臺灣博碩士論文加值系統

粉末冶金之正齒輪精度改善
學生:張宏彬 指導教授:蔡忠杓 博士
國立交通大學機械工程研究所
摘 要
齒輪為重要的機械傳動元件。目前工業上所使用的金屬齒輪製造方法，包括傳統的滾齒、刨齒、齒輪銑製、線切割等切削加工，以及鍛造、壓鑄、射出成形、粉末冶金等成形製造方法。其中，粉末冶金製造齒輪具有省料、省工、適合大量生產和成本低等優越性，而且機械性質良好，已廣泛地使用於汽機車零件、電動工具及家電產品當中。
唯當齒輪於實際製造過程中，由於成形及燒結條件的影響，造成原來所沖壓之胚體其尺寸安定性不足的缺點，使得粉末冶金之齒輪的齒面幾何誤差幾乎難以避免，因此導致齒輪在嚙合運轉時會產生運動誤差，並引起齒輪之振動及噪音。隨著粉末冶金齒輪強度之不斷提升，此類齒輪之應用範圍與市場亦呈逐漸增加的趨勢，然而客戶及使用者對產品的要求也日漸提升，因此業者對於粉末冶金齒輪品質的提升也變得更殷切；為了降低齒輪傳動誤差、改善齒輪的振動及噪音，提高齒輪製造精度乃是首要之務。欲得高精度的齒輪，齒形之尺寸與變形的控制尤為重要，因此，合適的成形模具之設計與製造，攸關成品的優劣。
本論文將參照實務上生產製造粉末冶金齒輪的條件，進行試作實驗及齒輪精度量測，以探討粉末冶金製程參數與齒輪精度之間的關係；並應用齒輪創成原理所推導之正齒輪數學模式，進行齒輪參數及齒面變異的敏感度分析。進而比較實驗量測結果與電腦模擬分析之結果，以求得較理想的齒輪模具參數修整，俾使粉末冶金齒輪在製造過程中所產生的齒面變形能得到適當的補償，以達到高精度粉末冶金齒輪的要求。

Improvement on the Precision of Powder Metallurgy Spur Gears
Student：Hung-Pin Chang Advisor：Dr. Chung-Biau Tsay
Institute of Mechanical Engineering
National Chiao Tung University
Abstract
Gear is one of the important transmission elements of machine system. The conventional cutting manufacture methods of gears, including gear hobbing, gear shaping, gear milling, gear wire cutting, ect. As to the forming processes of manufacture methods including forging, die-casting, injection molding and sintered powder-metal gears. Among them, the sintered powder-metal gear not only has great advantages of material-saving, labor-saving, cost reduction and suitable for mass production, but also has good mechanical properties for the gears. It has been widely used in automobiles, electrical machines and household appliances.
In the powder-metal gear manufacturing, due to the influences of forming and sintering conditions, the unstable defect on the green compact parts’ dimensions, results in the gear profile geometric errors. Consequently, the gear transmission errors, vibration and noise occur during the gear pair meshing. Therefore, it is most important to improve the gear manufacture precision to reduce the gear transmission errors, vibration and noise. To obtain a high precision gear, the control of gear dimensions and variations is important. Therefore, design and manufacture of a good shape of forming die decide the products’ quality.
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 relationship of the powdwer-metallurgy parameters and gear precision. Furthermore, the mathematical model for spur gear is developed based on the theory of gearing, and sensitivity analyses of gear parameters and gear surface deviations are performced. Then, comparison with the results of experiments and computer simulations, in attempt to evaluate an ideal amendment on the parameters of a forming die. It enables a suitable compensation on gear surface deviations which resulted from the powder-metallurgy process, and attains a high precision powder-metallurgy gear.

【目 錄】
頁次中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表 目 錄 vii
圖 目 錄 viii
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 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 9
2-4 嚙合方程式 10
2-5 齒面數學模式 12
2-6 正齒輪之電腦輔助繪圖 15
第三章 粉末冶金基礎理論
3-1 前言 17
3-2 粉末冶金製程 17
3-2-1 原料粉 19
3-2-2 成形 19
3-2-3 燒結 19
3-2-4 整形或精整 20
3-3 影響成品尺寸的因素 20
3-4 結論 22
第四章 齒輪精度量測理論
4-1 前言 23
4-2 齒輪誤差的種類 23
4-3 齒輪精度的檢驗 25
4-3-1 綜合誤差檢驗 25
4-3-2 個別誤差檢驗 28
第五章 粉末冶金正齒輪變形實驗
5-1 實驗目的與構想 32
5-2 實驗裝置 32
5-2-1 成形模具 32
5-2-2 成形設備 33
5-2-3 燒結爐 33
5-2-4 量測設備 36
5-3 實驗材料 36
5-4 實驗方法 38
5-4-1 實驗參數 38
5-4-2 實驗的進行 39
5-4-3 齒形精度的量測 39
5-5 實驗結果與討論 41
第六章 粉末冶金正齒輪之模具齒形修整
6-1 前言 55
6-2 齒面變異分析 55
6-3 粉末冶金模具齒形參數修整 57
6-3-1 修改齒輪模數 59
6-3-2 修改齒形壓力角 59
6-4 模具齒形修整─以ARY齒輪為例 61
6-5 模具齒形修整─以CCJ齒輪為例 65
6-6 結論 69
第七章 結論與未來展望
7-1 結論 71
7-2 未來展望 72
參考文獻 74
【表目錄】
表2.1 齒輪設計參數 15
表4.1 國際三大精度等級之概略比較 24
表4.2 JIS齒形偏差、齒溝偏差及導程誤差容許值 25
表5.1 齒輪模具之齒形設計參數 33
表5.2 實驗原料粉之調和及特性 37
表5.3 實驗製程固定參數 38
表5.4 實驗待測齒輪CCJ的尺寸變化表 42
表5.5 實驗待測齒輪ARY的尺寸變化表 43
表5.6 各粉末壓胚體尺寸變化率之比較 44
表5.7 CCJ齒輪於成形及燒結過程中的齒形誤差 53
表5.8 ARY齒輪於成形及燒結過程中的齒形誤差 54
表6.1 ARY齒輪之壓力角改變與齒形變異量 62
表6.2 ARY齒輪之齒外徑及節圓直徑 62
表6.3 ARY齒輪之模具齒形參數修整 64
表6.4 CCJ齒輪之壓力角改變與齒形變異量 66
表6.5 CCJ齒輪之齒外徑及節圓直徑 66
表6.6 CCJ齒輪之模具齒形參數修整 68
【圖目錄】
圖2.1 齒條刀與齒輪創成時之運動關係示意圖 6
圖2.2 齒條刀之法向剖面圖 7
圖2.3 平行軸齒輪組之共軛運動關係示意圖 11
圖2.4 齒條刀與被切製齒輪之創成機構運動關係圖 13
圖2.5 ARY 089F正齒輪之電腦繪圖 16
圖2.6 CCJ 030F正齒輪之電腦繪圖 16
圖3.1 粉末冶金基本製造流程 18
圖4.1 雙齒腹測試與單齒腹測試之齒面接觸示意圖 26
圖4.2 齒輪單齒腹測試結果例子 27
圖4.3 齒輪精度檢驗結果例子 29
圖4.3 齒輪精度檢驗結果例子（續） 30
圖4.4 利用細分化測定法所建構之齒面 31
圖5.1 CCJ齒輪之成形模具 34
圖5.2 ARY齒輪之成形模具 34
圖5.3 氣壓式粉末成形機（日本Tamagawa） 35
圖5.4 成形步驟示意圖 35
圖5.5 輸送帶式連續燒結爐（日本山崎公司） 36
圖5.6 TTi-300E－CNC齒輪量測儀 37
圖5.7 實驗齒輪CCJ之試製成品 40
圖5.8 實驗齒輪ARY之試製成品 40
圖5.9 CCJ齒輪之齒外徑尺寸變化圖 42
圖5.10 ARY 齒輪之齒外徑尺寸變化圖 43
圖5.11(I) 以A粉末壓縮成形之CCJ齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 46
圖5.11(II) 以A粉末製成之CCJ齒輪燒結品的齒形精度測定結果 46
圖5.12(I) 以B粉末壓縮成形之CCJ齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 47
圖5.12(II) 以B粉末製成之CCJ齒輪燒結品的齒形精度測定結果 47
圖5.13(I) 以C粉末壓縮成形之CCJ齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 48
圖5.13(II) 以C粉末製成之CCJ齒輪燒結品的齒形精度測定結果 48圖5.14(I) 以A粉末壓縮成形之ARY齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 49
圖5.14(II) 以A粉末製成之ARY齒輪燒結品的齒形精度測定結果 49
圖5.15(I) 以B粉末壓縮成形之ARY齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 50
圖5.15(II) 以B粉末製成之ARY齒輪燒結品的齒形精度測定結果 50
圖5.16(I) 以C粉末壓縮成形之ARY齒輪壓胚體的齒形精度測定結果 51
圖5.16(II) 以C粉末製成之ARY齒輪燒結品的齒形精度測定結果 51
圖5.17 細分化量測結果（以B粉末製造之CCJ齒輪） 52
圖6.1 模具齒形與成品齒形之變化情 形 58
圖6.3 粉末冶金齒輪之模具與成品尺寸變化 60

【參考文獻】
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[16] 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
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