关键词:
微小空间齿轮
线齿轮
齿面粘附接触
纳秒激光微加工
精度评估
摘要:
作为微小机械的关键零部件,微小齿轮具有结构紧凑、体积小、传动精度高等特点。微小齿轮副可以在微小空间内对微电机输出的力矩和运动进行调节和控制,其在微小机械领域具有广泛的应用前景,可应用于微型机器人、微型泵、微型差分器、精密仪器等机械系统中。目前,有关微小齿轮的研究主要集中于微小渐开线圆柱齿轮,而用于空间传动的微小齿轮(例如斜齿轮、锥齿轮、蜗轮等)的微制造及应用还存在瓶颈。传统的空间齿轮齿数较多,当其整体尺寸减小时,齿厚的减小使得加工精度更难保证,并且齿面的粘附效应显著增强。从啮合原理出发,研究少齿数的新型微小共轴面线齿轮是突破微小空间齿轮制造和应用瓶颈的一个方向,对于推动微小线齿轮的实际应用具有指导意义。本文在空间共轭曲线啮合理论的基础上,研究了微小共轴面线齿轮的设计理论、加工方法和测量方法,主要的研究内容如下:(1)基于共轭曲线啮合理论推导出共轴面线齿轮的啮合方程,求解出接触线以及中心线,并通过扫描法建立了共轴面线齿轮精确的几何模型,包括齿面数学模型和三维实体模型。在不同的主动接触线形式下,研究了共轴面线齿轮副的特点,例如从动接触线的形式、轴交角、基体形状及滑动率等。然后研究了实体建模时齿面不发生干涉的条件。最后设计了一对共轴面圆锥线齿轮副并进行运动学实验验证。(2)在建立精确的几何模型的前提下,研究了考虑表面粗糙度时,微小线齿轮齿面之间粘附力的计算方法。对球与平面之间的D-H粘附模型进行了拓展,使其可以准确地计算球与平面处于非接触状态时粘附力的变化规律。将拓展后的D-H模型与Nayak粗糙分布模型相结合以计算粗糙齿面之间的粘附力。随后,在给定的设计参数下计算了不同表面粗糙度的微小线齿轮受到的最大粘附力。然后,以最大接触应力为优化目标对微小线齿轮的设计参数进行优化,优化的参数包括接触线的螺距n、翻转角υ以及扫描截面的参数,并根据优化后微小线齿轮的结构特点确定出适用的纳秒激光加工技术。(3)对微小圆柱线齿轮的纳秒激光微铣削加工工艺和加工模型进行研究。通过仿真模型获得了单脉冲加工的烧蚀坑形貌,分析了等离子屏蔽效应和反冲压力对烧蚀坑的深度、宽度以及凸起的影响。然后通过叠加法获得单条轨迹的加工形貌,并且对单条轨迹在不同脉冲重叠率下形成的四种不同类型的形貌进行分析。随后,结合仿真和实验的方法研究各工艺参数对微槽加工效果的影响,根据计算模型进行正交实验以确定合适的工艺参数,并在选定的工艺参数下加工微小圆柱线齿轮。(4)研究微小圆锥线齿轮的纳秒激光微烧结加工工艺。建立了纳秒激光微烧结过程中单道轨迹的温度场解析模型,在模型中,结合分离变量和格林函数的方法对热传导问题求解,其中热源模型通过研究粉末层对激光的吸收率分布获得。然后通过解析模型来辅助分析单道轨迹成形过程中的物理现象,并获得能够形成连续轨迹的条件。在此基础上,加工了三维栅状微结构以验证工艺参数的可行性。随后,进行了微小圆锥线齿轮加工参数的响应面实验,并建立工艺参数与优化指标之间的回归模型,据此获得主、从动微小圆锥线齿轮的最佳加工参数,并且加工出微小圆锥线齿轮。(5)通过光学轮廓仪对微小线齿轮进行测量与精度评估。结合主、从动线齿轮的结构特点,分别对其测量方法进行研究。然后从测量的齿面数据中提取出名义接触线,并根据线齿轮的传动特点提出相应的偏差评估项目,即单条接触线的误差、相邻两条接触线之间的误差以及齿距累积误差。根据偏差评估项目对微小圆柱、圆锥线齿轮的加工精度进行评估,并进行了微小圆柱、圆锥线齿轮副的运动学实验验证。