微型小齿轮的制造
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目前,在驱动电机方面,已能制造出转子直径为0.5mm、外径为几毫米的微型电机。但是由于这种微型电机速度高、扭矩小,要充分发挥其性能,则需在电机和负载(执行元件)之间加入传动比为几百的微型减速器。而在各种传动机构中,齿轮传动是最为常用的。因此,要使减速器微型化,有必要实现齿轮的微型化。
下面对微型齿轮的制造方法、小笠原株式会社的小型齿轮和其加工刀具的有关机械加工技术予以介绍。

微型齿轮的制造方法

  1. 滚刀滚削加工
    通常采用滚刀在滚齿机上切制齿轮。微型齿轮(m0.1以下)滚齿加工时,滚刀的齿形必须进行微加工。因为齿形微小,除滚刀齿形误差外,滚刀的孔径跳动、端面跳动、周节等误差都将对微型齿轮的精度有很大的影响。而加工用的滚齿机、工件主轴、刀具主轴、工件分度机构及工件夹具等诸多方面的精度、刚度以及滚刀和工件的安装精度等等,都会影响微型齿轮的制造精度,因此,有必要提高制造系统总的综合精度。在此基础上,再选择易切削的材料,就可较容易地实现批量生产模数相同、品种不同的微型齿轮。
  2. 注射成型塑料齿轮
    利用注射成型法加工的塑料齿轮,由于能在短时间内实现大批量生产,因此多用于办公室机器、家用电器等较轻载荷下使用的齿轮。近年来,在注射成型技术不断提高、注塑材料性能不断改进的同时,注塑成型齿轮的精度也大幅提高,注塑齿轮用模具的精度和注射成型技术均为影响注射成型法的重要因素。在制作模具时,主要采用线切割和电火花加工。但由于所使用的线径、成型电极的放电间隙等因素的影响,限制了微型齿轮模具精度的提高。模具也可采用电铸方法制造。电铸所用的基准齿轮,采用切削或磨削加工可提高其精度。基准件齿轮可电镀加厚。通过化学溶解,由阳(凸)的基准件得到阴(凹)的模具。因基准件齿轮的精度高、电镀处理不会产生变形等原因,因此有可能制作出精度较高的微型齿轮模具。由于采用基准件,借助化学溶解法,可以加工出形状复杂的模具来,除直齿轮、斜齿轮外,锥齿轮、端面齿轮、蜗杆、蜗轮等各种不同类型的模具都能制造。使用高精度模具,使塑料微型齿轮的大规模生产成为可能。但由于其齿形小、受力容易变形等原因,在大载荷传动且传动精度要求高的场合,采用强度大的金属齿轮更为有利。
  3. 金属烧结制作法
    金属粉末在模具中高压成型后,进行高温烧结固化而成的烧结金属齿轮(粉末冶金齿轮),其机械强度比塑料齿轮高,在中等载荷条件下使用。模具成型法适于大批量生产。但模具成形后,经过高温烧结,变形很大,因此要达到必要的精度,在烧结后齿轮还要进行精加工。由于齿形微小,微型齿轮的精加工比较困难,加之金属粉末的金属颗粒较大,从而限制了其形状精度和表面光洁度的提高。成型模具若采用上文注射成型塑料齿轮中所提到的基准齿轮电极电解加工方法,其加工出的齿轮精度就有可能提高。
  4. 其它制造方法
    采用半导体制造法、光蚀法或激光加工法均可制造微型齿轮。光蚀法可以试制出几十微米大小的微型齿轮,拉刀可以拉制内齿轮等。今后微型齿轮的需求越来越多,新的制造方法和批量生产技术也将不断出现。

微型齿轮的试制

小笠原株式会社采用公司现有的滚刀切削加工技术,进行了可能达到的最小模数微型齿轮的试制。
使用滚刀的主要参数:模数m:0.01,压力角a:20°,齿沟数:12,外径OD:Ø25mm,内孔直径:Ø10mm,滚刀宽度:8mm,材质:硬质合金。
滚刀精度:按公司3A级滚刀精度制造。蔡司公司的万能工具显微镜(UMM200)测量齿轮;端面跳动等用公司的无线电测微仪ESM-01测量。
试制微型齿轮的主要参数:模数m:0.01,压力角a:20°,齿型:渐开线,齿数Z:100,外径OD:Ø1.02mm,材质:B.S。
由于接触式齿轮测量仪不能测量m0.3以下的齿轮,故在200倍投影仪上用放大图来检测,该测量方法的齿形精度可达2~3µm。使用高精度滚刀和改造的高精度滚齿机,可将滚刀和工件的安装精度控制在1µm以内。对制造出的微型齿轮进行检测,结果表明,滚切加工能够用来制造高精度微型齿轮。
为了进一步研究微型齿轮的实用价值,进行了微型齿轮副啮合损耗的测量。试验结果表明,在适当的润滑方式下,其结果和普通尺寸的齿轮处于同等水平。

采用微型端面齿轮试制端齿减速器

对微型齿轮啮合效率的测量,证实了它有实用化的可能性,继而利用微型端面齿轮和小齿轮试制了变异行星齿轮减速器。由于微型化后机械零件的加工精度相对变差,因而需使所开发的微型减速器的机构对精度不敏感。为此,减速器各个零件的轴向位置将根据齿轮啮合部位调节的状况而定。试制的减速器利用轴向位置调整实现了无侧隙传动。
试制减速器所采用齿轮的参数如下:m:0.05,a:20°,Z1:100,Z2:21,Z3:102,Z4:100(Z1、Z3、Z4是端面齿轮,Z2是小齿轮),外径:Ø6.6mm,全长:7.4mm,减速比约为1∶101,传递扭矩、减速比与总功率的关系式如下:
输入扭矩:ti=1
输出扭矩:to=(h1h2Z4/Z1+h2h3Z4/Z3)/(1-h2h3Z4/Z3),
速比:µ=(Z4/Z1+Z4/Z3)/(1-Z4/Z3)=101
总效率:[(1-Z4/Z3)/(Z4/Z1+Z4/Z3)]×(h1h2Z4/Z1+h2h3Z4/Z3)/(1-h2h3Z4/Z3)=0.425(式中h1h2h3=0.987)

加工内齿轮用拉刀的试制

内齿轮通常采用插齿加工,但小直径插齿刀因切削阻力大,刀具强度不够,故不适于微型内齿轮的加工;如采用线切割加工或电火花加工,则因受线径或放电间隙的制约,难以制造微型齿轮,也不适于批量生产。比较可行的方法是制造出与产品内齿轮参数相同的拉刀,用其来拉制出内齿轮。拉刀的精度将复映于被拉制的内齿轮,因此生产精度较好的内齿轮是可行的。
试制的内齿轮拉刀的参数为:m:0.14,a:20°,Z:74,切削刃数:70,全长:170mm。其精度采用200倍投影仪检测,齿形误差仅为几微米,具有实用精度。

蜗杆和蜗轮的试制

蜗杆蜗轮减速器用在高速比、输入输出轴不平行的场合,非常有效。公司采用切削加工的方法试制了小模数的蜗杆和与其配对的、用作蜗轮的斜齿轮。
试制蜗杆的参数:m:0.03,a:20°,头数:1,外径:Ø0.5mm。试制出的蜗杆、斜齿轮各项精度经蔡司万工显(UMM200)检测,误差都在数微米以内,验证了用切削的方法制造微型蜗杆、蜗轮是可行的。如加工中所使用的刀具、加工机床、夹具等满足了高精度加工条件的要求,那么用切削或磨削加工各种不同类型的微型齿轮是可行的,这已得到了验证。
对模数为0.01以下的齿轮进行切削或磨削加工的可能性尚处于探索阶段,而在制造微型齿轮的基础上,实现超微型齿轮的制造、实用化,将是今后的重要课题。由于极小化零件的加工精度相对较差,因而在机构设计时,需考虑对精度不敏感的构件进行调整。
本文作者:谢华锟(编译)
原载:《工具展望》2005年第1期
上载于:2007-4-13 13:14:18

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