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研究生:陳錦盛
研究生(外文):Jen-Sheng Chen
論文名稱:生胚密度與燒結溫度對粉末冶金件正齒輪精度之影響
論文名稱(外文):Effects of Green Density and Sintering Temperature on the Profile Precision of a Powder Metallurgy Spur Gear
指導教授:蔡忠杓蔡忠杓引用關係
指導教授(外文):Chung-Biau Tsay
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:正齒輪粉末冶金齒形精度生胚密度燒結溫度
外文關鍵詞:spur gearpowder metallurgyprofile precisiongreen densitysintering temperature
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齒輪為傳動系統中重要機械元件之一。工業界廣泛使用的金屬材質齒輪的製造方法,大致可分為切削法與非切削法。粉末冶金法製造齒輪屬於非切削法,具有低成本、可大量生產和生產速率快等優點,再加上粉末冶金技術的不斷改良,包含粉末配方之研發與成形技術的提升,大幅地改善粉末冶金齒輪的機械強度與提高密度,使得粉末冶金齒輪之市場擴展迅速。
粉末冶金齒輪的精度和其所使用之原料粉、成形過程與燒結方法等息息相關。粉末變化率、生胚密度、模具設計、燒結時間與燒結溫度等都是造成粉末冶金齒輪之齒面幾何誤差的主要因素。粉末冶金之製程參數非常繁多,只要有一參數變動,即可能影響產品之品質及精度。對於要求高精度的齒輪,粉末冶金齒輪仍有待研究與突破的地方。
本論文將採用實際上粉末冶金齒輪的製程條件,進行試作實驗與齒輪精度的量測,以探討生胚密度與燒結溫度這兩個製程參數對齒輪精度的影響,提供粉末冶金正齒輪生產時製程參數調整的參考依據,進而提升粉末冶金正齒輪製造之精度。實驗與分析結果顯示,生胚密度對於粉末冶金齒輪件的尺寸變化及齒形誤差的影響不大。在一般燒結溫度時,粉末冶金齒輪件之齒面隨著燒結溫度之提高而膨脹,齒形壓力角則變小,但隨著燒結溫度的再提高或燒結時間的增長,會使得粉末冶金齒輪件之齒面膨脹量減少,甚至由膨脹變為收縮,而導致其齒形壓力角變大。
A gear is one of the important transmission elements in a machine system. The manufacture methods of gears can be categorized into the cutting method and the non-cutting method. Manufacturing of a sintered powder-metallurgy gear belongs to the non-cutting method. The sintered powder-metallurgy gears have great advantages of cost down, suitable for mass production and fast production, etc. As the result of the improvement of powder-metallurgy manufacturing technology, including the research and development of the powder prescription and the improvement of forming methods, improves the mechanical strength substantially and raises the density of the powder-metallurgy gears. It enables the market of the powder-metallurgy gears to expand rapidly.
The precision of the powder-metallurgy gears is related as closely with the powder, forming and sintering process. Powder variation, green density, sintering temperature, sintering time and the design of a forming die are some major factors affected on gear surface deviations. The number of powder-metallurgy process parameters are large, and a change of any parameter may be influences the products’ quality and precision. Research and making a breakthrough on powder-metallurgy gears are necessary for the requirements of high precision powder-metallurgy gears.
This study refers to the conditions of practical powder-metallurgy manufacture process, and proceeds to experiments and gear precision measurements as well as investigation on the effects of two parameters, green density and sintering temperature, on gear precision. To provide reference materials of some amendment on the parameters of the powder-metallurgy spur gears manufacture process, and then to improve the gear manufacture precision. According to the experimental and analytical results, the effect of green density plays a very little role on the change of the produced gear size and profile precision while the sintering temperature is a very important factor. In the range of normal sintering temperature, the gear surface expands while the increase of sintering temperature, and this results in the decrease of gear pressure angle. However, the amount of gear surface expansion decreases or even becomes shrinkage when the sintering temperature continues increasing. The shrinkage of the gear profile results in the increase of gear pressure angle.
【目 錄】
頁次
中文摘要 i
英文摘要 ii
致 謝 iv
目 錄 v
表 目 錄 viii
圖 目 錄 x
第一章 緒論
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究方向 3
第二章 漸開線形正齒輪數學模式
2-1 前言 5
2-2 齒條刀之數學模式 5
2-3齒條刀與被創成齒面接觸線之共同法向量 10
2-4 嚙合方程式 10
2-5 正齒輪之數學模式 14
2-6 正齒輪之電腦輔助繪圖 16
第三章 粉末冶金製程簡介
3-1 前言 18
3-2 原料粉 18
3-3 成形 20
3-4燒結 22
3-5精整 23
3-5機械加工 23
3-5熱處理 23
第四章 鐵基粉末冶金製品之顯微結構分析
4-1 前言 25
4-2 金相試片製作方法 25
4-2-1 取樣 26
4-2-2 鑲埋 26
4-2-3 研磨 27
4-2-4 拋光 27
4-2-5 腐蝕 27
4-3 鐵基粉末冶金製品之顯微組織 28
4-4金相觀察之應用 30
第五章 粉末冶金正齒輪齒形變異探討
5-1 前言 34
5-2 齒輪誤差的種類 34
5-3 影響粉末冶金齒輪精度的因素 39
第六章 齒形變異實驗
6-1 實驗目的 42
6-2 實驗設備 42
6-2-1 成形模具 43
6-2-2 成形設備 43
6-2-3 燒結設備 46
6-2-4 量測設備 46
6-3 實驗材料 46
6-4 實驗方法與實驗步驟 48
6-4-1 實驗I─生胚密度實驗之實驗參數 50
6-4-2 實驗II─燒結溫度實驗之實驗參數 50
第七章 實驗結果與討論
7-1 尺寸變化率 54
7-2 齒形誤差 66
7-3 齒面變形分析 84
7-4 調整燒結參數之應用 86
7-5 齒形誤差曲線之數學模式分析例子 87
第八章 結論與未來展望
8-1 結論 89
8-2 未來展望 90
參考文獻 91
【表目錄】
頁次
表2.1 正齒輪之主要設計參數(台灣保來得公司提供) 16
表5.1 JIS B 1702-1976規定之齒形誤差及導程誤差容許值 36
表6.1 齒輪模具之齒形設計參數(台灣保來得公司提供) 43
表6.2 實驗原料粉之調和及特性 48
表6.3 齒輪之平均體積量測 52
表6.4 三種生胚密度的齒輪所需之重量 52
表6.5 實驗待測齒輪之實際生胚密度 52
表6.6 實驗I中之製程固定參數 53
表6.7 實驗II中之燒結條件參數 53
表7.1 A粉末製成之齒輪在不同生胚密度的尺寸變化表 55
表7.2 B粉末製成之齒輪在不同生胚密度的尺寸變化表 56
表7.3 C粉末製成之齒輪在不同生胚密度的尺寸變化表 57
表7.4 D粉末製成之齒輪在不同生胚密度的尺寸變化表 58
表7.5 B粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的尺寸變化表 62
表7.6 C粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的尺寸變化表 63
表7.7 四種不同原料粉所製成之齒輪在不同生胚密度的尺寸變化 65
表7.8 B和C粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的尺寸變化率 66
表7.9 A粉末製成之齒輪於不同生胚密度的齒形誤差 67
表7.10 B粉末製成之齒輪於不同生胚密度的齒形誤差 68
表7.11 C粉末製成之齒輪於不同生胚密度的齒形誤差 69
表7.12 D粉末製成之齒輪於不同生胚密度的齒形誤差 70
表7.13 四種不同原料粉所製成之齒輪的齒形精度比較表 78
表7.14 B粉末製成之齒輪於不同燒結溫度的齒形誤差 79
表7.15 C粉末製成之齒輪於不同燒結溫度的齒形誤差 80
表7.16 B和C粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的精度比較表 84
表7.17(a) 燒結品齒形壓力角在不同生胚密度之變化情形 86
表7.17(b) 燒結品齒形壓力角在不同燒結溫度之變化情形 86
【圖目錄】
頁次
圖2.1 齒條刀與被滾製齒輪之相對運動關係示意圖 6
圖2.2 齒條刀之法向剖面圖 8
圖2.3 平行軸齒輪組之共軛運動關係示意圖 11
圖2.4 齒條刀與被滾製齒輪之創成機構運動關係示意圖 13
圖2.5 CCJ030F標準齒形之電腦繪圖 17
圖2.6 CCJ030F正齒輪之電腦繪圖 17
圖3.1 粉末冶金基本製造流程 19
圖3.2 成形步驟示意圖(摘錄自粉末冶金技術手冊[6]) 21
圖3.3 簡易模具組裝示意圖(摘錄自製造程序[7]) 21
圖4.1 鐵主要的相及組織構造圖(摘錄自Metallography[8]) 31
圖4.2 擴散合金粉製品之組織構造圖(摘錄自Metallography[8])32
圖4.3 裂縫產生(摘錄自Metallography[8]) 32
圖4.4 偏析現象(摘錄自Metallography[8]) 33
圖4.5 脫碳現象(摘錄自Metallography[8]) 33
圖5.1 齒輪精度的三個量測方向 35
圖5.2 齒形誤差量測例子 36
圖5.3 粉末冶金正齒輪導程誤差量測例子 38
圖5.4 節距誤差量測例子 38
圖5.5 影響粉末冶金齒輪精度的主要因素之魚骨圖 41
圖6.1 CCJ030F齒輪之成形模具組 44
圖6.2 100噸氣壓式粉末成形機(日本Tamagawa) 45
圖6.3 浮動模式加壓及其退模示意圖 45
圖6.4 輸送帶式連續燒結爐 47
圖6.5 TTi-300E─CNC齒輪精度量測儀 47
圖6.6 實驗步驟程序圖 49
圖6.7(a) 實驗齒輪之成形品 51
圖6.7(b) 實驗齒輪之燒結品 51
圖6.7(c) 實驗齒輪之熱處理品 51
圖7.1 A粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒外徑尺寸變化圖 59
圖7.2 B粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒外徑尺寸變化圖 59
圖7.3 C粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒外徑尺寸變化圖 60
圖7.4 D粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒外徑尺寸變化圖 60
圖7.5 四種不同原料粉所製成之齒輪的齒外徑尺寸變化圖 61
圖7.6 B粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的齒外徑尺寸變化圖 64
圖7.7 C粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的齒外徑尺寸變化圖 64
圖7.8 A粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒形誤差變化 71
圖7.9 B粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒形誤差變化 71
圖7.10 C粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒形誤差變化 72
圖7.11 D粉末製成之齒輪在不同生胚密度的齒形誤差變化 72
圖7.12(a) A粉末製成之齒輪成形品的齒形精度測定結果 74
圖7.12(b) A粉末製成之齒輪燒結品的齒形精度測定結果 74
圖7.12(c) A粉末製成之齒輪熱處理品的齒形精度測定結果 74
圖7.13(a) B粉末製成之齒輪成形品的齒形精度測定結果 75
圖7.13(b) B粉末製成之齒輪燒結品的齒形精度測定結果 75
圖7.13(c) B粉末製成之齒輪熱處理品的齒形精度測定結果 75
圖7.14(a) C粉末製成之齒輪成形品的齒形精度測定結果 76
圖7.14(b) C粉末製成之齒輪燒結品的齒形精度測定結果 76
圖7.14(c) C粉末製成之齒輪熱處理品的齒形精度測定結果 76
圖7.15(a) D粉末製成之齒輪成形品的齒形精度測定結果 77
圖7.15(b) D粉末製成之齒輪燒結品的齒形精度測定結果 77
圖7.15(c) D粉末製成之齒輪熱處理品的齒形精度測定結果 77
圖7.16 B粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的齒形誤差變化 81
圖7.17 C粉末製成之齒輪在不同燒結溫度的齒形誤差變化 81
圖7.18(a) B粉末製成之齒輪於1230℃燒結後的齒形測定結果 82
圖7.18(b) B粉末製成之齒輪於1140℃燒結後的齒形測定結果 82
圖7.18(c) B粉末製成之齒輪於1120℃燒結後的齒形測定結果82
圖7.19(a) C粉末製成之齒輪於1230℃燒結後的齒形測定結果 83
圖7.19(b) C粉末製成之齒輪於1140℃燒結後的齒形測定結果 83
圖7.19(c) C粉末製成之齒輪於1120℃燒結後的齒形測定結果 83
圖7.20 齒形誤差曲線圖 88
【參考文獻】
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[10] 黃坤祥編著,粉末冶金學,中華民國粉末冶金協會,民國九十年一月。
[11] 王如鈺編著,齒輪原理概要,憬藝企業有限公司,民國八十四年九月。
[12] 徐新榮編譯,機械元件之粉末冶金法,全華科技圖書股份有限公司,民國八十一年一月。
[13] 顏鴻森編著,機構學,東華書局,民國八十六年五月。
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