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聚乙烯塑料齒輪在汽車(chē)工業(yè)起到了重要的推動(dòng)作用
發(fā)布：2017-01-03 16:05 點(diǎn)擊量：230
塑料齒輪正朝著(zhù)更大的尺寸、更復雜的幾何形狀、更高強度的方向發(fā)展，同時(shí)高性能樹(shù)脂和長(cháng)玻纖填充的復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用領(lǐng)域中，如汽車(chē)、手表、縫紉機、結構控制設施和導彈等，起到傳遞扭矩和運動(dòng)形式的作用。除了現有的應用領(lǐng)域以外，新的、更難加工的齒輪應用領(lǐng)域將不斷的出現，這種趨勢還在深入發(fā)展中。
汽車(chē)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(chē)制造廠(chǎng)商正努力尋找各種汽車(chē)驅動(dòng)的輔助系統，他們需要的是馬達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用到很多應用領(lǐng)域，從升降門(mén)、座位、跟蹤前燈到剎車(chē)傳動(dòng)器、電動(dòng)節氣門(mén)段、渦輪調解裝置等。
塑料動(dòng)力齒輪的應用進(jìn)一步拓寬。在一些大尺寸要求的應用領(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傳動(dòng)裝置等，這改變著(zhù)齒輪在尺寸上的應用限度。塑料齒輪也應用到其它很多領(lǐng)域，如通風(fēng)和空調系統(HVAC) 的減振驅動(dòng)器、流動(dòng)設施中的閥門(mén)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(guò)0.25馬力的直齒輪�，F在齒輪可以做成許多不同的結構，傳輸動(dòng)力一般為2馬力，直徑范圍為4-6英寸。預測到2010年，塑料齒輪成型直徑可以達到18英寸，傳送能力可以提高到10馬力以上。
如何設計出一個(gè)齒輪構型，在傳送動(dòng)力最大化的同時(shí)讓傳送錯誤和噪音最小化，還面臨著(zhù)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(zhuān)家使用了最新的聚合材料、設備和加工技術(shù)達到了生產(chǎn)新一代塑料齒輪的能力，但是對于所有的加工者來(lái)說(shuō)，將面臨的一個(gè)真正的挑戰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(huì )(SPI)所說(shuō)明的“好”來(lái)形容。但是今天多數成型專(zhuān)家使用最新的配有加工控制單元的成型機器，在一個(gè)復雜的窗口上，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(zhuān)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(lái)提高成型的一致性和重復性。
精密齒輪的生產(chǎn)商也需要使用專(zhuān)業(yè)的檢測設備，如用來(lái)控制齒輪質(zhì)量的雙齒側面的滾動(dòng)檢測器、評估齒輪齒面以及其它特征的電腦控制檢測器。但是擁有正確的設備僅僅是個(gè)開(kāi)始。那些試圖進(jìn)入精度齒輪行業(yè)的成型商也必須調整他們的成型環(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(zhù)力于對員工的培訓和操作過(guò)程的控制。
由于齒輪的尺寸容易受季節性溫度變換的影響，甚至打開(kāi)門(mén)讓一個(gè)叉車(chē)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(chǎng)商需要嚴格控制成型區的環(huán)境條件。其它需要考慮的因素還包括：一個(gè)穩定的動(dòng)力供給，可控制聚合物溫度和濕度的適宜干燥設備，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)反復的動(dòng)作，將齒輪從成型的位置移開(kāi)并放置在傳送單元上，達到冷卻方式的一致。
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，需要注意更多的細節問(wèn)題以及達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成型溫度和冷卻速率相同。精密齒輪加工中最常見(jiàn)的問(wèn)題是如何處理齒輪對稱(chēng)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(xiàn)，改變壓力分布和收縮，影響齒輪公差。對于玻纖增強的材料，由于纖維沿著(zhù)焊接線(xiàn)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(zhuān)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)品是以良好的設備、成型設計、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(lèi)型、用量和方向、流速和成型內應力。
最常見(jiàn)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，所以要求注意其細節。
蝸輪運行時(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)機構移出。如果使用滑動(dòng)機構，必須高精確操作，避免在齒輪上出現明顯的分縫線(xiàn)。
新工藝和新樹(shù)脂
更多的先進(jìn)的塑料齒輪成型方法正在被開(kāi)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計一個(gè)彈性體的方法，使齒輪運行起來(lái)更安靜，在齒輪突然停止運轉時(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、自潤滑效果更好的復合材料。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、減小內應力的一種方法。
除了齒輪本身以外，成型人員還需要注意齒輪的設計結構。結構中齒輪軸的位置必須成線(xiàn)性排列才能保證齒輪成一直線(xiàn)運行，即使在負荷和溫度改變的情況下，因此結構的尺寸穩定性和精度是非常重要的�？紤]到這個(gè)因素，應該使用玻纖增強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構。
現在，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給加工人員提供了比以前更多的選擇機會(huì )。乙縮醛類(lèi)、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(xiàn)應力強度性能，能承受諸如往復式馬達運轉等造成的振動(dòng)負荷的齒輪設備。對于結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)生二次結晶而導致齒輪尺寸變化。
乙縮醛作為一個(gè)重要的齒輪制造材料廣泛應用于汽車(chē)、器具、辦公設備等領(lǐng)域，已有40多年的歷史。它的尺寸穩定性能和高耐疲勞和抗化學(xué)性可承受溫度高達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150℃，玻纖增強后的產(chǎn)品工作溫度可達170℃。與乙縮醛、其它類(lèi)型塑料以及金屬材料的產(chǎn)品比較，它運行良好，經(jīng)常用于齒輪的結構中。
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)設計和齒輪框架等應用領(lǐng)域。聚酰胺齒輪未填充時(shí)運行溫度可達150℃，玻纖增強后的產(chǎn)品工作溫度可達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、尺寸穩定性、耐疲勞和耐化學(xué)性能的溫度可達到200℃。它的應用正深入到工作條件要求苛刻的應用領(lǐng)域、汽車(chē)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定性好。它可以忍受高達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，相當于人頭發(fā)直徑的2/3大小。
熱塑性彈性體能使齒輪運行更安靜，做成的齒輪柔韌性更好，能夠很好的吸收沖擊負荷。例如，共聚酯類(lèi)的熱塑性彈性體做成的一個(gè)低動(dòng)力、高速的齒輪，當保證足夠的尺寸穩定性和硬度的時(shí)候，運行時(shí)允許出現一些偏差，同時(shí)能夠降低運行噪音。這樣的一個(gè)應用例子是窗簾傳動(dòng)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(mǎn)足精密齒輪的潤滑性能、耐疲勞性能、尺寸穩定性以及耐熱、抗蠕變等性能要求。這樣的聚合物大多數用于常規的、低負荷或者低速運轉的齒輪領(lǐng)域。
