1、2. 2.1 3K-II型行星齿轮减速器的组成 102. 2. 2 3K-II型行星齿轮减速器的运行原理 102.3 3K-II型微行星齿轮减速器的设计 113.塑料微行星齿轮减速器的强度分析 123.1材料选择 123.2塑料齿轮的失效形式 134塑料微行星齿轮减速器的内齿轮注塑模具研制 154.1浇注系统的设计 154.1.1主流道的设计 154.1.2分流道的设计 154.1.3浇口的设计 164.2型腔镶块的设计 164. 3冷却系统的设计 164. 4顶出机构的设计 17结论 19参考文献 20致谢 21塑料3KT I型微行星齿轮减速器设计方法与注塑成型技术的研究摘要微机械是面向21
2、世纪的新科技，对人类未来社会具有重要影响。微行星齿轮 减速器是微机械驱动器的重耍组成部分。为了实现微机械的轻量化以及促进微行 星齿轮减速器的批臺生产,本文以塑料微行星齿轮减速器为研究对象，对3K-n型 微行星齿轮减速器的结构组成、运行原理以及设计依据与方法进行了详细的分析, 对其可能工作条件下的力学性能进行了计算，并设计制造了该微行星齿轮减速器 中固定内齿轮与输出内齿轮的注塑成型模具,最后对固定内齿轮与输出内齿轮的 注塑成型工艺参数设置进行了预测。论文的主要内容如下：（1）以角度变位的方法设计了模数0. 2mm、机构外形尺寸10mm的塑料微行星 齿轮减速器。借鉴己有的金属微行星齿轮减速器的设计
3、方法，对其进行了验证并 加以改进，引入合理的齿形修正方法，构建了塑料微行星齿轮减速器的立体装配 模型。（2）选用聚甲醛作为塑料微行星齿轮减速器的制造材料，应用修正公式计算 了塑料微行星齿轮减速器中转速最高的太阳轮的强度,并使用Ansys软件对组成 塑料微行星齿轮减速器的各齿轮进行力学性能分析,研究所设计的塑料微行星齿 轮减速器所能承受的极限工作条件和使用寿命，为塑料微行星齿轮减速器以后的 应用场合提供相应的理论依据。（3）对于该微行星齿轮减速器中的固定内齿轮与输出内齿轮，设计制造了其 注塑成型模具。模具型腔设计采用镶拼的方式。为了使塑料微行星齿轮减速器具 有足够的强度，塑料齿轮的厚度大于lrn
4、m,因此注塑成型模具的型腔镶块没有采 用光刻技术进行加工，而是使用放电加工中的线切割加工方式。（4）使用Muldflow软件对須料微行星齿轮减速器中的内齿轮的微注駛成型 过程进行模拟，以对微注塑成型过程中可能产生的缺陷进行预测，分析其产生条 件与形成机理，找出影响制品质量的关键因素及其作用关系。关键词：微行星齿轮减速器;3K-II型;注塑成型塑料1绪论1.1工程背景微机械是一门节能、低耗和技术密集型的高新技术。由于微机械具有微小外 形及其操作尺度极小的特点，受到工业发达国家的科技界、产业界和政府部门的 高度重视,且投入较大的人力和物力进行研究和开发。早在70年代，随着集成电 路刻蚀技术的发展，
5、人们开始在一片很小的硅片上制造出新型的微机械，例如各 种微传感器等。此后，科研工作者们乂相继制造出微电动机、微型齿轮、微型弹 簧、微型涡轮、微型连杆机械以及微型滑块机构等各种微机械。微机械是当今社 会生产力发展的必然产物，将在国民经济、国防和科学技术等许多方而具有广阔 的应用前景。机器通常是由原动机、工作机和传动机构三部分组成的。微型机器的组成也 是如此。实现微型机器的重要课题之一便是如何使原动机之一的电动机和动力传 递机构等部件更加微型化。换言之,微型电动机和微型齿轮机构的出现，为微型机 器的研制与实现奠定了重要的基础。行星齿轮机构是一种己获得FI益广泛使用的动力传递机构。该齿轮机构使用 多
6、个行星轮来进行功率分流，从而有效地提高了承载能力。行星齿轮机构具有结 构紧凑、厘量轻、体积小、且能传递较大扭距的特点，因此微行星齿轮减速器在 微机械领域将受到广泛的应用，不少工业发达国家都很重视其研究和开发。微齿轮的制造材料以往多采用金属或硅。但微小机构在真空或没有润滑油的 条件下运行时，金属材料或硅皋材料的微小构件会很快磨损或因滑动接触表面间 的縻擦而出现粘结失效；聚合物材料则由于具有自润滑的特性，摩擦系数小并且 耐磨损，非常适合于无润滑汕的工作场合，是理想的抗磨减摩材料。而且采用聚合 物材料制作的微小机构能够在降低摩擦能耗的同时大幅度地减轻机构的重量，这 正是微机械所希望具有的特点。因此本
7、文将塑料材质的微行星齿轮减速器的研究 作为课题的主体内容。12微注塑成型技术的特点聚合物材料的口润滑、耐磨损、耐腐蚀、比强度高等优点，使得具有高效、 批量制造优势的注射成型技术成为微成形技术的主要分支，在微型医疗仪器、微 型光学仪器、微型传感器、磁盘读写装置、喷墨打印等微电子机械系统领域得到 了广泛的应用。口 80年代末以來，微注射成型技术在现代加工技术，尤其是微细加工技术的 基础上快速发展起來。微注射成型制件在医疗、信息、汽车工程、自动化、环境 与安全和II常生活等领域的应用每年以20%的速度增长。目前已商品化的微型注 射制品主要有微流控生物分析芯片、手机导光板、插头式光纤连接器、微型齿轮、
8、 微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传感器、CD盘等。应用微注射成型技术模塑的制品可以分为以下三类：（1）微注射模塑的制 品；（2）带有微结构部分的注塑制品；（3）具有微米精度的制品。其中，微注射模塑 制品是指尺寸为微米级、质最为毫克级的注塑制品；带有微结构的注射制品则抬 制品的外形尺寸为常规尺寸，但局部结构的尺寸达到微米级；而具有微米精度的 制品则没有尺寸方面的限制，但有严格的制造公差。以下从微型注塑机、微注射 工艺、微型模具制造技术和应用方面对微注須成型技术的特点做简要介绍。1.2.1微型注塑机与传动注塑成型技术相比，微注射成型技术对生产设备有许多特殊要求，主 要表现在以下儿个方面：（1）高注
9、射速率。微注射成型零件质量轻、体积微小，注射过程要求在短时间 内完成，以防止熔料凝固而导致零件欠注,因此成型时要求注射速度高。传统的液 压呃动式注塑机的注射速度为200mm/s,电气伺服马达驱动式注塑机的注射速度 为600mn/s,而微注射成型工艺通常要求聚合物熔体的注射速度达到800mm/s以 上,利用聚合物熔体的剪切变稀原理，以高注射速度降低熔体的粘度，使其顺利充 填微尺度型腔。（2）精密注射最计最。微注射成型零件的质量仅以毫克计最，因此微型注塑机 需要具备精密计量注射过程中1次注射的控制单元,其质量控制精度要求达到毫 克级，螺杆行程精度要达到微米级。（3）快速反应能力。微注射成型过程中注
10、射量相当微小,相应注射设备的螺杆 /柱塞的移动行程也相当微小，因此要求微型注射机的驱动单元必须具备相当快 的反应速度，从而保证设备能在瞬间达到所需注射压力。1.2.2微注射成型技术与工艺控制由于微注射成型的是质量为毫克级的制品如果采用普通浇注系统来注燃制 品，即使是作了最优化改进后，浇注系统所用的物料质量与制品质量相比仍然很 大，造成原材料的浪费，所以宜采用热流道浇注系统。目前，微注射成型技术与工艺具有如下特征：（1）安装变温系统。在微注射成型过程中，模具温度直接影响到注蜩制品的质 量和生产效率。对于不同的塑料,模具的温度有不同的要求。安装变温系统即是 使模具在注射成型前被加热到塑料的熔融温度
11、，在模具型腔被塑料熔体充满后, 迅速使模具冷却到塑料制品的脱模温度。变温系统由外部和内部两个部分组成, 外部一般用水循环冷却系统使整个模具保持恒定温度；内部可以用电加热元件使 模具温度快速被加热至犁料的融融温度以上。模具温度的变化通常采用热电偶来 检测。（2）安装抽真空装置。排空型腔附近的空气，可以避免型腔盲孔处的燃烧室效 应，有利于塑料熔体的填充。当采用抽真空装置时，如果模具的浇注系统使用了热 流道结构，则由于抽真空，須料熔体会发生在注射之前被拖曳的现象，因此模具需 要设置一个对热流道浇口进行定时开闭的控制装置。（3）模具制造精度要求高。如模具镶件、推杆、密封连接件等的制造公差都 需要很高的
12、精度要求。模具的制造精度要求高达1. Oum 一 0. lumo1.2.3微型模具制造技术微型模具制造难点在于微小型腔或微小凸凹结构的加工。目前用于微型模具 型腔制造的相关技术，按其加工方式的不同可分为3种类型。（1）光制作技术。如LIGA技术,x射线光刻技术、电子束光刻技术、激光加 匸技术和蚀刻技术等。目前光制作技术中应用比较广泛的是LIGA技术,UGA取白 徳文缩写:LI （LithograPhy）光刻，G（Galvanik）电铸,A （Abformung）模铸。 应用UGA技术可加工出具有高深宽比（纵横比）和高精度的微结构零件，且加工温 度较低。它不仅可成型纳米级尺度的微小结构，而且还能
13、制造大到毫米级尺寸的 微型结构，因此非常适用于微型模具制造。（2）微机械加工技术。如微车削、磨削和铳削加工等。微机械加工技术一般 用于毫米量级零件的加工，其加工精度可达0. lpm以下。微机械加工零件的儿何 结构通常都是回转体或平面等比较简单的形体。用于千削、磨削和铳削的刀具通 常是单晶体钻石，其切削刃可以被磨得非常锋利，圆度误差小于0. 02umo或者用 方形、梯形及半圆的钻石刀具。目前研究最多、最成熟的是超精车削。（3）微细放电加工。例如电火花加工（EDM）、电火花线切割加工（wEDM）、线电 极电火花磨削（WEDG）等。对于原材料不适合传统机械加工或者只允许在工件上施 加非常小的工作压力
14、时，可以用微细放电加工的方法來成型。微细放电加工的基 本过程是用一个微小匸具电极沿着零件的被加工外形移动,利用微细火花放电将 工件加工成所需形状的一种特种加工方法。1.3微注塑成型技术的国内外研究现状随着微机电的发展，国内外学者专家针对微注塑成型技术进行了大屋的理论 分析和试验研究。国外学者将研究重点放在微注羯成型的实验研究上，通过对带 有微结构的零件或微小零件的注塑成型进行大最的实验，总结出微注塑成型技术 中影响制品质量的各个关键因素及它们的对制品质量的影响，从制品的材料、成 型参数、模具的设计、模具内型腔表面粗糙度等方面进行了细致地分析。相比国 外学者，国内学者的研究重点主要放在对微注塑成
15、型的理论分析上，对于微注塑 成型技术的实验研究则不够深入，需要针对微注射成型的匸艺参数进行进一步系 统地研究，以获得影响微塑件成型质量的工艺参数主次顺序和最优水平组合，从 而为提高微塑件的成型质量和微塑件的实际生产提供技术指导。1.3.1国外研究现状美国的DespaMs等6,!针对具有高深宽比的微结构犁件成型工艺进行了试 验研究，提出模具温度是影响微结构填充率的觅要工艺参数，注射速度是次要工 艺参数;在模具温度升高到材料熔点时，微结构的填充率与注射速度无关;提髙注 射速度有利于提高填充率和减小收缩。美国的YuLY等8研究了具有微小结构的塑件成型过程，获得了模具温度、 注射速度、材料特性和微通道
16、位置与微通道中熔体填充距离之间的影响关系;指 出分别提高注射速度和模具温度，微通道中熔体填充距离均呈增加趋势；聚丙烯 （PP）材料的填充长度明显大于聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA）材料。徳国的LeiXie9对微注須成型过程中产生的熔接痕进行了试验研究，以找 出熔接痕对于塑件的机械性能的影响。采用带有红外热成像测温系统的可视化模 具，改变注塑成型参数，进行多组试验，结果表明，模具温度是影响充模的最重要 因素，当模具温度低于熔体材料的玻璃体转变温度时，熔体无法充满型腔。新加坡的H. L. zhang等”对微注塑成型时模具型腔表面粗糙度对充模的影 响进行了研究。研究结果表明，模具型腔表面粗糙度能够阻碍注
17、射成型时熔体的 充模，改变注射速度粗糙度对于充模的影响没有明显变化,而提高模具温度可以 降低表而粗糙度对丁充模的影响，改变熔体温度不能降低型腔表而粗糙度对于充 模的影响。塑料3K-II型微行星齿轮减速器设计方法与注塑成型技术的研究 1.3.2国内研究现状清华大学的吴英等人基于深刻蚀技术和金属电镀技术,利用感应藕合等离子 体刻蚀设备进行硅刻蚀，将刻蚀后的高深宽比图形作为模具进行电镀，然后选用 XeF2刻蚀技术去除硅，从而得到具有深宽比为5、厚度为200um、宽度为30um的 三维螺旋微结构金属模具。大连理工大学的于同敏等人对微注塑成型过程中塑料熔体的流变特性与传 热行为、模具微型腔的准LIGA加
18、工技术、微型注塑模具设计制造技术以及微注 塑成型技术进行了研究。江苏大学的王雷刚等人对微孔塑料注羯工艺过程及设备进行了简要介绍，重 点分析比较了微孔注塑工艺与传统注塑工艺的特点和适应性，阐述了微孔注塑计 算机辅助工程分析模型与分析过程。中原大学的陈夏宗等人利用电磁感应加热技术结合水冷却以达到微结构注 塑成型中的快速模具温度控制。实验结果成功利用快速模具温度控制技术将模具 温度从60C提高至140C仅需3秒。1.4微注塑成型技术中存在的问题微注塑成型技术是当前塑料成型技术研究的热点之一。作为一门新兴的穩细 微零件制造技术，微注塑成型技术己经受到各国政府和研究部门的高度重视，并 投入了大量的人力、
19、物力，取得了一定的研究成果。然而，微注塑成型技术还存在 着以下哑待解决的诸多技术问题：（1）在微注塑成型过程数值分析和成型工艺参数设置吋，仍然采用传统粘度 模型，尚没有能够准确表征微尺度下熔体流变特性的粘度模型及数据，从而使数 值模拟得出的速度场、温度场及应力场等的准确性不高，从而影响微須件质量预 测精度。微尺度下熔体粘度模型的研究还未见报道。（2）微注塑成型中通常采用较高的注射压力，这将导致在型腔壁而处熔体的 剪切应力将远高于聚合物材料发生壁而滑移的临界剪切应力，目前缺乏对微尺度 下熔体壁面滑移现象的系统分析，因此微尺度下熔体壁面滑移问题有待深入研 究。（3）微注塑成型熔体充模流动分析时，聚
20、合物熔体与型腔壁而间的对流换热 系数计算不够准确，通常将对流换热系数设为常数，这会导致分析结果误差较大, 而这一问题尚未很好地解决。深入研究微尺度下熔体与壁面间的对流换热，对提 高微注塑成型过程中热传递分析的准确性非常重要。（4）现有的材料流变性能测最技术还很难满足微尺度下的测最要求，导致微 尺度下聚合物熔体流变数据的相对缺乏。这一问题不仅关系到微塑件的质暈预测 精度，而且影响到微注塑模具的设计优化和成型工艺参数的合理设置。（5）传统的注塑成型商业模拟软件是基于传统注敎成型基本理论开发的，在 其模拟过程中通常忽略壁面滑移、非等温特性等因素的影响。在微尺度范围内， 这些因素的作用程度将发生变化。
21、如果直接采用这些商业软件进行微注塑成型过 程模拟及微塑件的质量预测，可能会导致计算结果不准确。5课题研究的主要内容本文以微行星齿轮减速器为研究对象，对其结构组成、运行原理以及设计依 据与方法进行了详细地论述；并对其可能工作条件下的力学性能进行了分析；设 计制造了该微行星齿轮减速器中固定内齿轮与输出内齿轮的注塑成型模具;最后 对固定内齿轮与输出内齿轮的注須成型过程进行了软件模拟，以期做为微小須件 设计制造的一个基础研究。主要内容与方法如下：（1）以角度变位的方法设计了微行星齿轮减速器。借鉴己有的金属微行星齿 轮减速器的设计方法，对其进行了验证并加以改进，引入合理的齿形修正方法，构 建了塑料微行星
22、齿轮减速器的立体装配模型,得出其齿轮间的啮合原理。（2）使用Ansys软件对组成塑料微行星齿轮减速器的各齿轮进行力学性能分 析，研究所设计的塑料微行星齿轮减速器所能承受的极限工作条件和使用寿命, 为塑料微行星齿轮减速器以后的应用场合提供相应的理论依据。因为UV UGA工艺或UGA工艺 所加工出的型腔微结构厚度小于lmrn,这样所注塑成型的齿轮厚度太小,所得的 齿轮强度低，无法满足工作要求，所以型腔镶块没有采用光刻技术进行加工，而是 使用放电加工中的线切割加匸方式。（4）使用Moldnow软件对微行星齿轮减速器中的固定内齿轮与输出内齿轮的 微注塑成型过程进行模拟，以对微注塑成型过程中可能产生的缺
23、陷进行预测，分 析其产生条件与形成机理，找出彫响制品质量的关键因素及其作用关系。2微行星齿轮减速器的结构设计微机电系统（MEMS）是当今世界H益兴盛的筍技术领域 而微减速器是微机电 系统中的重要器件。微减速器与微马达共同组成微驱动器,为微机械提供运转动 力。I本的Suz切rnori等人所设计的微型行星齿轮减速器用來驱动机械手前进 或后退，减速器的加工采用微细线切割的方式。上海交通大学的陈佳品等人设计制造了一种基于4微型马达的微小机器人 系统。该微机器人具有较强的驱动能力和一定的负载能力,采用了最大方向尺寸 仅5mm的微马达做为其驱动装置，微马达采用微行星齿轮减速器进行减速，从而 满足机器人的运
24、动要求。可见,微行星齿轮减速器多用在微型机械的驱动单元处减速以对微机械提供 动力源，而且加工方式多采用线切割方式或微细线切割方式。为了使微行星齿轮 减速器在各类微型机器中获得广泛使用，要使它能进行大批量生产。目前加工微 型齿轮的加工方法虽然能够加工金属齿轮和获得较髙精度的微小零件，但所需的 加工时间较长。通常加工一个金属微型齿轮约需一小时，一台放电加工机床一天 约能加匸一个微型减速器所需的齿轮。显然，这样的加工能力将会使微型行星减 速器的制造成本较高，也不利于进行更大批量的生产。为了使微型减速机实现大 批量生产，考虑采用塑料制成的微型齿轮。首先用线切割和电火花加工方法制作 微齿轮注塑成型模具的
25、型腔嵌件，然后使用注塑成型模具大批暈地生产塑料微型 齿轮。尽管这种塑料齿轮强度比金属齿轮的差些，但其精度等级和表面粗糙度均 合格，其价格比金属齿轮要低得多。2.1行星齿轮传动简介齿轮传动是机器设备、军事武器、仪器和仪表等工业设施中应用最广泛的机 械传动形式之一。为了实现减速、增速、变速、换向以及其他特殊用途,经常采 用一系列互相啮合着的齿轮组成传动系统，称为齿轮系，或称为齿轮机构。根据齿 轮机构运转时其各齿轮的儿何轴线相对位置是否变动,齿轮机构可分为两大类型, 普通齿轮机构（定轴轮系）和行星齿轮机构（行星轮系）O1.普通齿轮机构当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系得所有齿轮的儿何轴线位置都是固定不
26、 变的，则称为普通齿轮机构，或称定轴轮系。在普通齿轮机构中，如果各齿轮副的 轴线均互相平行，则称为平行轴齿轮机构；如果齿轮系中含有一个相交轴齿轮副 或一个相错轴齿轮副，则称为不平行轴齿轮机构，或称空间齿轮机构。2.行星齿轮机构当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系的齿轮中至少有一个齿轮的儿何轴线位 置不固定并绕着其他齿轮的儿何轴线回转，则在该齿轮系中，至少具有一个作行 星运动的齿轮,2. 1.1行星齿轮传动的特点与定轴轮系传动相比，当零件材料、制造須度和工作环境等条件均相同时， 行星轮系具有许多独特的优点。行星齿轮传动现己被人们用来代替普通齿轮传动, 而作为各种机械传动系统中的减速器、增速器和变速装
27、置。尤其是对于那些要求 体积小、重量轻、结构紧凑、传动效率高的航空机械、起重运输和兵器的传动装 置，以及需要差速器的汽车和坦克等车辆的传动装置，行星齿轮传动已得到了越 来越广泛的应用。行星齿轮传动的主要特点如下：（1）结构紧凑、重量轻、体积小。由于行星齿轮传动具有功率分流和动轴线 的运动特性，而且各中心轮构成共轴线式的传动，以及合理地应用内啮合。因此， 可使其结构非常紧凑。由于在中心轮的周韦均匀地分布着数个行星轮來共同分担 载荷,故使得每个齿轮所承受的负荷较小，所以，可采用较小的模数。此外，在结构 上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积,从而有利于缩小其外 廓尺寸，使其结构紧凑、重
28、星轻，而承载能力却很大。一般,行星齿轮传动的外廓 尺寸和重量约为普通齿轮传动的1/2J/6。（2）传动比较大。只需要适当选择行星传动的类型及配齿方案,便可以用少数 几个齿轮而得到较大的传动比。在仅作为传递运动的行星传动机构中，其传动比 可达到几应该指出，即使在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、重量轻的 优点。而且，它还可以实现运动的合成与分解，以及实现各种变速的复杂的运动。（3）传动效率高。由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个均匀分布的 行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡，从而有利于达 到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下,其效率 值可达
29、 0. 970. 99o（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个相同的行星轮， 均匀地分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时， 也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力 较强,工作较可靠。总之,行星齿轮传动具有重量轻、体积小、传动比大和效率高等优点。因此， 在汽车、船舰、航空器里所使用的要求体积小、重量轻、结构紧凑、传动效率高 的机械传动装置，行星齿轮传动己得到了越來越广泛的应用。而微行星齿轮减速 器的研制，则对于机器人、微型飞行器、微机电设备等的开发具有十分重要的意 义。2.1.1 3K型行星齿轮传动的分类行星齿轮传动的类型
30、很多，根据苏联B. H.库徳略夫采夫提出的按照行星传动 机构的基本构件的不同进行分类。在库氏的分类方法中，行星齿轮传动的基本代 号为:K 一中心轮,H 转臂,V 输出轴。根据其基本代号来命名，行星齿轮传动 可分为:2K-H、3K和K-H-V三种基本类型;其他结构型式的行星齿轮传动大都是 它们的演化型式或组合型式。本文着重设计3K型行星齿轮传动，故对3K型行星齿轮传动的类型进行详细介绍。在3K型行星传动中，较常见的传动方案有三种：（D3K-I型一具有双齿圈行星轮的3K型行星传动。在机械传动中，它已获得 了较广泛的应用。3K-I型合理的传动比范围为20 一 500,其传动效率为0. 8 0. 9,
31、（2）3K-II型一具有单齿圈行星轮的3K型行星传动。当前在机械传动中，它 也得到日益广泛的应用。3K n型合理的传动比范围为40 一 500,其传动效率为0. 7 0. 84。（3）3K-III型一具有双齿圈行星轮的3K型行星传动。它的传动比范围和传 动效率与3K-I型基本相同。实际上，在机械传动中很少采用3K-III型行星传动。3K型传动的特点是制造和安装比较复杂，并且当以中心轮a为输出时，传动 比大于某个值后，该行星机构将产生自锁。3K型行星传动用于短期间断工作的机 械传动最为合理，它具有结构紧凑、传动比大以及传动效率较高等特点。其中，3K 一 H型传动的结构更加紧凑，制造安装较3K-I型的简单。本文以3K
