TWI557586B - 齒輪模具的補償成型方法 - Google Patents

Description

齒輪模具的補償成型方法

本發明是有關於一種成型補償方法，特別是指一種齒輪模具的補償成型方法。

齒輪工件是十分常見的傳動元件，其齒型的精密度往往對機械的性能影響甚鉅。現時的齒輪工件一般是使用機械切削方式加工製成，藉由機械切削來加工出齒輪工件的齒型，此種加工方式雖然精密度較高，但由於是將材料以減法方式加工，因此材料利用率較低，而切削作業也使得製造工時較冗長，且刀具的損耗快速，造成齒輪工件的製造成本高且生產效率低。

現時亦有採用鍛造方式製作而直接獲得完整齒型的加工方法，雖然此種鍛造方式可以免去多次切削程序而能有效提高生產效率，但其在製作時需先依標準品之規格製出一模具，並以該模具鍛製出初胚，由於加工過程中會使模具受壓，因此模具會受到模具應力、模具彈性變形，及鍛件回彈等影響，導致初胚與標準品間存在誤差，故需將製出的初胚與標準品進行誤差分析，並依據分析結果對應修改模具，接著再以修改後的模具再次鍛製並重複上述過程，直至產品與標準品間的誤差小於標準值。前述的模具修正過程所需進行的機械加工程序及鍛製程序繁多，導致加工時間及成本大幅提升，並造成材料的浪費。

因此，本發明之目的，即在提供一種以模擬方式修正齒輪模具直至符合標準再實際製造的成型補償方法。

於是，本發明齒輪模具的補償成型方法，包含一模具設計步驟、一成型模擬步驟、一補償對位步驟，及一比對驗證步驟。

在該模具設計步驟中，依據欲製作之齒輪尺寸模擬設計出一齒輪模具。

在該成型模擬步驟中，對該齒輪模具之齒型進行成型模擬，並產生一彈性變形之齒型。

在該補償對位步驟中，將該彈性變形之齒型及該齒輪模具之齒型進行對位，並對該齒輪模具之齒型進行初步補償。

在該比對驗證步驟中，將該彈性變形之齒型與該初步補償後的齒型進行齒型誤差比對，若滿足尺寸精度要求，則比對驗證步驟完成，若不滿足尺寸精度要求，則以該齒型誤差為依據，對該初步補償後的齒型進行拓樸補償而得到拓樸補償模型，若該拓樸補償模型滿足尺寸精度要求，則該比對驗證步驟完成，若該拓樸補償模型不滿足尺寸精度要求，則以該拓樸補償模型取代該齒輪模具之齒型，重複進行該成型模擬步驟至該比對驗證步驟。

本發明之功效在於：該成型補償方法可應用分析程式來完成，因此在得出滿足尺寸精度要求的齒輪模具數據前，不需實際製造出大量標準齒輪模具及重複鍛製初胚，簡化生產標準齒輪模具的準備程序、提高生產效率，並減少材料浪費。

參閱圖1，本發明齒輪模具的補償成型方法之一實施例，包含一模具設計步驟11、一成型模擬步驟12、一補償對位步驟13，及一比對驗證步驟14。且在本實施例中，上述步驟皆是以程式進行計算及分析。

在該模具設計步驟11中，是依據欲製作的齒輪尺寸以電腦程式模擬設計出一齒輪模具。在本實施例中，該齒輪模具是用於成型螺旋齒輪，且所述電腦程式為Solidworks及Deform 3D。當然，該齒輪模具也可以適用於成型一般非螺旋齒輪，且使用其他電腦程式進行。

在該成型模擬步驟12中，是對該齒輪模具的數據進行有限元素進行鍛造成型之模擬，接著依據模擬的結果進行成型性分析、應力分析，及彈性變型分析，進而得到回彈後一彈性變形的齒型(對應齒輪模具的模穴部分)，在本實施例中，其是由Deform 3D輸出的有限元素齒輪模型STL檔，材質參數為低碳鉻鉬合金鋼(SCM415)，胚料網格數為15萬個，模具網格數為20至30萬個，上沖頭速度為150mm/s，下沖頭速度為1mm/s，下沖頭角速度為1.192rad/s，摩擦係數為0.08。

在該補償對位步驟13中，是將在該模具設計步驟11中所設計出的齒輪模具之齒型，與在該成型模擬步驟12中所得的彈性變形之齒型進行對位。首先進行外觀對位，其是將前述兩個模型之齒型以前端面的軸孔位置作為基準，以平面定位後確認兩者之X-Y方向位置。接著進行平整面對位，將兩個齒型以軸孔內的平整面作為基準，以軸向定位後確認兩者之Z方向位置。最後進行齒型對位，將兩個齒型以各齒的齒型外輪廓作為基準，以旋轉軸向定位後確認兩者之徑向位置。在對位後將結果對該齒輪模具之齒型進行初步補償。

在該比對驗證步驟14中，是將該彈性變形之齒型與初步補償後的齒型進行變形與理論齒面拓樸比對，以確認該初步補償後的齒型是否滿足尺寸精度要求，若滿足尺寸精度要求則該比對驗證步驟14完成，並可以此模型作為標準齒輪模具之數據。若不滿足尺寸精度要求，則對該初步補償後的齒型進行拓樸補償。進行拓樸補償時，程序如下：

(1)設定一補償目標齒型，其是由齒輪模具之齒型加上理論齒型與彈性變形之齒型的齒型誤差而得，而齒型誤差是由齒型輪廓對位得出。參閱圖2，齒型誤差包括齒輪節距誤差及齒面誤差。將DEFORM3D模擬之擠出成品輸出為STL檔案，再進行齒面的幾何誤差虛擬量測。STL齒面進行虛擬量測比照德國克林根貝格公司(Klingelnberg)P40齒輪專用量測機的量測方法，P40量測拆為兩個部分，齒輪節距誤差與齒面誤差量測，另一個則是針對的量測，P40齒輪量測先定義理論齒型E的拓樸點位置與每個拓樸點的單位法向量。首先需要初步補償後之齒面A的拓樸點位置及每個拓樸點的單位法向量B，量測的第一步會先對齒輪軸線C旋轉一個角度ΔTa，讓拓樸點群的中點D貼齊理論齒面E的參考點F，此旋轉角度即作為節距誤差的計算依據，而齒面誤差的量測，是針對給定的每個拓樸點進行量測計算齒面之間的形狀誤差。在本實施例中，所得最大齒型誤差值為0.037mm。

(2)進行拓樸補償時的必要限制條件有二，一是齒輪端面輪廓是沿軸向保持一致，二是端面輪廓為標準漸開線齒型，因此補償後的齒輪模具仍為正規的圓柱螺旋內齒輪。

(3)依據上述(2)中的限制條件，對該補償目標齒型以最小平方法進行曲面回歸，其誤差函數為樣品點與回歸函數最短距離的平方總合，進而計算出貼近該補償目標齒型的最佳化係數。在本實施例中，由於欲生產之齒輪為螺旋內齒輪，因此最佳化係數為壓力角、轉位係數，及螺旋角，若欲生產之齒輪為一般非螺旋齒輪，則最佳化係數為壓力角及轉位係數。參閱圖2、圖3，及圖4，圖3為尚未補償前齒輪模具之齒面A各點的誤差值，而圖4為補償後之補償齒面G各點的誤差值，圖3及圖4中的數值代表與標準值之差距，負號指低於標準值。在本實施例中，第一次的輪廓補償是將壓力角20度修整為19.9029度，等效轉位係數0.41869修整為0.475069。螺旋角20度左旋修整為20.06456度左旋，而得到補償齒面G，比較兩圖可看出，補償後的補償齒面G較齒輪模具之齒面A接近理論齒面E。

(4)將模數、齒數、齒面寬、齒底圓直徑等最佳化係數以外的設計參數設為定值，透過調整壓力角、轉位係數，及螺旋角使該齒輪模具之齒型貼近該補償目標齒型。依據補償最小平方法求極值，將誤差函數視為壓力角、轉位係數，及螺旋角三者的函數，並求解三參數偏微分皆為零的極值，其答案便是能使誤差函數達到最小的最佳化係數組合。

(5)參閱圖1及圖5，依據補償修正，把理論齒型輪廓參數21反補償至齒輪模具之齒型的曲形輪廓22上對應，經擬合後得到補償後的齒型曲線23，再將齒型曲線23擬合為新的修形齒面，進而可得到一拓樸補償模型。

對該拓樸補償模型進行驗證以確定是否滿足尺寸精度要求，若滿足尺寸精度要求則完成該比對驗證步驟14，並以該拓樸補償模型作為標準齒輪模具之模型。若不滿足尺寸精度要求，則以該拓樸補償模型取代齒輪模具之齒型，重複進行該成型模擬步驟12至該比對驗證步驟14，直至滿足尺寸精度要求。

在本實施例中，該尺寸精度要求為法向精度誤差小於0.02公厘，透過前述步驟可不需花費過多的時間及成本重複進行開模及加工，便可得到精度小於JIS四級的螺旋齒輪模具，可達到減少材料浪費、降低成本之功效，且所製產品精密度高之功效。

綜上所述，該成型補償方法可應用分析程式來完成，因此在得出滿足尺寸精度要求的齒輪模具數據前，不需實際製造出大量標準齒輪模具及重複鍛製初胚，簡化生產標準齒輪模具的準備程序、提高生產效率，並減少材料浪費，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧模具設計步驟
12‧‧‧成型模擬步驟
13‧‧‧補償對位步驟
14‧‧‧比對驗證步驟
21‧‧‧理論齒型輪廓參數
22‧‧‧齒輪模具之齒型的曲形輪廓
23‧‧‧補償後的齒型曲線
A‧‧‧齒輪模具之齒面
B‧‧‧單位法向量
C‧‧‧齒輪軸線
D‧‧‧中點
E‧‧‧理論齒面
F‧‧‧參考點
G‧‧‧補償齒面
ΔTa‧‧‧角度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1為一流程圖，說明本發明齒輪模具的補償成型方法之一實施例； 圖2為一示意圖，說明齒型輪廓對位； 圖3為一拓樸圖，說明輪廓補償前之齒型； 圖4為一拓樸圖，說明輪廓補償後之齒型；及 圖5是一示意圖，說明在該比對驗證步驟中的齒型輪廓補償。

11‧‧‧模具設計步驟

12‧‧‧成型模擬步驟

13‧‧‧補償對位步驟

14‧‧‧比對驗證步驟

Claims (7)

1. 一種齒輪模具的補償成型方法，包含一模具設計步驟，依據欲製作之齒輪尺寸模擬設計出一齒輪模具；一成型模擬步驟，對該齒輪模具之齒型進行成型模擬，並產生一彈性變形之齒型；一補償對位步驟，將該彈性變形之齒型及該齒輪模具之齒型進行對位，並對該齒輪模具之齒型進行初步補償；及一比對驗證步驟，將該彈性變形之齒型與該初步補償後的齒型進行齒型誤差比對，若滿足尺寸精度要求，則比對驗證步驟完成，若不滿足尺寸精度要求，則以該齒型誤差為依據，對該初步補償後的齒型進行拓樸補償而得到拓樸補償模型，進行拓樸補償時，是根據理論齒型與彈性變形之齒型的齒型誤差設定一補償目標齒型，接著根據該補償目標齒型以最小平方法求得最佳化係數，該最佳化係數包括壓力角及轉位係數，進而建構一補償拓樸齒型輪廓，經補償修正後可得到該拓樸補償模型，透過調整壓力角及轉位係數，使該拓樸補償模型之齒型貼近該補償目標齒型，若該拓樸補償模型滿足尺寸精度要求，則該比對驗證步驟完成，若該拓樸補償模型不滿足尺寸精度要求，則以該拓樸補償模型取代該齒輪模具之齒型，重複進行該成型模擬步驟至該比對驗證步驟。
2. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，在該比 對驗證步驟中，該齒輪模具適用於生產一非螺旋齒輪。
3. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，在該比對驗證步驟中，該齒輪模具適用於生產一螺旋齒輪，則該最佳化係數還包括螺旋角，透過調整壓力角、轉位係數，及螺旋角，使該拓樸補償模型之齒型貼近該補償目標齒型。
4. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，在該比對驗證步驟中，該尺寸精度要求為法向精度誤差小於0.02公厘。
5. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，在該補償對位步驟中，是將該彈性變形之齒型及該齒輪模具之齒型進行外觀對位、平整面對位，及齒型對位。
6. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，在該成型模擬步驟中，是對該齒輪模具進行有限元素分析，並由有限元素分析結果針對成型性分析、應力分析，及彈性變形分析得到回彈後的該彈性變形之齒型。
7. 如請求項1所述齒輪模具的補償成型方法，其中，該模具設計步驟、該成型模擬步驟、該補償對位步驟，及該比對驗證步驟皆是以程式進行計算及分析。