制作母齒輪，然后采用鈹銅合金鑄造法制作陰模。E：加上成型收縮率的余量，用壓力角為20?的標(biāo)準(zhǔn)刀具制作母齒輪影響齒輪精度的主要因素有；陰模精度，注塑工藝，模具

11、及制品結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們決定了制品的精度要求時(shí)，在找模具廠時(shí)要考核模具廠是否具備相當(dāng)?shù)闹颇ＴO(shè)備和注塑設(shè)備及檢測設(shè)備，以及技術(shù)能力。四塑料齒輪副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法齒料齒輪多應(yīng)用于小功率精密傳動(dòng)系統(tǒng)中，其傳遞的力矩相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)非常緊湊。鑒于常用塑膠齒輪多為漸開線小模數(shù)（m<1）圓柱塑料齒輪，故本文以漸開線小模數(shù)齒輪為研究對(duì)象，主要從幾何參數(shù)的選擇、齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)校核三方面介紹塑料齒輪副的參數(shù)設(shè)計(jì)的基本方法。4.1 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)4 .11 模數(shù)模數(shù)是輪齒抗彎曲能力的重要標(biāo)志，塑料齒輪模數(shù)的選擇同樣需要考慮強(qiáng)度因素。由于塑料齒輪多用于小功率精密傳動(dòng)系統(tǒng)中，故而可以采用“結(jié)構(gòu)定模數(shù)”的指導(dǎo)思想選擇模數(shù)

12、。模數(shù)的選擇可以采用一下以下公式計(jì)算：m=2a(z1+z2)m 為模數(shù)，單位為 mm; a 為設(shè)計(jì)中心距，單位為mm; z1,z2 為嚙合齒輪副的齒輪齒數(shù)齒數(shù)。4.12 齒數(shù)模塑法加工塑料齒輪，不存在刀具和齒輪的成型加工運(yùn)動(dòng)，因此也就不會(huì)產(chǎn)生金屬齒輪加工中的“根切”現(xiàn)象。在保證齒輪嚙和輪不發(fā)生嚙和干涉的前提下，若僅考慮滿足連續(xù)傳動(dòng)的條件，則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓柱塑料齒輪（ a=20 度， ha=1）的最少齒數(shù)可以取到3 .4.13 壓力角壓力角是作用線與節(jié)線相交所成的銳角，它放應(yīng)了齒輪副的壓力作用方向。壓力角可取 20?、14.5?、15?、17.5?、22.5?、25?、和 30?等。需要指出是增大壓力

13、角對(duì)減小齒輪最少齒數(shù)有利。 但減小傳動(dòng)中的公差不利。因此，壓力角的選擇不能任意擴(kuò)大和降低。在國家標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定a=20?在塑料齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，推薦使用a=20?另外，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇其它壓力角值，一般為增大重合度較低噪音客選擇小的壓力角，為提高承載能力提高輪齒強(qiáng)度客選用大的壓力角。4.14 變位系數(shù)漸開線齒輪傳動(dòng)的可分性是變位的理論依據(jù)。 齒輪變位主要考慮四個(gè)因素：1.改善齒根強(qiáng)度， 2.是調(diào)整裝配中心距， 3.是利于修正齒形干涉 4. 調(diào)整滑動(dòng)慮實(shí)之接近或想等。另變位系數(shù)的選擇時(shí)要考慮與模數(shù)相結(jié)合，防止因變位系數(shù)過大導(dǎo)致齒形變形過大。一般來說變位系數(shù)的選取。范圍是：、-m/2m/2 。原

14、則是：小齒輪選正變位系數(shù)，大齒輪選負(fù)變位系數(shù)，兩者之和最好位正。4.15 齒頂高系數(shù)在塑料齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，齒頂高系數(shù)可以根據(jù)使用狀況選擇長齒制（ha>1），正常齒制（ ha=1）和短齒制（ ha<1）。長齒制利于提高齒輪副的重合度，降低噪音，提高承載能力；短齒制則重在提高齒根的彎曲強(qiáng)度。4.16 頂隙系數(shù)頂隙的主要作用是利于滑動(dòng)油的流動(dòng)，并避免兩齒之間的碰撞。在金屬小模數(shù)齒輪設(shè)計(jì)中規(guī)定頂隙系數(shù)為c=0.25。由于塑料齒輪多工作在無潤滑的環(huán)境中，而且某些齒輪具有自潤滑性能，故頂隙的選擇根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，推薦頂隙系數(shù)的選擇范圍是：c=0.10.35 . 大模數(shù)選擇小頂隙系數(shù)。小模數(shù)選擇

15、大頂隙系數(shù)。4.17 傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)只要包括重和度和滑動(dòng)率。在塑料齒輪副設(shè)計(jì)時(shí)，由于塑料是一種彈性體材料，它組合了固體的彈性和液體的黏性特征，在承載運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒型變形受加載方式、溫度、濕度的影響較大，故而，推薦重合度適當(dāng)取大一些，而滑動(dòng)率數(shù)值比較接近即可。4.18 輪公差選取原則目前，國內(nèi)對(duì)塑料齒輪精度還沒有成文的標(biāo)準(zhǔn)可以參考。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)齒輪公差（不含齒形檢測公差）的選擇多以經(jīng)驗(yàn)為主。下面我們以表格的形式給出齒輪常用公差的選取原則，如表 1 所示。尺寸名稱齒頂圓直徑齒頂圓跳動(dòng)公法線長度中心距表 1 塑料齒輪公差選取原則公差選取原則以負(fù)偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負(fù)值一般取

16、 0.05mm以負(fù)偏差為主，即上偏差為 0，下偏差為負(fù)值。以正偏差為主，即上偏差為正值， 負(fù)偏差為 0。示例Da0/-0.05Wk+0/-0.05a0+0.05/0注：（1）表中 13 的尺寸公差可參考JIS 等相關(guān)的齒形精度標(biāo)準(zhǔn)；（ 1）嚙合齒輪副中心距公差選取的主要目的是：在保證齒輪正確嚙合的前提下便于齒輪的裝配。此公差選取的經(jīng)驗(yàn)公司為：ámin=a+0.05m，á為嚙合齒輪副的實(shí)際中心距； a 為嚙合齒輪副的理論中心距； m 為齒輪副模數(shù)。4.2 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塑料齒輪本質(zhì)上是一塑膠結(jié)構(gòu)件，只是其主要功能用于動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。因此，塑料齒輪結(jié)構(gòu)必須遵循傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)和塑料

17、結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的規(guī)律進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同，塑料齒輪可以分為傳動(dòng)和輔助結(jié)構(gòu)兩大部分。其中，傳動(dòng)部分是指輪齒，輔助部分包括輪櫞，腹板，輪和加強(qiáng)筋四本份。塑料齒輪結(jié)構(gòu)如圖4 所示。塑料結(jié)構(gòu)圖圖 44.21 輪齒設(shè)計(jì)輪齒是實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的重要工作部分，是整個(gè)齒輪的核心。輪齒設(shè)計(jì)應(yīng)該注意兩個(gè)方面：一是齒形修正，二是平衡齒厚。4.2 齒形修正塑料齒輪采用模塑法家工時(shí)，齒形成型依靠模具型腔的形狀來保證。由于型腔多采用線切割方式加工，因此不存在金屬齒輪加工中的根切現(xiàn)象。但沒有根切并不意味著齒形不會(huì)產(chǎn)生干涉，所以要保證塑料齒輪擁有良好的嚙合齒廓就必須進(jìn)行齒形的修正。這也是輪齒設(shè)計(jì)必須重視的問題。4.

18、23 平衡齒厚當(dāng)兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)，由于兩個(gè)齒輪齒數(shù)不等而模數(shù)和壓力角相等，導(dǎo)致計(jì)算出來的兩個(gè)齒輪齒根部分寬度相差特大。這樣在齒輪副承載運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒根寬度較小的小齒輪成為該齒輪副的強(qiáng)度最弱處。為避免這一現(xiàn)象，我們可以通過調(diào)整變?yōu)橄禂?shù)和齒形修正等方法使兩個(gè)齒輪的齒根寬度比較接近或相等。若采用調(diào)整變位系數(shù)來調(diào)整平衡齒厚，則可以讓小齒輪正變位，大齒輪負(fù)變位來實(shí)現(xiàn)。這種平衡齒厚的塑料齒形在PGT塑料齒形中是常見的。4.24 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則是： 在保證齒輪整體強(qiáng)度的前提下，力求整體結(jié)構(gòu)壁厚均勻，以利于注塑生產(chǎn)。為便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們選取齒輪齒厚作為標(biāo)稱壁厚 （T），輔助結(jié)構(gòu)的壁厚

19、都以標(biāo)準(zhǔn)壁厚為基準(zhǔn)進(jìn)行選擇。輔助結(jié)構(gòu)的壁厚選擇經(jīng)驗(yàn)公司如表2 所示。表 2 塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)名稱符號(hào)壁厚計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式輪緣厚度RR=(1.253)T腹板厚度W最佳取值： W=R；若考慮強(qiáng)度因素，則W （1.253）R輪設(shè)計(jì)H最佳取值： H=R；若考慮強(qiáng)度因素，則 H（ 1.253） R加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)RbRbT另外，塑料齒輪不同結(jié)構(gòu)過渡處圓角的取值也應(yīng)考慮壁厚是否均勻的問題。對(duì)過渡處倒圓角時(shí)可以可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取值。一般：壁厚為t則內(nèi)圓角 R1=0.5t; 外圓角 R2=1.5t。4.25 齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)主要是指對(duì)齒輪力學(xué)指標(biāo)的校核計(jì)算。塑料齒輪主要有表面磨損、熱失效和輪齒過載折斷三

20、種失效形式，由于塑料為粘彈性材料，溫度對(duì)塑料的強(qiáng)度等力學(xué)性能具有很大影響，故而溫度在塑料齒輪失效影響因素中占主導(dǎo)地位，所以塑料齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是溫度，二是強(qiáng)度。4.3 溫度估算塑料齒輪工作中熱量產(chǎn)生主要來源有兩個(gè)：一是摩擦生熱，二是滯后能耗生熱。對(duì)塑料齒輪工作時(shí)的輪齒溫度計(jì)算可以采用， Henri Yelle 提出的無了潤滑狀態(tài)輪齒溫度 計(jì)算公司： T=Ta+kwxvy, T 為輪齒溫度， Ta 為周圍環(huán)境溫度， k、x、y 為材料相關(guān)系數(shù)， w、v 代表切向力和節(jié)圓線速度。該方向是在綜合考慮速度、 載荷和周圍環(huán)境的影響下給出的，可以用來估算塑料齒輪工作時(shí)齒輪的工作溫度。

21、顯然，該方法計(jì)算出的溫度值偏大，但對(duì)設(shè)計(jì)而言是可以采用的。4.4 強(qiáng)度校核由于塑料與金屬材料本質(zhì)上存在較大的差異，所以完全搬金屬齒輪的強(qiáng)度校核方法來校核塑料齒輪是不可取的。目前，對(duì)塑料齒輪強(qiáng)度校核的方法還為形成統(tǒng)一成熟的理論方法。在此，本文僅列出直齒圓柱齒輪的校核公式，以供大家設(shè)計(jì)參考。公式如下：五塑料齒輪材料的選用5.1 塑料齒輪常用塑料性能塑料齒輪常用的五大工程塑料為 PA、PC、 POM、PBT、PPO、以下一一介紹其特性及用途。PA， 比重輕，高抗拉強(qiáng)度，耐磨，自潤滑性好，沖擊韌性優(yōu)異，具有剛?cè)峒鎮(zhèn)涞男阅?，可以加工成各種制品來代替金屬，但存在吸濕性大，尺寸穩(wěn)定性差等缺陷。用于要求不是很高的傳動(dòng)件。PC，具有突出的沖擊韌性，透明性和尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，適用溫度范圍寬，良好的耐蠕變性，低吸水性等優(yōu)點(diǎn)。但不