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(zhǎng)玻纖填充的復(fù)合材料起到了重要的推動(dòng)作用,。
塑料齒輪在過(guò)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(dòng)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(shì)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(dòng)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(dòng)器、電動(dòng)節(jié)氣門段,、渦輪調(diào)解裝置等,。
塑料動(dòng)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(lái)替代金屬齒輪,，如使用塑料的洗衣機(jī)傳動(dòng)裝置等，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(dòng)器、流動(dòng)設(shè)施中的閥門傳動(dòng),、公共休息室中的自動(dòng)沖掃器,、小型航空器上用的控制表層穩(wěn)定的動(dòng)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(shì)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(shì)一般是跨度小于1英寸，傳輸能力不超過(guò)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(dòng)力一般為2馬力，直徑范圍為4-6英寸,。預(yù)測(cè)到2010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(dòng)力最大化的同時(shí)讓傳送錯(cuò)誤和噪音最小化，還面臨著很多難題,。這就對(duì)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(dòng)作來(lái)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(lái)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(duì)于所有的加工者來(lái)說(shuō)，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(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)(SPI)所說(shuō)明的“好”來(lái)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(lái)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?cè)谛颓焕锇仓脺囟群蛪毫鞲衅鱽?lái)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(cè)設(shè)備，如用來(lái)控制齒輪質(zhì)量的雙齒側(cè)面的滾動(dòng)檢測(cè)器,、評(píng)估齒輪齒面以及其它特征的電腦控制檢測(cè)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(lái)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(duì)員工的培訓(xùn)和操作過(guò)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(guò)引起的溫度波動(dòng)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(dòng)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(chǎng)合使用自動(dòng)化技術(shù),，通過(guò)一個(gè)反復(fù)的動(dòng)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(wèn)題以及達(dá)到精確測(cè)量水平所要求的測(cè)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(wèn)題是如何處理齒輪對(duì)稱性冷卻以及各模腔間一致性的問(wèn)題。
精密齒輪的模具一般不超過(guò)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(shuō)明，輪齒嵌入物經(jīng)常用來(lái)減少二次切削的成本,。
精密齒輪應(yīng)該從齒輪中心位置的一個(gè)澆口處注入,。多澆口易形成熔合線，改變壓力分布和收縮，影響齒輪公差,。對(duì)于玻纖增強(qiáng)的材料,，由于纖維沿著焊接線成放射狀排列，使用多澆口時(shí)易造成半徑的偏心的“碰撞”,。
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(guò)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(lái)制造。齒輪常用分瓣模腔來(lái)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(guò)旋出型腔或者用多個(gè)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)移出,。如果使用滑動(dòng)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(lái)。例如二次注射成型法,，通過(guò)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(lái)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(dòng),，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(rùn)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,。考慮到這個(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(huì),。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(dòng)負(fù)荷的齒輪設(shè)備。對(duì)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(rùn)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(dòng)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(rùn)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(dòng)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(dòng)器中使用的齒輪,。
在溫度相對(duì)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(rùn)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(rùn)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(shì)
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(shì),。
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(lái)成型。塑料齒輪應(yīng)用領(lǐng)域比金屬齒輪寬,，因此它們推動(dòng)了齒輪朝著承受更高負(fù)荷,、傳送更大動(dòng)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(rùn)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(duì)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(lái)吸收沖擊載荷的作用,，能較好的分散軸偏斜和錯(cuò)齒造成的局部負(fù)荷變化,。許多塑料固有的潤(rùn)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(rùn)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(lái)潤(rùn)滑,。
材料的增強(qiáng)作用
齒輪和結(jié)構(gòu)材料的說(shuō)明中,，應(yīng)該考慮到纖維和填料對(duì)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(zhǎng)玻纖(10 mm或者更小)填料可提高強(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?，在大尺寸齒輪和結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料正成為一種具有吸引力的備選材料,。
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