塑料齒輪的設(shè)計(jì)和制造說明

1、25/25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、工作噪音小、耐磨損、無須潤(rùn)滑、能夠成型較復(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?gòu)?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)的進(jìn)展，塑料齒輪的精度越來越高，壽命也越來越長(zhǎng)，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

2、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)制品齒輪就必須由專門母齒輪制作專門的陰模。專門的母齒輪就需專門的切齒刀來加工。通常方法：（1）專門模數(shù)的切齒刀具（2）加上成型收縮率的余量用專門壓力角的切齒道具（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）專門模數(shù)的切齒刀具制作一個(gè)專門模數(shù)的切齒刀具，其壓力角為標(biāo)準(zhǔn)壓力角。在制作那個(gè)切齒刀具時(shí)必須考慮

3、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，然后用那個(gè)專門刀具來加工母齒輪。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)成型收縮率與依照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依照那個(gè)方法制作出來的齒輪能得到比較正確的齒形 。但時(shí)刻長(zhǎng)，成本較高。(2) 加上成型收縮率的余量用專門壓力角的切齒道具 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/d2 a1: 加工齒輪模型用的切齒刀具的壓力角d1:

4、差不多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: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）因此 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)

5、的大。然而由于使用的是標(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移問題時(shí)，那個(gè)方法比較簡(jiǎn)單常常被采納。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不。（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，因此，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。假如所用材料成型收縮率專門小的話，以及分度圓本身專門小，側(cè)此方法特不使用。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納含鈹量為2.52.75的鈹銅合金。由于鑄造時(shí)的收縮率為0.20.3因此

6、制作母模時(shí)需考慮到里面去。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到里面去。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。電極材料能夠?yàn)椋篢cu CuW BsBm 。母齒輪的精度直接阻礙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)。一般來講，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

7、收縮率考慮到里面去。一般采納慢走絲切割，加工間隙一般為0.020.05mm。可加工斜齒輪和正齒輪（4）電鑄法加工 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)刻比較長(zhǎng)。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)刻。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)量直接阻礙到制品的精度和同心度。一般來講 采納多針點(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)，盡可能采納大些的點(diǎn)水口。另，中心針的固定和分度圓的

8、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)阻礙制品精度。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=20j表12 PA66直齒圓柱齒輪注塑成型精度齒輪參數(shù)陰模制作方法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=20AJIS2JIS3JIS3*JIS5*JIS8同上BJIS2JIS4JIS4JIS2JIS5同上CJIS3JIS4JIS3JIS2JIS3M=1,Z=40,B=10mm,a=20DJI

9、S3-4JIS4-5JIS4-5M=1.5,z=40,b=7mm,a=20EJIS4JIS5JIS3M=2.5,Z=20,B=10mm,a=20DJIS5JIS6JIS4注： *記號(hào)誤差大是受壓力角誤差的阻礙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，然后采納電火花加工法來制作陰模。B：將成型收縮率可能在內(nèi)的專門模數(shù)刀具來制作母齒輪，然后采納電火花加工法來制作陰模。C：采納線切割法制作陰模。D：用將成型收縮率及鈹銅的成型收縮率可能在內(nèi)的專門模數(shù)工具刀制作母齒輪，然后采納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)刀具制作母齒輪阻礙齒輪精度的要緊

10、因素有；陰模精度，注塑工藝，模具及制品結(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(cè)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)用于小功率周密傳動(dòng)系統(tǒng)中，其傳遞的力矩相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)特不緊湊。鑒于常用塑膠齒輪多為漸開線小模數(shù)（m1），正常齒制（ha=1）和短齒制（ha1）。長(zhǎng)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) 頂隙的要緊作用是利于滑動(dòng)油的流淌，并幸免兩齒之間的碰撞。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(rùn)滑的環(huán)境中，而且某些齒輪

11、具有自潤(rùn)滑性能，故頂隙的選擇依照實(shí)際情況進(jìn)行選擇，推舉頂隙系數(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、濕度的阻礙較大，故而，推舉重合度適當(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(guó)內(nèi)對(duì)塑料齒輪精度還沒有成文的標(biāo)準(zhǔn)能夠參考。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)齒輪公差（不含齒形檢測(cè)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。表1塑

12、料齒輪公差選取原則尺寸名稱公差選取原則示例齒頂圓直徑以負(fù)偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負(fù)值Da0/-0.05齒頂圓跳動(dòng)一般取0.05mm公法線長(zhǎng)度以負(fù)偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負(fù)值。Wk+0/-0.05中心距以正偏差為主，即上偏差為正值，負(fù)偏差為0。 a0+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)；嚙合齒輪副中心距公差選取的要緊目的是：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：min=a+0.05m，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，只是其要緊功能

13、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)。依照結(jié)構(gòu)功能不同，塑料齒輪能夠分為傳動(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 塑料齒輪采納模塑法家工時(shí)，齒形成型依靠模具型腔的形狀來保證。由于型腔多采納線切割方式加工，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可不能產(chǎn)生干涉，因此要保證塑料齒輪擁有良好

14、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。4.23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。如此在齒輪副承載運(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。為幸免這一現(xiàn)象，我們能夠通過調(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。若采納調(diào)整變位系數(shù)來調(diào)整平衡齒厚，則能夠讓小齒輪正變位，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

15、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R R=(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)能夠能夠依照實(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)要緊是指對(duì)齒輪力學(xué)指標(biāo)的校核計(jì)算。塑料齒輪

16、要緊有表面磨損、熱失效和輪齒過載折斷三種失效形式，由于塑料為粘彈性材料，溫度對(duì)塑料的強(qiáng)度等力學(xué)性能具有專門大阻礙，故而溫度在塑料齒輪失效阻礙因素中占主導(dǎo)地位，因此塑料齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)要緊考慮兩個(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)生要緊來源有兩個(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)算能夠采納，Henri Yelle 提出的無了潤(rùn)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)境的阻礙下給出的，能夠用來估算塑料齒輪

17、工作時(shí)齒輪的工作溫度。顯然，該方法計(jì)算出的溫度值偏大，但對(duì)設(shè)計(jì)而言是能夠采納的。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，因此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，以供大伙兒設(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(rùn)滑性好，沖擊韌性優(yōu)異，具有剛?cè)峒鎮(zhèn)涞男阅?，能夠加工成各種制品來代替金屬，但存在吸濕性大，尺寸穩(wěn)定

18、性差等缺陷。用于要求不是專門高的傳動(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)。但不具潤(rùn)滑性，耐磨性較差。要緊應(yīng)用與玩具等輕載或短期工作的塑料齒輪。POM，高剛性，高熔點(diǎn)，減摩，耐磨，自潤(rùn)滑，耐疲勞，耐藥品性能優(yōu)異，制品剛性，彈性，和尺寸穩(wěn)定性好。相對(duì)其它工程塑料價(jià)格低廉，但存在韌性差，縮水率大，缺口沖擊強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。適合制作尺寸精度要求周密的，配合要求高的零部件。要緊用于各種周密度的小模數(shù)齒輪等。PBT，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，突出的耐化學(xué)性，耐熱性和優(yōu)良的電性能，被廣泛引用于電子，電氣和汽車工業(yè)中。 PPO， 具有優(yōu)良的機(jī)械性能，耐熱性和電氣絕緣性，吸濕性低，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，高溫下耐蠕變性是所有熱縮性工程塑料中最優(yōu)異的，應(yīng)用于微波爐器皿等小型家電器具等方面。 PEEK 是一種半晶態(tài)的高分子聚合物。具有耐高溫，耐磨損，耐化學(xué)腐蝕，低噪音，低吸濕性，高韌性，和耐沖擊性及高強(qiáng)度等特性。然而價(jià)格昂貴。常用于飛機(jī)及武器等的傳動(dòng)部件。通常同一塑料材料配對(duì)的齒輪