塑料齒輪的加工及材料介紹
經(jīng)過幾十年的研究及發(fā)展，塑料齒輪正朝著更大的尺寸、更復(fù)雜的幾何形狀、更高強(qiáng)度的方向發(fā)展，同時(shí)高性能樹脂和長玻纖填充的復(fù)合材料起到了重要的推動作用。
塑料齒輪在過去的50年里經(jīng)歷了從新型材料到重要的工業(yè)材料的一個(gè)變化歷程。今天它們已經(jīng)深入到許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，如機(jī)器人、汽車、手表、縫紉機(jī)、結(jié)構(gòu)控制設(shè)施和導(dǎo)彈等，起到傳遞扭矩和運(yùn)動形式的作用。除了現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域以外，新的、更難加工的齒輪應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗟某霈F(xiàn)，這種趨勢還在深入發(fā)展中。
汽車工業(yè)已經(jīng)成為塑料齒輪發(fā)展最快的一大領(lǐng)域，這一成功的變化是令人鼓舞的。汽車制造廠商正努力尋找各種汽車驅(qū)動的輔助系統(tǒng)，他們需要的是馬達(dá)和齒輪等而不是功率、液壓或者電纜。這種變化使得塑料齒輪深入應(yīng)用到很多應(yīng)用領(lǐng)域，從升降門、座位、跟蹤前燈到剎車傳動器、電動節(jié)氣門段、渦輪調(diào)解裝置等。
塑料動力齒輪的應(yīng)用進(jìn)一步拓寬。在一些大尺寸要求的應(yīng)用領(lǐng)域，塑料齒輪經(jīng)常用來替代金屬齒輪，如使用塑料的洗衣機(jī)傳動裝置等，機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，這改變著齒輪在尺寸上的應(yīng)用限度。塑料齒輪也應(yīng)用到其它很多領(lǐng)域，如通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC) 的減振驅(qū)動器、流動設(shè)施中的閥門傳動、公共休息室中的自動沖掃器、小型航空器上用的控制表層穩(wěn)定的動力螺旋器、軍用領(lǐng)域中的螺砣儀以及操縱裝置。
大尺寸、高強(qiáng)度的塑料齒輪
由于塑料齒輪成型上的優(yōu)勢以及可以成型更大、高精度和高強(qiáng)度的特征，這是塑料齒輪得以發(fā)展的一個(gè)重要原因。早期的塑料齒輪發(fā)展趨勢一般是跨度小于1英寸，傳輸能力不超過0.25馬力的直齒輪?，F(xiàn)在齒輪可以做成許多不同的結(jié)構(gòu)，傳輸動力一般為2馬力，直徑范圍為4-6英寸。預(yù)測到2015年，塑料齒輪成型直徑可以達(dá)到18英寸，傳送能力可以提高到10馬力以上。
如何設(shè)計(jì)出一個(gè)齒輪構(gòu)型，在傳送動力最大化的同時(shí)讓傳送錯誤和噪音最小化，還面臨著很多難題。這就對齒輪的同心性、齒形以及其它的特性提出了很高的加工精確要求。某些斜齒輪，可能需要復(fù)雜的成型動作來制造最終的產(chǎn)品，其它的齒輪在較厚部分需要使用芯齒來減少收縮。雖然很多成型專家使用了最新的聚合材料、設(shè)備和加工技術(shù)達(dá)到了生產(chǎn)新一代塑料齒輪的能力，但是對于所有的加工者來說，將面臨的一個(gè)真正的挑戰(zhàn)是如何配合制造這種整個(gè)高精度產(chǎn)品。
控制的難點(diǎn)
高精度齒輪允許的公差一般很難用美國塑料工業(yè)協(xié)會(SPI)所說明的“好”來形容。但是今天多數(shù)成型專家使用最新的配有加工控制單元的成型機(jī)器，在一個(gè)復(fù)雜的窗口上，控制成型溫度的精度、注射壓力以及其它的變量來成型精密的齒輪。一些齒輪成型專家使用更先進(jìn)的方法，他們在型腔里安置溫度和壓力傳感器來提高成型的一致性和重復(fù)性。
精密齒輪的生產(chǎn)商也需要使用專業(yè)的檢測設(shè)備，如用來控制齒輪質(zhì)量的雙齒側(cè)面的滾動檢測器、評估齒輪齒面以及其它特征的電腦控制檢測器。但是擁有正確的設(shè)備僅僅是個(gè)開始。那些試圖進(jìn)入精度齒輪行業(yè)的成型商也必須調(diào)整他們的成型環(huán)境來確保他們生產(chǎn)的齒輪，在每一次注塑、每一次型腔都盡可能的一致。由于在生產(chǎn)精密齒輪的時(shí)候，技工的行為往往是決定性的因素，因此他們必須著力于對員工的培訓(xùn)和操作過程的控制。
由于齒輪的尺寸容易受季節(jié)性溫度變換的影響，甚至打開門讓一個(gè)叉車通過引起的溫度波動都能影響齒輪的尺寸精度，因此模塑廠商需要嚴(yán)格控制成型區(qū)的環(huán)境條件。其它需要考慮的因素還包括：一個(gè)穩(wěn)定的動力供給，可控制聚合物溫度和濕度的適宜干燥設(shè)備，配有恒定的氣流的冷卻單元。有些場合使用自動化技術(shù)，通過一個(gè)反復(fù)的動作，將齒輪從成型的位置移開并放置在傳送單元上，達(dá)到冷卻方式的一致。
重要的成型冷卻步驟
高精密零件的加工與一般成型加工的要求相比較，需要注意更多的細(xì)節(jié)問題以及達(dá)到精確測量水平所要求的測量技術(shù)。這一工具必須確保每一次成型的腔內(nèi)成型溫度和冷卻速率相同。精密齒輪加工中最常見的問題是如何處理齒輪對稱性冷卻以及各模腔間一致性的問題。
精密齒輪的模具一般不超過4個(gè)型腔。由于第一代的模具只生產(chǎn)一個(gè)齒輪，很少有具體的說明，輪齒嵌入物經(jīng)常用來減少二次切削的成本。
一個(gè)成型專家能控制好齒槽處的變形，獲得可控的、一致性的、均勻的收縮能力的產(chǎn)品是以良好的設(shè)備、成型設(shè)計(jì)、所用的材料伸展能力以及加工條件為前提的。在成型時(shí)，要求精密控制成型表面的溫度、注射壓力和冷卻過程。其它的重要因素還包括壁厚、澆口尺寸和位置、填料類型、用量和方向、流速和成型內(nèi)應(yīng)力。
最常見的塑料齒輪是直齒、圓柱形蝸輪和斜齒輪，幾乎所有用金屬制造的齒輪都可以用塑料來制造。齒輪常用分瓣模腔來成型。斜齒輪加工時(shí)由于注射時(shí)必須讓齒輪或者形成齒的齒輪環(huán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以要求注意其細(xì)節(jié)。
蝸輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音比直齒小，成型后通過旋出型腔或者用多個(gè)滑動機(jī)構(gòu)移出。如果使用滑動機(jī)構(gòu)，必須高精確操作，避免在齒輪上出現(xiàn)明顯的分縫線。
新工藝和新樹脂
更多的先進(jìn)的塑料齒輪成型方法正在被開發(fā)出來。例如二次注射成型法，通過在輪軸和輪齒之間設(shè)計(jì)一個(gè)彈性體的方法，使齒輪運(yùn)行起來更安靜，在齒輪突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠較好的吸收振動，避免輪齒損壞。輪軸可以被重新模塑上其它材料，可以選擇柔韌性更好或者價(jià)值更高、自潤滑效果更好的復(fù)合材料。同時(shí)研究了氣輔法和注射壓縮模塑法，作為改善輪齒質(zhì)量、齒輪整體精度、減小內(nèi)應(yīng)力的一種方法。
除了齒輪本身以外，成型人員還需要注意齒輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中齒輪軸的位置必須成線性排列才能保證齒輪成一直線運(yùn)行，即使在負(fù)荷和溫度改變的情況下，因此結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性和精度是非常重要的?？紤]到這個(gè)因素，應(yīng)該使用玻纖增強(qiáng)材料或礦物填充的聚合物等材料做成具有一定剛性的齒輪結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在，在精密齒輪制造領(lǐng)域，一系列的工程性熱塑性塑料的出現(xiàn)給加工人員提供了比以前更多的選擇機(jī)會。乙縮醛類、PBT和聚酰胺等最常用的材料，可以生產(chǎn)出優(yōu)良的耐疲勞、耐磨損、光滑性、耐高切線應(yīng)力強(qiáng)度性能，能承受諸如往復(fù)式馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等造成的振動負(fù)荷的齒輪設(shè)備。對于結(jié)晶性的聚合物必須在足夠高的溫度下成型，保證材料的充分結(jié)晶，否則在使用時(shí)由于溫度升到成型溫度以上，材料發(fā)生二次結(jié)晶而導(dǎo)致齒輪尺寸變化。
乙縮醛作為一個(gè)重要的齒輪制造材料廣泛應(yīng)用于汽車、器具、辦公設(shè)備等領(lǐng)域，已有40多年的歷史。它的尺寸穩(wěn)定性能和高耐疲勞和抗化學(xué)性可承受溫度高達(dá)90 ℃以上。和金屬以及其它塑料材料相比，它具有優(yōu)異的潤滑性能。
PBT聚酯可制造出非常光滑的表面，不進(jìn)行填充改性其最大工作溫度可達(dá)150℃，玻纖增強(qiáng)后的產(chǎn)品工作溫度可達(dá)170℃。與乙縮醛、其它類型塑料以及金屬材料的產(chǎn)品比較，它運(yùn)行良好，經(jīng)常用于齒輪的結(jié)構(gòu)中。
聚酰胺材料，與其它的塑料材料和金屬材料比較，具有韌性好和經(jīng)久耐用的性質(zhì)，常用于渦輪傳動設(shè)計(jì)和齒輪框架等應(yīng)用領(lǐng)域。聚酰胺齒輪未填充時(shí)運(yùn)行溫度可達(dá)150℃，玻纖增強(qiáng)后的產(chǎn)品工作溫度可達(dá)175℃。但是聚酰胺具有吸濕或潤滑劑而造成尺寸變化的特征，使得它們不適合用于精密齒輪領(lǐng)域。
聚苯硫醚（PPS）的高硬度、尺寸穩(wěn)定性、耐疲勞和耐化學(xué)性能的溫度可達(dá)到200℃。它的應(yīng)用正深入到工作條件要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域、汽車業(yè)以及其它終端用途等。
液晶聚合物(LCP)做成的精密齒輪尺寸穩(wěn)定性好。它可以忍受高達(dá)220℃的溫度，具有高抗化學(xué)性能和低成型收縮變化。使用該材料已經(jīng)做出齒厚約0.066 mm的成型齒輪，相當(dāng)于人頭發(fā)直徑的2/3大小。
熱塑性彈性體能使齒輪運(yùn)行更安靜，做成的齒輪柔韌性更好，能夠很好的吸收沖擊負(fù)荷。例如，共聚酯類的熱塑性彈性體做成的一個(gè)低動力、高速的齒輪，當(dāng)保證足夠的尺寸穩(wěn)定性和硬度的時(shí)候，運(yùn)行時(shí)允許出現(xiàn)一些偏差，同時(shí)能夠降低運(yùn)行噪音。這樣的一個(gè)應(yīng)用例子是窗簾傳動器中使用的齒輪。
在溫度相對較低、腐蝕性化學(xué)環(huán)境或者高磨損環(huán)境中，聚乙烯、聚丙烯和超高分子量聚乙烯等材料也已被用于齒輪生產(chǎn)。也考慮了其它的聚合材料，但在齒輪應(yīng)用中受到了許多苛刻的限要求限制，例如聚碳酸酯潤滑性能、耐化學(xué)性和耐疲勞性能不好；ABS和LDPE材料通常不能滿足精密齒輪的潤滑性能、耐疲勞性能、尺寸穩(wěn)定性以及耐熱、抗蠕變等性能要求。這樣的聚合物大多數(shù)用于常規(guī)的、低負(fù)荷或者低速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪領(lǐng)域。
使用塑料齒輪的優(yōu)勢
與同等尺寸的塑料齒輪相比，金屬齒輪運(yùn)行良好，溫度和濕度變化時(shí)的尺寸穩(wěn)定性好。但是與金屬材料相比，塑料在成本、設(shè)計(jì)、加工和性能上具有很多優(yōu)勢。
與金屬成型相比，塑料成型的固有的設(shè)計(jì)自由度保證了更高效的齒輪制造?？梢杂盟芰铣尚蛢?nèi)齒輪、齒輪組、蝸輪等產(chǎn)品，而這很難以一個(gè)合理的價(jià)格使用金屬材料來成型。塑料齒輪應(yīng)用領(lǐng)域比金屬齒輪寬，因此它們推動了齒輪朝著承受更高負(fù)荷、傳送更大動力的方向發(fā)展。塑料齒輪同時(shí)也是一種滿足低靜音運(yùn)行要求的重要材料，這就要求有高精度、新型齒形和潤滑性或柔韌性優(yōu)異的材料出現(xiàn)。
塑料制造的齒輪一般不需要二次加工，所以相對于沖壓件和機(jī)造件金屬齒輪，在成本上保證了50%到90%水平的降低。塑料齒輪比金屬齒輪輕、惰性好，可用在金屬齒輪易腐蝕、退化的環(huán)境中，例如水表和化學(xué)設(shè)備的控制。
和金屬齒輪相比，塑料齒輪可以偏轉(zhuǎn)變形來吸收沖擊載荷的作用，能較好的分散軸偏斜和錯齒造成的局部負(fù)荷變化。許多塑料固有的潤滑特征使得它們成了打印機(jī)、玩具和其它低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的理想齒輪材料，這里不包括潤滑劑。除了運(yùn)行在干燥的環(huán)境中，齒輪還可用油脂或油來潤滑。
材料的增強(qiáng)作用
齒輪和結(jié)構(gòu)材料的說明中，應(yīng)該考慮到纖維和填料對樹脂材料性能的重要作用。例如當(dāng)乙縮醛共聚物填充25%的短玻纖（2mm或更小）的填料后，它的拉伸強(qiáng)度在高溫下增大2倍，硬度升3倍。使用長玻纖（10 mm或者更?。┨盍峡商岣邚?qiáng)度、抗蠕變能力、尺寸穩(wěn)定性、韌性、硬度、磨損性能等以及其它的更多性能。因?yàn)榭色@得需要的硬度、良好的可控?zé)崤蛎浶阅埽诖蟪叽琮X輪和結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，長玻纖增強(qiáng)材料正成為一種具有吸引力的備選材料。
