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塑料齒輪的加工及材料介紹

塑料齒輪的加工及材料介紹

發布日期:2019/3/11 9:38:13

       經過幾十年的研究及發展,塑料齒輪正朝著更大的尺寸、更復雜的幾何形狀、更高強度的方向發展,同時高性能樹脂和長玻纖填充的復合材料起到了重要的推動作用。
  塑料齒輪在過去的50年里經歷了從新型材料到重要的工業材料的一個變化歷程。今天它們已經深入到許多不同的應用領域中,如機器人、汽車、手表、縫紉機、結構控制設施和導彈等,起到傳遞扭矩和運動形式的作用。除了現有的應用領域以外,新的、更難加工的齒輪應用領域將不斷的出現,這種趨勢還在深入發展中。
  汽車工業已經成為塑料齒輪發展最快的一大領域,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動的輔助系統,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域,從升降門、座位、跟蹤前燈到剎車傳動器、電動節氣門段、渦輪調解裝置等。
  塑料動力齒輪的應用進一步拓寬。在一些大尺寸要求的應用領域,塑料齒輪經常用來替代金屬齒輪,如使用塑料的洗衣機傳動裝置等,機器人的關節部位,這改變著齒輪在尺寸上的應用限度。塑料齒輪也應用到其它很多領域,如通風和空調系統(HVAC) 的減振驅動器、流動設施中的閥門傳動、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定的動力螺旋器、軍用領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展的一個重要原因。早期的塑料齒輪發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。現在齒輪可以做成許多不同的結構,傳輸動力一般為2馬力,直徑范圍為4-6英寸。預測到2015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。
  如何設計出一個齒輪構型,在傳送動力最大化的同時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,可能需要復雜的成型動作來制造最終的產品,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、設備和加工技術達到了生產新一代塑料齒輪的能力,但是對于所有的加工者來說,將面臨的一個真正的挑戰是如何配合制造這種整個高精度產品。
  控制的難點
  高精度齒輪允許的公差一般很難用美國塑料工業協會(SPI)所說明的“好”來形容。但是今天多數成型專家使用最新的配有加工控制單元的成型機器,在一個復雜的窗口上,控制成型溫度的精度、注射壓力以及其它的變量來成型精密的齒輪。一些齒輪成型專家使用更先進的方法,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性。
  精密齒輪的生產商也需要使用專業的檢測設備,如用來控制齒輪質量的雙齒側面的滾動檢測器、評估齒輪齒面以及其它特征的電腦控制檢測器。但是擁有正確的設備僅僅是個開始。那些試圖進入精度齒輪行業的成型商也必須調整他們的成型環境來確保他們生產的齒輪,在每一次注塑、每一次型腔都盡可能的一致。由于在生產精密齒輪的時候,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和操作過程的控制。
  由于齒輪的尺寸容易受季節性溫度變換的影響,甚至打開門讓一個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格控制成型區的環境條件。其它需要考慮的因素還包括:一個穩定的動力供給,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。有些場合使用自動化技術,通過一個反復的動作,將齒輪從成型的位置移開并放置在傳送單元上,達到冷卻方式的一致。塑膠齒輪廠家

  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題以及達到精確測量水平所要求的測量技術。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個型腔。由于第一代的模具只生產一個齒輪,很少有具體的說明,輪齒嵌入物經常用來減少二次切削的成本。
  一個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,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、流速和成型內應力。
  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。斜齒輪加工時由于注射時必須讓齒輪或者形成齒的齒輪環進行旋轉,所以要求注意其細節。
  蝸輪運行時產生的噪音比直齒小,成型后通過旋出型腔或者用多個滑動機構移出。如果使用滑動機構,必須高精確操作,避免在齒輪上出現明顯的分縫線。
  新工藝和新樹脂
  更多的先進的塑料齒輪成型方法正在被開發出來。例如二次注射成型法,通過在輪軸和輪齒之間設計一個彈性體的方法,使齒輪運行起來更安靜,在齒輪突然停止運轉時,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值更高、自潤滑效果更好的復合材料。同時研究了氣輔法和注射壓縮模塑法,作為改善輪齒質量、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性排列才能保證齒輪成一直線運行,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。考慮到這個因素,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。乙縮醛類、PBT和聚酰胺等最常用的材料,可以生產出優良的耐疲勞、耐磨損、光滑性、耐高切線應力強度性能,能承受諸如往復式馬達運轉等造成的振動負荷的齒輪設備。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,否則在使用時由于溫度升到成型溫度以上,材料發生二次結晶而導致齒輪尺寸變化。塑膠齒輪廠家

  乙縮醛作為一個重要的齒輪制造材料廣泛應用于汽車、器具、辦公設備等領域,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,它具有優異的潤滑性能。
  PBT聚酯可制造出非常光滑的表面,不進行填充改性其最大工作溫度可達150℃,玻纖增強后的產品工作溫度可達170℃。與乙縮醛、其它類型塑料以及金屬材料的產品比較,它運行良好,經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,具有韌性好和經久耐用的性質,常用于渦輪傳動設計和齒輪框架等應用領域。聚酰胺齒輪未填充時運行溫度可達150℃,玻纖增強后的產品工作溫度可達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域。
  聚苯硫醚(PPS)的高硬度、尺寸穩定性、耐疲勞和耐化學性能的溫度可達到200℃。它的應用正深入到工作條件要求苛刻的應用領域、汽車業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,具有高抗化學性能和低成型收縮變化。使用該材料已經做出齒厚約0.066 mm的成型齒輪,相當于人頭發直徑的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,共聚酯類的熱塑性彈性體做成的一個低動力、高速的齒輪,當保證足夠的尺寸穩定性和硬度的時候,運行時允許出現一些偏差,同時能夠降低運行噪音。這樣的一個應用例子是窗簾傳動器中使用的齒輪。塑膠齒輪廠家  

在溫度相對較低、腐蝕性化學環境或者高磨損環境中,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。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域。
  使用塑料齒輪的優勢
  與同等尺寸的塑料齒輪相比,金屬齒輪運行良好,溫度和濕度變化時的尺寸穩定性好。但是與金屬材料相比,塑料在成本、設計、加工和性能上具有很多優勢。
  與金屬成型相比,塑料成型的固有的設計自由度保證了更高效的齒輪制造。可以用塑料成型內齒輪、齒輪組、蝸輪等產品,而這很難以一個合理的價格使用金屬材料來成型。塑料齒輪應用領域比金屬齒輪寬,因此它們推動了齒輪朝著承受更高負荷、傳送更大動力的方向發展。塑料齒輪同時也是一種滿足低靜音運行要求的重要材料,這就要求有高精度、新型齒形和潤滑性或柔韌性優異的材料出現。
  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、退化的環境中,例如水表和化學設備的控制。
  和金屬齒輪相比,塑料齒輪可以偏轉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荷變化。許多塑料固有的潤滑特征使得它們成了打印機、玩具和其它低負荷運轉機構的理想齒輪材料,這里不包括潤滑劑。除了運行在干燥的環境中,齒輪還可用油脂或油來潤滑。
  材料的增強作用
  齒輪和結構材料的說明中,應該考慮到纖維和填料對樹脂材料性能的重要作用。例如當乙縮醛共聚物填充25%的短玻纖(2mm或更小)的填料后,它的拉伸強度在高溫下增大2倍,硬度升3倍。使用長玻纖(10 mm或者更小)填料可提高強度、抗蠕變能力、尺寸穩定性、韌性、硬度、磨損性能等以及其它的更多性能。因為可獲得需要的硬度、良好的可控熱膨脹性能,在大尺寸齒輪和結構應用領域,長玻纖增強材料正成為一種具有吸引力的備選材料。塑膠齒輪廠家

文章關鍵詞:塑膠齒輪廠家
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