塑料齿轮的材料及成型工艺.doc

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1、在转速1600转/分,输入功率越400瓦,扭距2.5米.牛,请问那位高手能指点一下,该选择什么样的塑料,而且齿轮的齿厚需要多少?模数需要多少?前言 在所有的标准齿轮应用中，塑料齿轮正在快速的取代金属齿轮，主要应用在汽车、家用器械、工业机械、电脑和电气及医疗设备。这是因为相比较于金属器件，塑料齿轮的成本更低、重量较轻、加工设计灵活等优点。 第一代生产的塑料出轮必须使用润滑剂，如油和油脂，减少磨损，延长使用的寿命；但现在应用的许多塑料齿轮不需要润滑剂，原因是树脂本身具有润滑性，或者添加填料来降低其与其他齿轮接触时的摩擦系数。 自润滑或者非自润滑的塑料齿轮并没有减低取代金属齿轮。当在高温、压力和其它

2、应力环境下，塑料与金属具有不同的表现；这些差异是设计者为了避免塑料件的过早失效。 应用及特性 在汽车业中塑料齿轮用于动力座椅、自动升降窗、点火系统、汽车刹车、各种各样的关闭和门闩系统；齿轮的器械应用包含吸尘器、洗衣机传送系统、食物加工器、HVAC驱动器和手动混合器；在工业中，塑料齿轮应用在装配线滚筒、电动工具、水表和煤气表中；在电气设备中，塑料齿轮用作打印机、复印机、扫瞄仪、音频信号和图像装备中；在医雪上的应用，塑料齿轮用作药物自动输送装置；塑料齿轮还用作表、钟、和遮光窗帘的运动部分；户外用的齿轮包括割草机、树叶吸收工具、喷洒器和游泳池设备。此主题相关图片如下：自润滑塑料齿轮减少了油脂或油的应

3、用，从而节省了成本，降低了维修费用；考虑拼装成箱的可能性，塑料齿轮相比较于金属齿轮的装配更便宜；模塑塑料齿轮的尺寸可以比金属齿轮尺寸更小，因此使用塑料齿轮的机器和装备的尺寸也可以相应的减小。 设计考虑 塑料的粘弹性大于金属，所以蠕变和变形成为塑料齿轮应用的主要问题。塑料在高温损失的强度大于金属，但是塑料高温性能的变化随树脂及增强剂的类型及用量的变化而变化。塑料的热导率只相当于金属的1-2%,当他们温度升高时，塑料齿轮维持高温的时间大于金属。一些塑料如尼龙可吸收大量的水份，易引起加工困难除非在模塑前进行干燥。一方面，尼龙齿轮吸收水份溶张，工程师在齿轮设计中必须考虑此因素；另一方面，水份降低了尼龙

4、的拉伸强度，提高了冲击强度。此主题相关图片如下：图2:两相互啮合齿轮的磨耗率和材料的类型、载重量、填料和添加剂的量相关 可采用不同的方法避免材料过热，一些塑料齿轮当摩擦严重时，需要外来的润滑油；当采用自润滑塑料作为齿轮时，设计者常常通过匹配相异的材料，如缩醛醇和尼龙66来减少其摩擦系数。相异材料的混合相比较于相同材料的混合可以减少生热。另一种控制摩擦热产生的方法是添加低摩擦系数的物质如聚四氟乙烯(PTFE)、硅氧烷或者石墨等。 大家都了解塑料作为齿轮的行为特性，因此工程师也知道，当金属变换成塑料时，什么样的调整可以使设计正常运作。材料 在塑料齿轮中应用的塑料广泛的分成两种类型：结晶和无定型。一

5、般，结晶和半结晶的材料包括：尼龙、缩醛醇、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)，相比较于无定型材料如聚碳酸酯和聚醚酰亚胺(PEI)，其耐疲劳行更好。因此结晶塑料常常应用在需要极强的载荷和应力循环的环境下。无定型材料倾向于用在速度和载荷较低，且尺寸较小、精确的齿轮。此主题相关图片如下：表1:齿轮应用的主要树脂及其特性 塑料齿轮应用的添加剂分为两类：一类是减少摩擦性，另一类是提高耐热性和机械性能。低摩擦添加物包括聚四氟乙烯、石墨和硅氧烷、及二硫化钼。提高强度和热性能的增强材料包括：玻璃和碳纤维。芳族聚酰胺纤维提高耐磨性、减少齿轮的摩擦系数。此主题相关图片如下：表2:塑料齿轮一般的添加剂及他们的

6、特点尼龙(聚酰胺PA) 尼龙的摩擦系数较低、耐化学性和良好的电性能。在尼龙中，尼龙46和尼龙66用作齿轮。尼龙46，具有一般尼龙的特点，同时在高温具有卓越的机械性能和耐磨性。 尼龙46的一些优势可在特殊用途的齿轮应用中体现出来。这种树脂（DSM）的制造商报道尼龙46，以Stanyl命名，具有不同的等级，可以用作汽车起跑工具，其温度达到130C。该公司还报道：和烧结金属相比，由尼龙46制造的非润滑节流齿轮可节约40%的成本，同时可减少3-5dB的噪音。在汽车自动升降车窗上使用尺寸较小的尼龙46齿轮发动量和原来尺寸较大的发动量差不多，但是允许车窗厚度从145毫米见到126毫米。此主题相关图片如下：

7、图3:自润滑等级尼龙46在高温85C以上仍具有较好的性能缩醛醇(Acetal) 缩醛醇坚硬、抗蠕变和一定的强度；虽然尼龙可在高温条件下操作使用，但是缩醛醇在相当大的温度范围内具有相当高的抗疲劳性和耐化学性。缩醛醇是工程聚合物在热水条件下分解最慢的化合物之一。通过添加聚四氟乙烯可提高缩聚醛的润滑性。自润滑缩聚醛齿轮可以用作食物和药物的加工仪器，以避免外来润滑剂的污染。此主题相关图片如下：图4:缩醛醇齿轮在Maytag洗衣机中的应用，与金属相比，噪音小、简单和质轻 聚醚醚酮(PEEK) 另一种高性能工程塑料齿轮材料是聚醚醚酮，在高温具有较好的性能，化学腐蚀性和极端的机械应力，同时本身具有一定的阻燃

8、性和难燃性。商业上聚醚醚酮的制造商（Victrex)报道，该种材料可以在谐波驱动齿轮中使用，其温度必须在-55C到150C之间。（谐波驱动齿轮广泛用在航天航空和防御应用系统中)。事实上，聚醚醚酮可在260C下连续使用。可以和所有的润滑剂相容应用在航天航空上，同时具有较好的滑动摩擦性。此主题相关图片如下：图5:在航天航空上应用的聚醚醚酮齿轮既有较好的抗疲劳性及在高温的表现较好的性能 聚苯硫醚(PPS) 线性聚苯硫醚具有较高的耐高温性能、化学性能和抗疲劳性。聚苯硫醚酮常用作齿轮，把能量从汽车发动马达传送到刹车件上，其应用了聚醚醚酮在高温230C仍有较好的尺寸稳定性；在工业泵中，聚苯硫醚齿轮能够抵抗

9、热和腐蚀的流体；聚苯硫醚的尺寸稳定性也可以在电脑打印机上使用。此主题相关图片如下：图6:在非常苛刻的条件下，复印机的齿轮仍能保持尺寸稳定性其它齿轮用树脂 液晶高分子(LCPs)在模具中具有较好的流动性，可以制成比较小、薄壁齿轮，如应用在手表上。同时，这些材料表现较好的耐高温性和抗化学腐蚀性，适合流体齿轮如在汽车上用作引擎石油的监视器。 聚酰亚胺(PEI)树脂具有高模量，本身阻燃、耐温和抗化学性能；润滑等级提供高耐磨性和减少噪音，可在170C高温下连续使用；象其它无定型聚合物，聚酰亚胺具有较低的收缩性。此主题相关图片如下：图7:汽车上应用的LCP精确齿轮在高温油或者其它腐蚀液体存在下未受损害 聚

10、碳酸酯具有较好的耐磨性能，强度和尺寸稳定性，通过添加玻纤（质量百分比30%）可提高物理机械性能；未填充的聚合物，其润滑性不是很高，可通过添加聚四氟乙烯来提高润滑性。 结论 汽车、工业和器械齿轮元件者朝着低成本、质轻和低噪音的市场发展。因为不需要添加任何润滑剂，塑料齿轮具有较大的经济效率。本身不具有润滑性的塑料可通过添加填料来提高润滑性，同时可以提高塑料齿轮的物理机械性能。用塑料代替金属齿轮要求这两种材料之间具有强烈的不同。相比于目前的齿轮，树脂制造商和混合商正努力扩大塑料作为齿轮应用，朝着大尺寸和承载更大载荷的塑料齿轮方向发展。乙缩醛作为一个重要的齿轮制造材料广泛应用于汽车、器具、办公设备等领

11、域，已有40多年的历史。它的尺寸稳定性能和高耐疲劳和抗化学性可承受温度高达90以上。和金属以及其它塑料材料相比，它具有优异的润滑性能。PBT聚酯可制造出非常光滑的表面，不进行填充改性其最大工作温度可达150，玻纤增强后的产品工作温度可达170。与乙缩醛、其它类型塑料以及金属材料的产品比较，它运行良好，经常用于齿轮的结构中。聚酰胺材料，与其它的塑料材料和金属材料比较，具有韧性好和经久耐用的性质，常用于涡轮传动设计和齿轮框架等应用领域。聚酰胺齿轮未填充时运行温度可达150，玻纤增强后的产品工作温度可达175。但是聚酰胺具有吸湿或润滑剂而造成尺寸变化的特征，使得它们不适合用于精密齿轮领域。聚苯硫醚（

12、PPS）的高硬度、尺寸稳定性、耐疲劳和耐化学性能的温度可达到200。它的应用正深入到工作条件要求苛刻的应用领域、汽车业以及其它终端用途等。液晶聚合物(LCP)做成的精密齿轮尺寸稳定性好。它可以忍受高达220的温度，具有高抗化学性能和低成型收缩变化。使用该材料已经做出齿厚约0.066mm的成型齿轮，相当于人头发直径的2/3大小。热塑性弹性体能使齿轮运行更安静，做成的齿轮柔韧性更好，能够很好的吸收冲击负荷。例如，共聚酯类的热塑性弹性体做成的一个低动力、高速的齿轮，当保证足够的尺寸稳定性和硬度的时候，运行时允许出现一些偏差，同时能够降低运行噪音。这样的一个应用例子是窗帘传动器中使用的齿轮。塑料齿轮的

13、成型缺陷分析与对策 塑料齿轮由于它的质轻、价廉，传动噪声小，不需后加工，生产工序少，又因其强度和刚度接近于金属材料，可以代替有色金属和合金，因此，它在工业上的应用正在逐步扩大，现已广泛应用于机械、仪表，电讯、家用电器、玩具产品和各种记时装置中。由于成型塑料齿轮的模具有其特殊性，因而塑料齿轮形成了一种特殊类型的注射模。2齿轮材料 齿轮材料纤综合考虑使用性能、工艺性能和经济性，选用聚甲醛(又称POM)，该材料具有优异的综合性能，强度、刚性高，抗冲击，疲劳、蠕变性能较好，自润滑性能优良，摩擦系数小且耐摩性好，吸水小，产品尺寸稳定，适用于制造各种齿轮、传动零件或减摩零件等。3注射工艺3.1温度注射过程

14、中的温度主要足指熔胶温度和模具温度，因为两者都对整个注射过程有重要影响。要同时有最高的充填速度，又能保持塑件的特性，就需要有适当的熔胶温度。模温越高，填模速度越快。模温控制塑料的充填速度、成品冷却时间和成品的结晶度。实际生产中聚甲醛塑料合理的喷嘴温度和料筒见表1。此主题相关图片如下：模具温度对齿轮成型周期及成品质量(如应力、系数率、尺寸公左、机械性能等)有决定性影响的参数，对POM材料而言，成型齿轮的模温控制范围为90度C120度C。3.2注射压力与模温的关系注射压力对塑料充填起决定性作用，而注塑压力与塑料温度、模具温度又是相互制约的。利用注塑绘图法，找出能止产优良成品的最佳参数组合，通过射胶

15、压力与模具温度关系图，就可以找出合理的射胶压力和模具温度组合，如图1所示。由曲线图可知,ABCD范围内的各点，代表能生产优质产品的压力和棋具温度组合。超过CD曲线便会造成成品飞边或尺寸过大；低于AB曲线会造成成品尺寸过小或充填不满，最佳的组合在X点，因它容许有最大的参数变化范围。此主题相关图片如下：4模具结构及制造 目前，大多数注射成型齿轮的模数在lun以下，为防止齿轮变形和收缩，齿轮厚度在23mm左右。模具结构如图2所示，成型齿轮注塑模采用均匀分布的3点浇门如图3所示，这样一方面町以保证齿轮的精度，另一方面可以去除点浇口废料。齿轮采用顶杆顶出，型芯采用镶件结构。 在设计齿轮模具型腔时，要正确

16、掌握齿轮各参数的收缩状况，如果计算收缩率和实际收缩率有较大差距，则需重新制造型腔。型腔的加工精度是保证塑判齿轮精度的主要手段，该模具采用加工精度较高的精密线切割加工齿轮的型腔。对单个零件的加工精度，要注意检测零件的尺寸公左和形位公差。对成型齿轮的组合件，要求其同轴度达到0.003mm。此主题相关图片如下：5成型齿轮的主要缺陷及对策 生产实践表明，成型齿轮的缺陷主要在于模具的设计、制造精度和磨损程度等方面，刘于较成熟的塑料工厂，如果使用的注射机和模具在各方面比较理想，容易获得合格的制件质量。生产过程的工艺调节是提高制件产量、质量的必要途径。调节工艺的措施、手段是各方面的，找出问题的症结所在，才能

17、真正解决问题。成型齿轮的缺陷容易导致齿乾传动的噪声、磨损加剧、效率降低甚至传动系统的卡死现象。下面就成型齿轮注射过程中产生主要缺陷的原因及刘策分述如下：(1)制件不满。 制件不满就是制品没有完全成型，导致这种缺陷的上要原因有： a进料调节不当。一是汁算装置调节得不正确；二是装料室内被压实和稍熔化的塑料形成了“料塞”，使部分塑料从装料室中跳出，部分地堵住装料室的出料口(柱塞不能椎到最前位置)。 b射人模具中的料量太少。一是塑料温度低，塑料流动性差；二是塑模的温度低，沿成型部分左面而流过的塑料很快冷却到失去流动性，以致不能完全填满模腔的各个角落；三是注射压力不妥；四是生产周期过短，料温来不及跟上，

18、影响充模成型。 c模具设计不合理。一是模具本身结构复杂，浇口数目不足或形式不当；二是模腔内排气措施不力，这种原因导致制件不满的现象是屡见不鲜的，消除这种缺陷的设计应开设有效的排气孔道，选择合理的浇口位置使空气容易排腺，必要时将型腔的固气区域的某个局部制成镶件，使空气从镶件缝隙逸出。 d模具浇注系统有缺陷。一是流道太小、太簿或太长，增加了流体的阻力；二是流道、浇口有杂质、异物塑料炭化物堵塞所致；三足流道、浇口粗糙有伤痕，光洁度不足，影响物料流动。(2)飞边。飞边又称溢边、毛刺、披锋等，大多发生在摸具的分合位置上，导致该缺陷的主要原因有： a.模具分型而精度差。模具分型面上粘有凸出异物、活动模板变形曲翘等。 b，模具设计和人料配置不合理。一是在不影响制件完整性前提下，流道应设置在质量对称中心上，避免出现偏向性流动；二是塑料在熔融状态下具有很高的流动性和贯穿能力，容易进入活动的或固定的缝隙，要求模具的设计制造精度较高。 c.注笛机的锁模力不足。注射成型时，由于机械上的缺陷，致使真正的锁模力不足或不恒定，也会产生飞边；另一方面由于模具本身平行度不好，也会导致锁模不紧密而产生飞边。 d.注射工艺条件差。一是塑料充模状态过分剧烈；二是加料量调得不准确。也就是说从料斗进入料筒的料量应维持一致。