如何成功制造注塑齒輪

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注塑齒輪與機加工齒輪相比，除了利用漸開線共軛來傳遞運動這一點相同外，幾乎沒有其它共同之處。這兩種齒輪具有本質(zhì)上的區(qū)別。機加工齒輪是在為特定加工任務而設計的專用齒輪機床上切削加工至規(guī)定尺寸；注塑齒輪則是在齒輪模腔中注塑成形，該模腔通常用線切割放電加工機床（EDMs）加工而成。注塑齒輪模腔的尺寸大小可保證注模后經(jīng)冷卻收縮的注塑齒輪具有正確的尺寸公差。用一個模腔可以加工出上百萬個注塑齒輪。  齒輪切削加工制造商承擔的任務是按照公差要求切削加工出每一個齒輪。而注塑齒輪制造商面臨的任務則是制造出一個接近完美的齒輪模腔，然后用這個模腔加工出所有符合公差要求的齒輪。這一看來雖小但卻意義重大的差別導致了很多其它變化。這種差異在一旦決定采用注塑齒輪時就已形成。 注塑齒輪的設計  毫無疑問，注塑齒輪必須在模腔內(nèi)成形。這一事實導致了重要的后果。注模型腔和其中的軸類零件很難具有機械傳動機構(gòu)所能提供的精密公差。型腔和齒輪有可能隨著濕度和溫度的變化以不同的比率收縮或膨脹。隨著本地條件的不同，注塑齒輪的強度、硬度甚至傳動效率都將有所變化。在承載情況下，輪齒表面的溫度將會升高，從而影響塑料的特性。由于存在這些變量及其它一些因素，有必要對齒輪的輪齒進行定制設計。  注塑齒輪設計的優(yōu)勢體現(xiàn)在應用上。大部分注塑齒輪傳動都是獨一無二的。一個齒輪可以精確設計為只有與另一個配對齒輪嚙合時方能完成其指定功能。此外，注塑齒輪的優(yōu)化設計與制造幾乎不必考慮工具因素。  線切割放電加工機床制造的模腔，其精度取決于計算機輔助設計的精度。齒輪模腔的公差可達到微米級。事實上，不再需要傳統(tǒng)的滾刀，徑節(jié)或模數(shù)也不再是重要的技術參數(shù)。漸開線基圓成為重要的變量。壓力角能以模擬量方式進行調(diào)整，以平衡輪齒嚙合時強度與高度的關系。定制設計的齒輪與標準齒輪相比，在性能、安靜度以及允許公差方面都有很大的改進和提高。 齒輪注模裝置  經(jīng)過齒輪嚙合設計和制定公差后，下一步需要制作注模裝置。齒輪注模裝置必須精密，具有良好的熱穩(wěn)定性，經(jīng)過硬化的滑套和表面，精確的齒輪模腔形狀，以及設計高壓注射模。齒輪模腔本身必須根據(jù)選用的模具材料專門設計。  對于特定應用場合的注塑齒輪，由于受到許多因素的影響，無法精確預測其實際收縮量。其中最重要的因素是注塑齒輪在模腔中的收縮并非各向同性。齒輪主體的收縮情況可能與制造者的預測比較接近，但由于齒輪輪齒的周圍是鋼材，因此其冷卻形態(tài)與較大齒輪主體的宏觀冷卻形態(tài)不同。  確定收縮量的一個較好方法是二步趨近法。預先估計齒輪的收縮系數(shù)，據(jù)此制成注塑模具并加工出首批齒輪后，對齒輪樣件的漸開線齒廓進行精密測量，以確定各部分的收縮率，然后根據(jù)測得的收縮率重新制作新的模腔，最后就可以得到幾何精度合格的注塑齒輪。只有通過對齒廓的檢測，才能精確確定漸開線的收縮率。通過對齒輪的滾動檢測，可以得知齒輪不均勻收縮的某些狀況，但有時也會引起誤導。  有時可選用玻璃填充材料來制造注塑齒輪，由于這種材料收縮率很低，此時收縮現(xiàn)象不再成為注模設計中的問題。但這種方法也可能引起新的問題。未填充玻璃的工程樹脂如尼龍和乙縮醛，雖然存在收縮，但能注模加工出非常精密的形狀。而玻璃填充材料在注塑流前面匯合處會產(chǎn)生搭接線，它將引起輪齒表面變形以及在齒輪上產(chǎn)生一些局部薄弱點。一般來說，玻璃填充齒輪與未填充玻璃的同等齒輪相比，在壽命期內(nèi)更易磨損。填充材料通常只用于有特殊需要的場合，如當齒輪超重將成為問題時。 齒輪注模工藝  各種注模工藝和注模機械都不盡相同。齒輪注模工藝對精確性和重復性要求較高。一般來說，高精度齒輪需要用新樹脂制造。但即使使用新樹脂，材料仍須具有合適的干燥度，其熔化溫度必須精確控制并可重復，注塑壓力也必須精確控制。還必須考慮注模裝置與注模工藝過程控制的協(xié)調(diào)一致。  當在高溫高壓下進行注模加工時，熔化的塑料必須取代模腔中的空氣。因此必須設立可讓空氣排出而樹脂又不會流出的排氣口。如果排氣口太小，氣體排出不暢，可能會引起燃燒；如果排氣口太大，熔化的塑料將會流出，并在零件上形成飛邊。  建議注塑齒輪用戶在最終簽訂合同之前去訪問一□□□塑齒輪加工廠。大致考察一□□□模設備情況、工廠的清潔程度、檢測能力和人員配備等，這將有助于正確評價該廠是否具有成功進行注模加工和控制的潛在能力。例如，在一個沒有溫度控制的環(huán)境中是很難制造出精密注塑齒輪的。在濕度90%、溫度華氏100°的情況下加工精密注塑齒輪極其困難。 注塑齒輪的檢測  多年來，齒輪檢測技術不斷改進，以精確測定齒輪切削加工中產(chǎn)生的大部分誤差。漸開線齒廓的掃描測量通常只檢測一圈中的少數(shù)幾個齒。金屬齒輪在滾削、插削等齒輪機床上加工而成，各齒的齒形基本相同。而注塑齒輪則可能在齒輪任一齒面的某個位置上出現(xiàn)很大的個別誤差。更有甚者，模注工藝還可能引入許多與傳統(tǒng)機械加工不同類型的誤差。  由于任何注塑齒輪都要收縮，而漸開線齒廓是一種目標齒形，并不是一個給定數(shù)值。無論是采用徑節(jié)、模數(shù)、基節(jié)、壓力角或任何其它漸開線參數(shù)來控制齒輪幾何形狀，對于實際的加工零件而言，這些參數(shù)都是變量。對于這些變化的參數(shù)，有必要設定實際可行的公差。  能夠確定注塑齒輪尺寸合格（位于公差帶中）的唯一方法是掃描測量漸開線齒廓，確定齒輪的實際物理幾何尺寸。但可能存在以下情況：注塑齒輪的尺寸已完全超出公差要求，但滾動綜合檢測結(jié)果仍然合格。例如一個齒輪的齒廓檢測結(jié)果，其漸開線基圓已遠遠偏離了規(guī)定值。被測齒輪有64個齒，所用測量齒輪也有64個齒，滾動檢測中齒輪的同時嚙合齒數(shù)較多，測量結(jié)果中幾乎沒有一齒綜合偏差。這種齒輪雖然看起來較大，但基圓很小。由于齒輪的齒厚減薄，因此在滾動檢測中可以達到良好的技術指標。而一旦將這些注塑齒輪零件提供給用戶，與正確尺寸的金屬齒輪嚙合時就會立即失效。  為了防止出現(xiàn)這種誤差，必須對齒輪每一項標注公差的尺寸變量制定技術規(guī)范。其中一個獲得AGMA（美國齒輪制造商協(xié)會）認可的技術規(guī)范是最近才完成的《注塑齒輪檢測指南》。 注塑齒輪的建議技術參數(shù)  在AGMA系統(tǒng)中，采用齒輪的基圓幾何參數(shù)作為基本控制參數(shù)。間接的齒輪參數(shù)如徑節(jié)和壓力角等作為工作數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)分析時作為參考基準。  齒輪滾動檢測可認為是在批量生產(chǎn)中確保注塑齒輪質(zhì)量一致性的最好方法。它不僅表述了齒輪的綜合總誤差（TCE）或一齒綜合誤差（TTE），同時還能確定被測齒輪與測量齒輪嚙合的實際中心距是否位于指定的正負公差帶內(nèi)。這就提供了一種簡便的方法來確保注塑齒輪日常生產(chǎn)的一致性。對于一批樣本齒輪滾動檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以確定齒輪的總體形狀和絕對尺寸是否處于公差帶內(nèi)。滾動檢測對于注塑齒輪而言，更像是建立了一種滾動檢測合格驗證，并應確保每天生產(chǎn)的注塑齒輪都要符合這一驗證。  注塑齒輪的發(fā)展前景相當樂觀。材料不斷獲得巨大改進，注塑機械越來越精密，檢測設備已能對這些獨特的注塑齒輪進行高精度測量。將來，可以期待用注塑齒輪替代金屬齒輪應用于較輕載荷的傳動應用中。廠家們正在繼續(xù)尋找那些不能采用金屬齒輪，而塑料齒輪卻有用武之地的使用場合和領域。  為了進入這些新的潛在應用領域，必須正確實施每一個步驟，挖掘注塑齒輪的每一個優(yōu)點。其結(jié)果是將開發(fā)出性能優(yōu)異的新一代動力傳輸產(chǎn)品。 注塑齒輪與機加工齒輪相比，除了利用漸開線共軛來傳遞運動這一點相同外，幾乎沒有其它共同之處。這兩種齒輪具有本質(zhì)上的區(qū)別。機加工齒輪是在為特定加工任務而設計的專用齒輪機床上切削加工至規(guī)定尺寸；注塑齒輪則是在齒輪模腔中注塑成形，該模腔通常用線切割放電加工機床（EDMs）加工而成。注塑齒輪模腔的尺寸大小可保證注模后經(jīng)冷卻收縮的注塑齒輪具有正確的尺寸公差。用一個模腔可以加工出上百萬個注塑齒輪。  齒輪切削加工制造商承擔的任務是按照公差要求切削加工出每一個齒輪。而注塑齒輪制造商面臨的任務則是制造出一個接近完美的齒輪模腔，然后用這個模腔加工出所有符合公差要求的齒輪。這一看來雖小但卻意義重大的差別導致了很多其它變化。這種差異在一旦決定采用注塑齒輪時就已形成。 齒輪注模工藝  各種注模工藝和注模機械都不盡相同。齒輪注模工藝對精確性和重復性要求較高。一般來說，高精度齒輪需要用新樹脂制造。但即使使用新樹脂，材料仍須具有合適的干燥度，其熔化溫度必須精確控制并可重復，注塑壓力也必須精確控制。還必須考慮注模裝置與注模工藝過程控制的協(xié)調(diào)一致。  當在高溫高壓下進行注模加工時，熔化的塑料必須取代模腔中的空氣。因此必須設立可讓空氣排出而樹脂又不會流出的排氣口。如果排氣口太小，氣體排出不暢，可能會引起燃燒；如果排氣口太大，熔化的塑料將會流出，并在零件上形成飛邊。  建議注塑齒輪用戶在最終簽訂合同之前去訪問塑齒輪加工廠。大致考察模設備情況、工廠的清潔程度、檢測能力和人員配備等，這將有助于正確評價該廠是否具有成功進行注模加工和控制的潛在能力。例如，在一個沒有溫度控制的環(huán)境中是很難制造出精密注塑齒輪的。在濕度90%、溫度華氏100°的情況下加工精密注塑齒輪極其困難。 注塑齒輪的檢測  多年來，齒輪檢測技術不斷改進，以精確測定齒輪切削加工中產(chǎn)生的大部分誤差。漸開線齒廓的掃描測量通常只檢測一圈中的少數(shù)幾個齒。金屬齒輪在滾削、插削等齒輪機床上加工而成，各齒的齒形基本相同。而注塑齒輪則可能在齒輪任一齒面的某個位置上出現(xiàn)很大的個別誤差。更有甚者，模注工藝還可能引入許多與傳統(tǒng)機械加工不同類型的誤差。  由于任何注塑齒輪都要收縮，而漸開線齒廓是一種目標齒形，并不是一個給定數(shù)值。無論是采用徑節(jié)、模數(shù)、基節(jié)、壓力角或任何其它漸開線參數(shù)來控制齒輪幾何形狀，對于實際的加工零件而言，這些參數(shù)都是變量。對于這些變化的參數(shù)，有必要設定實際可行的公差。  能夠確定注塑齒輪尺寸合格（位于公差帶中）的唯一方法是掃描測量漸開線齒廓，確定齒輪的實際物理幾何尺寸。但可能存在以下情況：注塑齒輪的尺寸已完全超出公差要求，但滾動綜合檢測結(jié)果仍然合格。例如一個齒輪的齒廓檢測結(jié)果，其漸開線基圓已遠遠偏離了規(guī)定值。被測齒輪有64個齒，所用測量齒輪也有64個齒，滾動檢測中齒輪的同時嚙合齒數(shù)較多，測量結(jié)果中幾乎沒有一齒綜合偏差。這種齒輪雖然看起來較大，但基圓很小。由于齒輪的齒厚減薄，因此在滾動檢測中可以達到良好的技術指標。而一旦將這些注塑齒輪零件提供給用戶，與正確尺寸的金屬齒輪嚙合時就會立即失效。  為了防止出現(xiàn)這種誤差，必須對齒輪每一項標注公差的尺寸變量制定技術規(guī)范。其中一個獲得AGMA（美國齒輪制造商協(xié)會）認可的技術規(guī)范是最近才完成的《注塑齒輪檢測指南》。 注塑齒輪的建議技術參數(shù)  在AGMA系統(tǒng)中，采用齒輪的基圓幾何參數(shù)作為基本控制參數(shù)。間接的齒輪參數(shù)如徑節(jié)和壓力角等作為工作數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)分析時作為參考基準。  齒輪滾動檢測可認為是在批量生產(chǎn)中確保注塑齒輪質(zhì)量一致性的最好方法。它不僅表述了齒輪的綜合總誤差（TCE）或一齒綜合誤差（TTE），同時還能確定被測齒輪與測量齒輪嚙合的實際中心距是否位于指定的正負公差帶內(nèi)。這就提供了一種簡便的方法來確保注塑齒輪日常生產(chǎn)的一致性。對于一批樣本齒輪滾動檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以確定齒輪的總體形狀和絕對尺寸是否處于公差帶內(nèi)。滾動檢測對于注塑齒輪而言，更 像是建立了一種滾動檢測合格驗證，并應確保每天生產(chǎn)的注塑齒輪都要符合這一驗證。  注塑齒輪的發(fā)展前景相當樂觀。材料不斷獲得巨大改進，注塑機械越來越精密，檢測設備已能對這些獨特的注塑齒輪進行高精度測量。將來，可以期待用注塑齒輪替代金屬齒輪應用于較輕載荷的傳動應用中。廠家們正在繼續(xù)尋找那些不能采用金屬齒輪，而塑料齒輪卻有用武之地的使用場合和領域。  為了進入這些新的潛在應用領域，必須正確實施每一個步驟，挖掘注塑齒輪的每一個優(yōu)點。其結(jié)果是將開發(fā)出性能優(yōu)異的新一代動力傳輸產(chǎn)品。