微型行星齿轮减速机构制造工艺概述

2 42 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 9期 2 0 1 0年 9月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 9 0 2 4 2 0 2 微型行 星齿轮减速机构制造工艺概述 赵雅珠 上海交通大学 国家模具 C AD工程研究中心 上海 2 0 0 0 3 0 Br i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e man u f a c t u r i n g p r o c e s s o f mi c r o p l a n e t a r y g e a r r e d u c e r ZHA0 Ya z h u N a t i o n a l D i e Mo u l d C A D E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 C h i n a 摘要 简 述了 微型 行星 齿 轮减 速机构的 优点及应用前 景 对现阶 段微型齿 轮的 各种制造工艺 进 行了分析 比较 介绍 了当前国内外微型齿轮机构 自动化智能装配 机构润滑等方面的进展 最后阐述 了 微型齿轮在设计 制造 装配工艺等方面的发展趋势 关键词 微型齿轮 微型行星齿轮减速机构 L IG A 等温精密成形 半固态成形 E D M A b s t r a c t T h e a d v a n ta g e s a n d p e r s p e c t iv e o f m in i a t u r e p l a n e t a r y g e ar r e d u c e r ar e l is t e d i d if f e r e n t m e t h o d s t o f a b r i c at e m i c r o g e a r a r e c o m p a r e d a n d t h e n s o m e n e w d e v e l o p m e n t i n t h e l u b r i c a t o r j a n d a s s e mb me t h o d i s me n t i o n e d A t l a s t s o m e t r e n d s o f mi c r o r e d u c e r a b o u t d e s i g n l u b r i c ati n g an d a s s e m b l i n g a r e e x p o u n d e o Ke y wo r d s Mi c r o g e a r Mi n i a t u r e p l a n e t a r y g e a r r e d u c e r L I GA I s o t h e r ma l mi c r o f o r mi n g i S e mi s o l i d f o r mi n g E D M o o c o o o o oo 中图分类号 T H1 3 2 4 1 文献标识码 A 1 引言 随着科学技术的发展和我国工业化进程的加速 未来市场对 于微型化 精密化元器件的需求越来越大 由于微型机械尺度小 能够到达空间狭小区域进行作业ll l 因此在电子设备 医疗器械 微型机电等领域都具有广阔的应用前景12 3 但是 微型马达通常 只能够提供较大的转速以及很小的转矩 为了得到实际工况需要 的大转矩 微型齿轮减速机构就显得必不可少 齿轮减速机构作为一种常见的机械传动机构 具有传递动力 大 传动效率高 使用寿命长 工作可靠性高以及传动平稳性好等优 点 因此在机械传动中得到了广泛的应用 而行星齿轮减速机构 由于具有机械结构紧凑 传动比大 可靠性高等优点 并可以避免 现阶段微型齿轮机构通过多级定轴轮系传动来得到大传动 比而 带来的传动效率低下的弊端 具有向微型化方向发展的巨大潜力 现阶段 世界上各个工业化国家都对微型元件的设计和制造 领域投入 了较大的研发力度 在微型减速机构 的研究和产业化应 用方面 德国P q 日 本 1 美国等国家都走在前列 周内很多大学 研 究机构近年来也都开展了相关方面的研究 并取得了一些成果 2 微型齿轮成形工艺 针对金属材料的微型齿轮加工方法 中 L I G A技术和准 L I G A 技术是现阶段研究最多的微型齿轮成形方法 采用 L I G A技术 可以获得具有较大的深宽比和较为精细结构的元件 深宽比 h d 可达 1 0 0以上 齿轮齿形精度可达 1 2 lx m 而且采用 L I G A技 术制造的零件沿深度方向的直线度 垂直度都非常好 表面粗糙度 更是逆 到 了4 0 n m的水平 上海交通大学张卫平 陈文元等人采用 L I G A技术完成 了模数为 O 0 3 m m的微型齿轮的加工 并利用这些 来稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 8 齿轮成功组装 出 减速 比为 4 4 2 最大外形直径为 2 m m的微行星 齿轮减速器 一般来说 L I G A有较多技术方面的优势 但是该技 术的应用需要昂贵的同步辐射光源和x射线掩模 加工周期较 长 极大地限制了 L I G A和准 L I G A技术在产业化方面的应用目 微塑性成形技术 P l a s t i c m i c r o f o r mi n g 是以塑性变形的方式 来生产毫米级甚至微米级微型零件的技术 该技术具有材料利用 率高 生产成本低 成形件质量好 生产效率高等优点 因此近年来 获得了较好的发展 超精密机械加工技术是微机械制作过程中较为 常用的工艺技术 同时也堤镞馐 国家制造技术水平的重要标志 它采用和传统饥b 口 工类似的原理 但是由于在微小尺度上加工 因此 对加工设备精度 伺服系统 测量反馈系统 精度补偿等方面要求更 高 在微型齿轮加工方面 滚齿铣 S e l f g e n e r a t i n g m i l l i n g 是现阶段 比较成熟的技术 并在钟表产业得到了较为广泛的应用 但是 该工 艺最大的缺点就是需要专业化 高精度的设备 而且对于设备的投 资较大 其它大多产业相对无法承担 各种工艺方法加工的得到 的微型齿轮 如表 1 所示 微型齿轮制造工艺比较 如表 2 所示 表 1各种工艺方法加工的得到的微型齿轮 T a b 1 Mic r o g e a r s ma n u f a c t u r e d i n d i ff e r e n t wa y s 园 翻 加工工艺L I G A技术 微细电火花线切割 11 微注塑成型目 材料 N i F e 合金工具钢P O M 微注塑成型技术 是一种既可以得到较高的齿轮精度和表面 粗糙度 同时又适合批量化生产的实用型技术 该技术在材料成 本 以及制造成本 工艺控制等方面都比金属微型齿轮具有明显的 0 5 综 述 1 第 9期 赵雅珠 微型行 星齿轮减速机构制造工艺概述 2 4 3 优势 是现阶段比较有竞争力的工艺方法 其不足之处在于塑料 微型齿轮在机械强度 力学性能等方面要比金属齿轮逊色 而且 由于塑料材料限制 齿轮机构的工作温度范围比金属齿轮要低 表 2微型齿轮制造工艺比较 T a b 2 Co mp a r i s o n o f ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s f o r mi c r o g e a r s 3 微型齿轮机构的自动化装配 在毫米尺度上完成装配几乎已经超出了人类视觉和触觉的 范围 因此 只有实现微型机构的自动化装配 才能够真正实现微 型元器件的批量化生产 现阶段 虽然国内外很多研究机构都能 够通过各种方式完成微型齿轮机构各零件的加工 但是 大部分 的装配还都是在显微镜下通过特制的夹具手动完成的 不仅耗 时 耗力 而且装配精度也并不令人十分满意 五种不同润滑条件 下的转速衰减曲线 如图 l 所示 甍 3 言 i 3 0 0 2 0 0 1 00 0 0 1 0 T i met s 图 1五种不同润滑条件下的转速衰减曲线 Fi g 1 Th e me a s u r e d d a mp i n g b e h a v i o r f o r fiv e k i n d s o f l ub r i c a t i o n 由于微型齿轮尺寸较小且装配精度要求高 所以传统的自动 装配机械以及可视化系统不再适用 一方面 微成形加工工艺很 难加工清角和倒角等特征 再加上由于零件微型化带来的静电吸 附效应等均给微型齿轮机构的自动化装配带来了巨大的挑战 现阶段 德国的 F a u l h a b e r 公司开发了一套较为成熟的微型齿 轮自动化成型及装配方法 称为高平行度微型齿轮批量化生产及装 配方法 H i g h l y p a r a l l e l m a s s f a b r i c a t i o n a n d a s s e mb l y o f m i c r o g e a r s 该方法将微型齿轮的注塑成型与后续的自动化装配结合起来 利 用高精度的模具加工表面完成导 向 实现微型注塑零件 的批量化 自动装配 为微型机构的自动化装配提供了一种全新的思路 4微型齿轮机构的润滑 润滑问题在微型行星齿轮传动机构中占有非常重要的地位 随着齿轮尺度的缩小 齿轮机构在运转过程中摩擦扭矩的损耗在全 部功率损失中占的比重就会呈指数增长 从而造成微型行星齿轮传 动机构传动效率的大幅降低 微型齿轮传动中摩擦系数的微小降低 都会对最终传动效率产生较大的影响 为 的摩捞 题 日 本松下电器集团先进技术研 所 N a r i t o S h i b a i k e 喜 争 人 对采用滑动轴承 滚动轴承以及添加润滑油 Mo S 等润滑剂情况下齿 轮轴转速的衰减规 进行了系统的研究 结果发现 不加任何润滑剂 的滚动轴承润滑效果反而较好 而添加润滑油不仅没有降低减速机构 各个零件之间的摩擦系数 反而导致各个零件之间的粘滞力上升 增 大了摩擦系数 从而造成更多的能量损耗 同样 Mo S 润滑薄膜也没 有起到减小摩擦的作用 以匕 结论表明 微型传动机构的润滑与宏观 不能 味的为了减小摩擦系数而 添加润滑油或者Mo S 和石墨粉等润滑剂 而应该对微型机构接触面 得摩擦饥理进 一步的研究 权衡各种参数对微型机构摩擦 的影 响 使用特制推杆的行星齿轮机构平行装配示图 如图2所示 p l a t e a b c 图 2使用特制推杆的行星齿轮机构平行装配示意图 Fi g 2 P r i n c i p l e o f p a r a l l e l a s s e mb l y o f a p l a n e t a r y mi c r o g e a r s t a g e b y u s i n g s p e c i al a d a p t e d e j e c t i o n p i n s 5总结与展望 1 在微塑性成形技术的发展方面需求突破 现阶段 微塑性 成形还停留在实验室阶段 材料也仅限于少数轻质合金 非晶态 材料 加工精度还不尽如人意 但是 微塑性成形技术具有微型零 件批量化 低成本生产的巨大潜力 因此 需要在微塑性成形相关 理论 材料制备 选用以及微成形模具的设计 制造 工艺控制等 方面进行进一步的研究 积累相关经验 2 在微注塑成型方面 通过新型高分子材料的制备 着力提 高塑料零件的机械性能 同时利用注塑成型自身特点及优势 发 挥微 型塑料零件制造 装配的集成 实现微型机构的 自动化装配 3 对于微型传动机构 摩擦损耗的功率 占总功率损耗很大 的比重 因此 微型机构的润滑问题是一个 亟待解决的问题 而且 微型轴承的尺寸一定程度上限制了微型行星齿轮机构的发展 如 果能够制造尺度更小 摩擦系数更低的微型轴承 那么微型机构 的润滑状况以及传动效率将会有进一步的提高 因此 应该在微 型轴承的设计以及制造上面投入更多的精力 着力设计 制造能 够与微型机构相 匹配的高精度微型轴 承 4 在微型机构的 自动化装配方面 通过改进现有工艺或者 引入新的制造工艺 谋求金属零件的自动化装配 如果能够实现 微型机构 自动化装配技术 的更大突破 那么必然会加速微型机构 的产业化进程 参考文献 1 邹慧君 机械原理教程 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 9 2周健 王春举 单德彬 铝合金微型齿轮等温精密微成形工艺研究 哈尔滨 工 I 大学学报 2 0 0 5 3 章吉良 杨春生 鲫哇拐 j