CN108361352A - 一种柔性齿轮及其制造设备和制造方法 - Google Patents

一种柔性齿轮及其制造设备和制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性齿轮及其制造设备和制造方法，根据本发明的制造设备以及制造方法制造的非晶合金柔性齿轮具有较好的强度、较低的弹性模量、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能。该设备包括模具装置，模具装置包括前模、后模，前模设有模框，模框内设有可拆卸的前模模仁，前模模仁的数量为1‑20个，前模模仁在模框内形成模仁内腔，模仁内腔设有齿槽；后模设有可拆卸的后模模仁，前模与后模闭合后，前模模仁与后模模仁形成密闭的模具型腔。用该柔性齿轮设备对熔融非晶合金进行柔性齿轮的成型，生产效率高，可降低成本，且生产的柔性齿轮精度高。

Description

一种柔性齿轮及其制造设备和制造方法
技术领域
本发明属于柔性齿轮制造技术领域，特别涉及一种柔性齿轮及其制造设备和制造方法。
背景技术
谐波传动是上世纪50年代后期随着航天技术发展而出现的一种重要的新型机械传动方式。具有运动精度高、回差小、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大，能在密封空间和辐射介质的工况下正常工作等优点。其最广泛的应用为谐波减速器，其核心部件为柔性齿轮。柔性齿轮在谐波减速器工作过程中柔性齿轮跟随谐波发生器轴承不停的发生椭圆性变形，同时柔性齿轮的齿与钢轮的齿不停的发生啮入、啮合、啮出、脱出再啮入的往复循环。由于柔性齿轮的筒壁体应力是由柔性齿轮产生形变的应力和外载荷作用产生的应力叠加而成的。其中弹性变形产生的应力与弹性模量E成正比，而高性能合金钢的弹性模量E很大，所以材料抗疲劳的能力很大一部分用来克服弹性变形。这样，柔性齿轮的外载荷能力必然较小。目前制作柔性齿轮的材料主要有高性能合金钢和塑料。其中高性能合金钢（如30CrMnSi）具有较高的机械强度，高的弹性和韧性；但是其弹性模量E较高，导致变形承受的应力较大，同时由于柔性齿轮轮缘极薄，加工过程中容易产生变形，制造过程中需要专门的刀具和设备，同时还必须进行热处理，导致其加工的工艺复杂、制造困难、加工成本高、小批量生产价格昂贵。塑胶柔性齿轮（如尼龙66）弹性模量低、弹性好、变形过程中应力较小，且防腐性能好、有一定的自润滑性能、可通过模具注射成型加工成本较低。但是其机械强度较低，无法适用于高精度和高载荷的传动过程。
申请号为201480079552.4的发明专利《用于实现块状金属玻璃基应变波齿轮和应变齿轮部件的系统和方法》介绍了一种采用块状金属玻璃（非晶合金）制造柔性齿轮的系统和方法。块状金属玻璃具有较高的强度、较低的弹性模量E、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能，是非常适合柔性齿轮使用条件的材料。上述现有技术的工艺方法中，块状金属玻璃可以通过铸造和热塑性成型加工，然后配合机加工的方式生产，并且不需要进行热处理。但是该方法中仍然需要专用的模具和轧辊等专用生产工具。仍然存在加工成本高，难以批量快速生产的问题。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种柔性齿轮制造设备及其方法，柔性齿轮为非晶合金柔性齿轮，非晶合金柔性齿轮具有较好的强度、较低的弹性模量、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能。用模具对熔融非晶合金进行柔性齿轮的成型，生产效率高，柔性齿轮的精度高。模具的模仁可拆卸，可更换磨损程度大的模仁，亦可更换不同型号的模仁，降低了制造成本。前模模仁设有齿槽能成型柔性齿轮的齿，使柔性齿轮一体成型，不需另加工齿轮的齿。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
一种柔性齿轮为非晶合金柔性齿轮。所述非晶合金柔性齿轮具有较好的强度、较低的弹性模量、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能。
进一步地，所述柔性齿轮单齿刚度值为50-80N/m，使齿轮在转动过程中能承受扭转力和挤压力而不发生齿崩。
进一步地，所述柔性齿轮的厚度为0.5-5mm，在此厚度范围内的柔性齿轮既具有良好的柔性，又具有足够的刚度值承受压力。
一种柔性齿轮制造设备，所述制造设备包括模具装置，所述模具装置包括前模、后模，所述前模设有模框；
所述模框内设有可拆卸的前模模仁，所述前模模仁的数量为1-20个，所述前模模仁在模框内形成模仁内腔，所述前模模仁形成模仁内腔内侧的一面设有齿槽，用于成型柔性齿轮的齿；所述后模设有可拆卸的后模模仁，所述前模与所述后模闭合后，所述前模模仁与后模模仁形成密闭的模具型腔。
前模模仁在电火花或是CNC加工过程中，由于其模仁内腔形状的不规则，加工的齿槽数较多，且齿槽环绕成一个圆，电火花或是CNC难以对齿槽进行加工，或是难以加工出精度高的齿槽。模仁内腔并不是由单独一个前模模仁直接加工形成，而是由多个前模模仁组合形成模仁内腔，前模模仁的数量为1-20个，一方面可降低前模模仁的加工难度，易于前模模仁齿槽的加工，另一方面可提高前模模仁齿槽的精度，制造出精度更高的柔性齿轮。
所述模具制造的柔性齿轮尺寸精度高，柔性齿轮的生产速度快，可降低柔性齿轮的生产成本。
进一步地，所述前后模模仁的硬度为45-55HRC。
进一步地，所述模具装置设有脱料板，所述前模设有支流道，所述脱料板设有流道槽，与所述前模闭合后内形成主流道，所述主流道与所述支流道形成流道系统。在非晶合金柔性齿轮成型过程中，流道系统里的熔融非晶合金会冷却成为水口料，在开模取出柔性齿轮成型件的同时，流道系统里的水口料一并被顶针顶出。流道系统的设计使水口料更容易的被模具装置的顶针顶出而不影响成型件。
进一步地，所述主流道与所述支流道的横截面为圆，且所述主流道的直径为2-20mm，所述支流道的直径为0.8-10mm。
进一步地，所述支流道设有点浇口，所述模具装置的一个模具型腔设有1-20个点浇口入料，柔性齿轮成型时模具型腔入料的不均匀，会造成不同型腔位置的压力和温度差别较大，柔性齿轮冷却后不同位置的收缩程度不一样，从而导致成型的柔性齿轮精确度不高。模具型腔不止一个点浇口入料，且该点浇口均匀的分布在模具型腔的同一面上。
利用所述制造设备进行柔性齿轮制造的方法，包括如下步骤：
S01：将非晶合金作为原料倒入熔炼仓；
S02：锁模机构驱动前模与后模闭合形成密闭的模具型腔；
S03：真空抽气装置对熔炼仓和模具型腔进行抽空，使熔炼仓和模具型腔内的气压达到设定值；
S04：熔炼仓内加热原料，使原料成为完全熔融状，所述加热温度为大于非晶合金熔点400-500℃；
S05：所述驱动装置驱动压射杆对熔炼仓内的熔融原料进行压射，模具型腔内被填满，压射杆停止压射；
S06：柔性齿轮在模具型腔内成型，驱动装置驱动前模与后模分离，取出柔性齿轮。
进一步地，所述压射杆压射速度为0.1-20m/s，模具型腔内填充速度为0.1-30m/s。
利用上述方法制造柔性齿轮，生产速度快，柔性齿轮的强度、弹性模量、抗疲劳性能、弹性极限以及耐腐蚀等性能有较大的改进。
本发明具有以下优点：
1、非晶合金柔性齿轮具有较好的强度、较低的弹性模量、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能。
2、用模具对熔融非晶合金进行柔性齿轮的成型，生产效率高，柔性齿轮的精度高。
3、模具的模仁可拆卸，可更换磨损程度大的模仁，亦可更换不同型号的模仁，同一套模具可制造多种型号的柔性齿轮，降低了制造成本。
4、前模模仁设有齿槽用于成型柔性齿轮的齿，使柔性齿轮一体成型，不需另加工齿轮的齿，减少柔性齿轮的制造工时，降低了柔性齿轮的制造成本。
5、前模模仁在模框内形成模仁内腔，前模模仁的数量为1-20个，模仁内腔并不是由单独一个前模模仁加工直接形成，可降低前模模仁的加工难度，易于前模模仁齿槽的加工，可提高前模模仁齿槽的精度，制造出精度更高的柔性齿轮。
附图说明
图1为本发明中柔性齿轮制造设备的结构示意图；
图2为本发明中前模模仁的结构示意图；
图3为本发明中前模模仁形成模仁内腔的结构示意图：
图4为本发明中后模模仁的结构示意图；
图5本发明中流道系统的结构示意图；
附图符号说明：1、模具装置；2、压射装置；3、熔炼装置；4、抽真空装置；11、前模；12、后模；13、脱料板；111、前模模仁；112、模具型腔；121、后模模仁；131、流道系统；21、压射料筒壁；22、压射杆；23、驱动装置；31、熔炼仓；32、进料漏斗；41、真空泵；42、真空连接管；1112、模仁内腔；1113、齿槽；1311、主流道、1312、支流道；100、点浇口。
具体实施方式
下面结合附图1-5对本发明实施例进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的附图符号表示相同的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如附图1所示，本发明柔性齿轮制造设备包括模具装置1，模具装置包括前模11、后模12，前模设有模框（图中未标识），模框内设有可拆卸的前模模仁111，一个模框内前模模仁的数量为1-20个。如附图2-3所示，前模模仁在模框内形成模仁内腔1112，前模模仁形成模仁内腔内侧的一面设有齿槽1113，用于成型柔性齿轮的齿；后模设有可拆卸的后模模仁121，前模与后模闭合后，前模模仁与后模模仁形成密闭的模具型腔112。
在本发明中柔性齿轮为非晶合金柔性齿轮，柔性齿轮为薄壁壳体结构，在径向方向具有一定的灵活性，而在扭转方向上具有一定的刚度。柔性齿轮的柔性是相对于与其配合的刚性齿轮而言的，柔性齿轮在转动过程中受到力的挤压而发生形变。柔性齿轮在齿轮转动过程中既能承受一定的扭转力，又能承受一定的挤压力度，故而要求柔性齿轮要具有一定刚度。在本发明中柔性齿轮单齿的刚度优选为50-80N/m，在此范围内的柔性齿轮能在齿轮转动过程中，齿轮能承受一定扭转力和挤压力而不发生齿崩。
柔性齿轮厚度为0.5-5mm，当柔性齿轮的筒壁厚度太厚时，柔性齿轮的柔性太低，达不到形变的效果；当柔性齿轮厚度太薄时，柔性齿轮的刚度值太小，承受不起转动时的扭转力以及挤压力。在上述厚度范围内，柔性齿轮具有较好柔性以及足够的刚性，既能发生弹性形变，又能承受一定的扭转力带动刚性齿轮转动。柔性齿轮厚度均匀，各个位置刚度值差就小，避免在转动过程中因为柔性齿轮某地方刚度值太小而发生崩裂。
柔性齿轮与其它零部件配合转动时，齿起到啮合与传动的作用，由于柔性齿轮的精度要求比较高，所以齿加工为柔性齿轮加工的主要技术之一。在本发明中也不例外，柔性齿轮齿的技术也是主要制造技术之一。柔性齿轮带有齿轮的一侧直径比其它地方的直径略大，就需要用于成型前模模仁的模仁内腔形状为一侧略大。前模模仁在电火花或是CNC加工过程中，由于其模仁内腔形状的不规则，加工的齿槽数较多，且齿槽环绕成一个圆，电火花或是CNC难以对齿槽进行加工，或是难以加工出精度高的齿槽。模仁内腔并不是由单独一个前模模仁直接加工形成，而是由多个前模模仁组合形成模仁内腔，优选地，前模模仁的数量为1-20个，一方面可降低前模模仁的加工难度，易于前模模仁齿槽的加工，另一方面可提高前模模仁齿槽的精度，制造出精度更高的柔性齿轮。如附图2所示，本实施例的前模模仁的数量为2个，且这两个前模模仁的形状大小为一样。同样的，当前模模仁数量为3或是其它数量时，前模模仁的形状大小均为一样。前模模仁的形状大小为一样时，加工可批量，减少成本，且模具装配时工序简单。
后模12设有后模模仁121，在这里需要说明的是：后模不一定设有模框，它可设有模框与后模模仁装配，亦可让后模模仁直接装配在后模上，在本实施例中，后模没有设模框，后模模仁直接装配在后模上。为了易于顶针将成型后的柔性齿轮从模具上顶出来，如附图4所示，后模模仁仅为为简单的圆柱状，成型后的柔性齿轮出模时直径大的一侧先顶出模仁内腔。前后模模仁可拆卸的安装在前后模上，即前后模模仁可更换。当前模模仁或是后模模仁磨损严重时，为确保柔性齿轮的精确度可将磨损严重的前模模仁或后模模仁更换，或是当一种型号的柔性齿轮生产量达到一定的数量后，需要生产另一型号的柔性齿轮时，可将前模模仁替换为另一型号的前模模仁。前后模模仁与模具的可拆卸装配结构为现有技术，在本实例中不对其进行详细的描述，但在本发明中并不对其进行限定，其拆卸结构能实现本发明技术目的即可。
前模模仁在模框内形成模仁内腔，后模与前模闭合时，后模上的后模模仁进入模仁腔内，后模模仁与前模模仁之间的有间隔，此间隔即形成了模具型腔。
模仁的材质为钢材，钢材具有较好的抗拉强度、冲击韧性好、不易磨损、易加工，作为模仁材料，能较好的保证成型产品的精确度。进一步地，钢材硬度优选为45-55HRC。
模具装置还设有脱料板13，前模还设有支流道1312，脱料板13设有流道槽（图中并未标识），与前模闭合后内形成主流道。如附图5所示，主流道1311与支流道1312形成流道系统131。主流道与支流道的横截面为圆，根据模具的流道系统技术，主流道的直径设计为2-20mm，支流道的直径为设计0.8-10mm。支流道设有点浇口100，模具装置的一个模具型腔设有1-20个点浇口入料。柔性齿轮成型时模具型腔入料的不均匀，会造成不同型腔位置的压力和温度差别较大，柔性齿轮冷却后不同位置的收缩程度不一样，从而导致成型的柔性齿轮精确度不高。为避免上述情况发生，本发明中一个模具型腔不止一个点浇口入料。优选的，一个模具型腔设有1-20个点浇口入料，且该点浇口均匀的分布在模具型腔的同一面上。在非晶合金柔性齿轮成型过程中，流道系统里的熔融非晶合金会冷却成为水口料，在开模取出柔性齿轮成型件的同时，流道系统里的水口料一并被顶针顶出。流道系统的设计使水口料更容易的被模具装置的顶针顶出而不影响成型件。
柔性齿轮制造设备还包括熔炼装置3、压射装置2以及抽真空装置4。熔炼装置包括熔炼仓31和进料漏斗32，进料漏斗设于熔炼仓的上端；熔炼仓内侧设有加热线圈（图中并未标识），进料漏斗底部设有阀门（图中并未标识），用于控制进料速度。压射装置包括压射料筒壁21，压射杆22以及驱动压射杆在压射料筒壁内壁方向运动的驱动装置23。抽真空装置与模具装置以及熔炼仓相连，对模具型腔以及熔炼仓进行抽气控制模具型腔内和熔炼仓内的气压。抽真空装置包括真空泵41和真空连接管42。压射杆的驱动装置为气缸、液压缸或是电动机中的一种，在本实施例中，驱动装置为气缸。
利用上述制造设备进行柔性齿轮制造的方法，包括如下步骤：
S01：将非晶合金作为原料倒入熔炼仓。
S02：锁模机构驱动前模与后模闭合形成密闭的模具型腔。
步骤S01和步骤S02的顺序可以互换，这两个步骤的先后顺序并不影响柔性齿轮的制造。
S03：真空抽气装置对熔炼仓和模具型腔进行抽空，使熔炼仓和模具型腔内的气压达到设定值，气压设定值为1×10-5-5×102Pa。气压值的设定确保柔性齿轮在成型中过程中的保压。
S04：熔炼仓内加热原料，使原料成为完全熔融状，加热温度为大于非晶合金熔点400-500℃。加热温度大于非晶合金的熔点才能时非晶合金熔化，加热温度优选为400-500℃，在这个加热范围内，原料非晶合金能完全成为熔融状，且在离开熔炼仓进入压射装置进行压射时都能保持熔融状。
S05：驱动装置驱动压射杆对压射料筒壁内的熔融原料进行压射，模具型腔内被填满，压射杆停止压射，压射杆压射速度为0.1-20m/s，模内填充速度为0.1-30m/s。压射速度的也是非晶合金成型的重要条件之一，压射速度太快，成型后的非晶合金柔性齿轮表面具有射纹，压射速度太慢，成型后的非晶合金柔性齿轮表面会有流纹或是熔接线。压射速度的控制可以在一定程度上降低不良品率，在本发明中，压射杆的压射速度优选为0.1-20m/s，此时模内填充速度为0.1-30m/s。
步骤S05在进行的同时，抽真空装置不断的对模具型腔进行抽气，保证模具型腔在填充的过程中，气体及时排出模具型腔。
S06：柔性齿轮在模具型腔内成型，驱动装置驱动前模与后模分离，取出柔性齿轮。
柔性齿轮的制造方法还包括对成型后的柔性齿轮进行去毛刺、打磨以及抛光。
上述实施例中的非晶合金为包括基材料为Zr、Ni、Fe、Cu、Al、Mg、Co、V以及稀土等的非晶合金种类。在本发明中，并不对采用何种非晶合金作为柔性齿轮的成型原料进行限定，但在实际情况中可根据柔性齿轮的所需性能来选择非晶合金的种类。非晶合金普遍都具有较高的强度、较低的弹性模量E、优秀的抗疲劳性能、较大的弹性极限和良好的耐腐蚀性能，但是不同基材料的非晶合金在性能上还是有所差异，柔性齿轮可根据实际需要来选择非晶合金的种类。例如，Fe72Co18Zr10、Fe72 Ni18Zr10、Fe68Co17V5Zr10等非晶合金材料的热膨胀系数较低，要求热膨胀系数较低的柔性齿轮可选用Fe72Co18Zr10、Fe72Ni18Zr10、Fe68Co17V5Zr10等作为柔性齿轮的成型原料。非晶合金材料可应用于手机、手表组件、医疗植入物、植牙、磁铁铁芯、运动器材等领域，甚至航空航天和智能机器人领域。同样的，本发明柔性齿轮可应用于上述所涉及到的领域，上述所涉及到的领域的零部件可运用本发明所述设备或方法制造。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种柔性齿轮，其特征在于，所述柔性齿轮为非晶合金柔性齿轮。
2.如权利要求1所述的柔性齿轮，其特征在于，所述柔性齿轮单齿刚度值为50-80N/m。
3.如权利要求1所述的柔性齿轮，其特征在于，所述柔性齿轮的厚度为0.5-5mm。
4.一种柔性齿轮制造设备，所述制造设备包括模具装置，所述模具装置包括前模、后模，所述前模设有模框，其特征在于：
所述模框内设有可拆卸的前模模仁，所述前模模仁的数量为1-20个，所述前模模仁在模框内形成模仁内腔，所述模仁内腔设有齿槽；所述后模设有可拆卸的后模模仁，所述前模与所述后模闭合后，所述前模模仁与所述后模模仁形成密闭的模具型腔。
5.如权利要求4所述柔性齿轮制造设备，其特征在于，所述前后模模仁的硬度为45-55HRC。
6.如权利要求4所述柔性齿轮制造设备，其特征在于，所述模具装置设有脱料板，所述前模设有支流道，所述脱料板设有流道槽，与所述前模闭合后内形成主流道，所述主流道与所述支流道形成流道系统。
7.如权利要求5所述柔性齿轮制造设备，其特征在于，所述主流道与所述支流道的横截面为圆，且所述主流道的直径为2-20mm，所述支流道的直径为0.8-10mm。
8.如权利要求5所述柔性齿轮制造设备，其特征在于，所述支流道设有点浇口，所述模具装置的一个模具型腔设有1-20个点浇口入料。
9.利用如权利要求3-8任一所述的制造设备进行柔性齿轮制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：将非晶合金作为原料倒入熔炼仓；
S02：锁模机构驱动前模与后模闭合形成密闭的模具型腔；
S03：真空抽气装置对熔炼仓和模具型腔进行抽空，使熔炼仓和模具型腔内的气压达到设定值；
S04：熔炼仓内加热原料，使原料成为完全熔融状，所述加热温度为大于非晶合金熔点400-500℃；
S05：所述驱动装置驱动压射杆对熔炼仓内的熔融原料进行压射，模具型腔内被填满；
S06：柔性齿轮在模具型腔内成型，驱动装置驱动前模与后模分离，取出柔性齿轮。
10.如权利要求9所述柔性齿轮制造方法，其特征在于，所述压射杆压射速度为0.1-20m/s，模具型腔内填充速度为0.1-30m/s。
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