沈亞強(qiáng)，趙 凱，李 巖，辛 棟，曹 偉

（1.深圳市兆威機(jī)電股份有限公司，廣東 深圳 518105；2.鄭州大學(xué) 橡塑模具國(guó)家工程研究中心，河南 鄭州 450002）

0 引 言

高轉(zhuǎn)速下，齒輪精度對(duì)傳動(dòng)噪音有至關(guān)重要的影響，齒輪精度越高噪音越低。越來越多的塑料齒輪應(yīng)用于電動(dòng)窗簾、掃地機(jī)器人等低噪音要求的產(chǎn)品，為降低傳動(dòng)噪音，對(duì)塑料齒輪的精度要求也越來越高[1]。塑料齒輪因在注射成型過程中易發(fā)生非均勻收縮而降低齒形精度，需要對(duì)模具型腔齒形進(jìn)行修正以提高齒輪成型精度[2]。當(dāng)塑料齒輪齒寬兩端壁厚不均或腹板偏置時(shí)，容易出現(xiàn)齒輪兩端大小不一樣的現(xiàn)象，稱之為大小頭。當(dāng)齒輪出現(xiàn)大小頭時(shí)，傳動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)齒寬一端承受載荷而另一端不承受載荷的情況，不僅會(huì)縮短塑料齒輪輪齒的使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音問題[3]。

現(xiàn)以某塑料直齒輪為例，采用MoldFlow 分析軟件對(duì)其產(chǎn)生大小頭的原因進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)收縮率和變模數(shù)法計(jì)算型腔前后模面的齒形參數(shù)，并采用線切割加工型腔板的錐度以消除成型齒輪的大小頭，結(jié)果證明該方法可有效解決塑料直齒輪大小頭的問題，提升齒輪成型精度。

1 齒輪參數(shù)及成型問題

研究對(duì)象為某塑料雙聯(lián)齒輪中的小齒輪，材料為POM Delrin 100P，模數(shù)為0.75 mm，壓力角為20°，齒數(shù)為15，齒形精度要求為ISO 1328 9級(jí)，模具澆注系統(tǒng)采用單個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)澆，如圖1所示。

圖1 雙聯(lián)齒輪三維模型

按照變模數(shù)法進(jìn)行初始型腔齒形參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1所示，使用齒形繪制軟件，根據(jù)型腔齒形參數(shù)繪制CAD 齒形，如圖2 所示，再根據(jù)所繪制的CAD 齒形，采用線切割方法加工齒形型腔。

表1 初始型腔齒形參數(shù)

圖2 最終產(chǎn)品與初始模具型腔齒形

使用該型腔齒形參數(shù)進(jìn)行模具型腔板加工及注射成型，利用檢測(cè)工具對(duì)齒輪樣件的單個(gè)輪齒進(jìn)行不同高度方向的齒形誤差檢測(cè)，測(cè)量時(shí)采用動(dòng)模側(cè)向上的方式裝夾，如圖3 所示。檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，其中數(shù)字代表高度方向位置（1 為上端面，10為下端面），字母代表齒廓位置（A 為齒根處，J 為齒頂處）。從圖4可以看出，齒輪呈現(xiàn)上端大下端小的現(xiàn)象，其中螺旋線傾斜偏差（fHβ）值為10.7 μm，精度為ISO 1328 N7級(jí)，在不同高度各層處的齒廓傾斜偏差也不相同，左齒面的齒廓傾斜誤差（fHα）最大值為7.2 μm，最小值為-3.7 μm，總體齒形精度為ISO 1328 N7，右齒面齒廓傾斜誤差（fHα）最大值為6.8 μm，最小值為-4.5 μm，總體齒形精度為ISO 1328 N7級(jí)。

圖3 產(chǎn)品齒形精度測(cè)量裝夾

2 產(chǎn)生大小頭的原因分析

為了分析齒形大小頭產(chǎn)生的原因，采用Mold-Flow 軟件對(duì)注射成型過程進(jìn)行模擬分析。預(yù)測(cè)翹曲變形分析結(jié)果如圖5 所示，從圖5 的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模流分析的翹曲變形結(jié)果與實(shí)際結(jié)果趨勢(shì)一致。收縮前后齒輪外徑的變化，可通過以下公式計(jì)算上下端面的收縮率。

其中，S 為收縮率；Da,0為收縮前齒輪齒頂圓直徑,mm；D'a為收縮后齒輪齒頂圓直徑，mm。

齒形收縮前齒輪齒頂圓直徑為φ13.668 mm，收縮后上端面的齒頂圓直徑為φ13.559 mm，收縮后下端面的齒頂圓直徑為φ13.518 mm，上下端面齒頂圓直徑的差異為0.041 mm。經(jīng)計(jì)算，齒輪上端面的收縮率為0.8%，下端面的收縮率為1.1%，收縮率差異為0.3%，導(dǎo)致齒輪呈現(xiàn)大小頭現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步分析造成大小頭現(xiàn)象的形成機(jī)理，對(duì)保壓時(shí)間結(jié)束時(shí)的產(chǎn)品溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖6所示，齒輪上端中心溫度為117.0 ℃，下端中心溫度為91.78 ℃，上端溫度較下端溫度高約25 ℃。該材料的熱膨脹系數(shù)為1.1×10-4/K，對(duì)于齒頂圓直徑φ13.668 mm、溫差25 ℃時(shí)，上下端面因熱膨脹效應(yīng)而導(dǎo)致的尺寸差異為0.037 5 mm，此計(jì)算結(jié)果與翹曲變形得到的結(jié)果一致，表明溫度分布不均是造成大小頭現(xiàn)象的根本原因。通過試驗(yàn)證明，調(diào)整模具溫度、保壓壓力、冷卻時(shí)間等注射工藝參數(shù)均無(wú)法解決齒形大小頭的問題。

圖6 溫度場(chǎng)分析結(jié)果

3 改善齒形大小頭的方法

當(dāng)通過修改注射工藝參數(shù)無(wú)法解決齒形大小頭問題時(shí)，對(duì)型腔板進(jìn)行反向修正是唯一的方法。為了修正齒形精度，可通過調(diào)整上下端面的齒頂圓直徑、齒根圓直徑和齒厚的方式進(jìn)行反向修正，模數(shù)和壓力角參數(shù)保持不變。根據(jù)初始型腔齒形參數(shù)和產(chǎn)品的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的齒頂圓直徑、齒根圓直徑、公法線長(zhǎng)度的實(shí)際收縮率，如表2所示。

表2 初始型腔齒形參數(shù)及產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果

在不改變初始型腔壓力角和模數(shù)的情況下，根據(jù)計(jì)算得到的實(shí)際收縮率，分別計(jì)算齒頂圓直徑、齒根圓直徑和公法線長(zhǎng)度，結(jié)果如表3所示，分別繪制型腔定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的CAD齒形，如圖7所示。

采用該齒形修正結(jié)果進(jìn)行型腔板加工及注射成型，并對(duì)樣件進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，雖然其螺旋線傾斜偏差值（fHβ）得到了較大改善，由初始的10.7 μm 減小到2.4 μm，但在不同高度各層之間齒廓傾斜偏差值（fHα）仍存在較大的差異，僅通過修正上下端面的齒頂圓直徑、齒根圓直徑和公法線長(zhǎng)度，無(wú)法解決因收縮不均導(dǎo)致的齒廓精度問題。

表3 修正型腔定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)齒形參數(shù)

圖7 修正后定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)齒形

為了進(jìn)一步修正齒廓傾斜偏差，根據(jù)上下端面的齒廓傾斜偏差計(jì)算定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的實(shí)際模數(shù)，并根據(jù)初始型腔的模數(shù)和實(shí)測(cè)產(chǎn)品模數(shù)計(jì)算定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的模數(shù)收縮率，如表4 所示。根據(jù)變模數(shù)法計(jì)算定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的齒形參數(shù)如表5 所示，再分別繪制CAD齒形，如圖9所示。

帶有錐度的型腔板采用高精密線切割加工，線切割上下機(jī)頭分別按照型腔定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的齒形控制切割絲的加工路徑，實(shí)現(xiàn)錐度型腔板的加工。為了保證模具型腔齒形加工精度和表面粗糙度，采用一次粗加工后再進(jìn)行5次精加工。

采用修正后的模具進(jìn)行注射成型，并對(duì)樣件進(jìn)行精度檢測(cè)，其齒形檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。從圖10檢測(cè)結(jié)果可以看出，齒輪大小頭問題得到了解決，其中螺旋線傾斜偏差值（fHβ）為1.9 μm，精度為ISO 1328 N2 級(jí)。在不同高度各層之間齒廓傾斜偏差值差異較小，右齒面的齒廓傾斜誤差（fHα）最大值為2.3 μm，最小值為0.3 μm，總體齒形精度為ISO 1328 N5，左齒面齒廓傾斜誤差最大值為-0.3 μm，最小值為-3.9 μm，總體齒形精度為ISO 1328 N4級(jí)，齒輪的齒形精度得到了較大的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖10 齒廓修正后產(chǎn)品齒形精度檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)某塑料齒輪的大小頭問題，應(yīng)用MoldFlow軟件分析了產(chǎn)生該問題的原因，計(jì)算了定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)端面的收縮率，根據(jù)收縮率和變模數(shù)法計(jì)算型腔前后模面的齒形參數(shù)，采用線切割加工錐度型腔板的齒形修正技術(shù)解決成型齒輪大小頭的問題，并用線切割機(jī)加工錐度型腔板。實(shí)際結(jié)果表明，該方法不僅解決了齒形大小頭的問題，還將齒向精度由ISO 1328 N7 級(jí)提高到ISO 1328 N2 級(jí)，齒形精度由ISO 1328 N7提高到了ISO 1328 N5級(jí)。