齒輪是機(jī)械設(shè)備中用來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的關(guān)鍵零件。隨著機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬齒輪在制造和應(yīng)用方面的適用性逐漸跟不上現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展速度。金屬齒輪是由切削、磨削等成形技術(shù)加工而成， 存在機(jī)加工誤差、造價(jià)高，且制作安裝難度很大。
隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，塑料齒輪的應(yīng)用越來越廣泛。在玩具、醫(yī)療器械、電子電器、國(guó)防軍事、航空航天等領(lǐng)域， 均能見到塑料齒輪的身影。相對(duì)于金屬齒輪，塑料齒輪質(zhì)量輕、運(yùn)行噪音小、耐磨性好、自潤(rùn)滑性能好，可通過模 塑成型、增材制造和機(jī)加工等多種途徑進(jìn)行加工和批量生產(chǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)都是金屬齒輪所不具備的。
從“以塑代鋼”的角度出發(fā)，就需要使用合適的材料來代替金屬，減少產(chǎn)品的質(zhì)量，但不減弱其強(qiáng)度，并能提高其耐腐蝕性、介電性能等，并能充分發(fā)揮塑料齒輪的可設(shè)計(jì)性、自潤(rùn)滑性能。為提高齒輪的強(qiáng)度性能，可以在塑料齒輪中添加提高強(qiáng)度和熱性能的增強(qiáng)材料——玻璃纖維和碳纖維?。添加纖維后的塑料齒輪的力學(xué)性能得到顯著增強(qiáng)，可提升塑料齒輪在嚙合過程中的使用壽命。本文通過對(duì)塑料齒輪材料的發(fā)展、成型技術(shù)和失效檢測(cè)與評(píng)價(jià)等方面的研究進(jìn)行調(diào)研和綜述，旨在為塑料齒輪的更新發(fā)展和研究提供可用的技術(shù)參考。
塑料齒輪的成型加工
1 、注塑成型
塑料齒輪正朝著更大尺寸、更復(fù)雜的形狀和更高強(qiáng)度的方向發(fā)展，注塑加工的優(yōu)勢(shì)就可以體現(xiàn)出來。在保證齒輪制造精度的情況下，可以通過“一模多腔” ，實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)，還可對(duì)注塑齒 輪是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到質(zhì)量?jī)?yōu)化的齒輪，還不需要考慮加工工具的選擇切換。在注塑成型齒輪中，由于模具的設(shè)計(jì)成本較貴，需要保證模具設(shè)計(jì)的合理性。如果要改變齒輪形貌，要對(duì)注塑模具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，如圖1所示。Mao 等設(shè)計(jì)鋁制齒輪模具，嵌件采用弧形澆口設(shè)計(jì)，并將頂針機(jī)構(gòu)用于輪廓的設(shè)計(jì)，可有助于減少制品壁厚、縮短冷卻時(shí)間。
圖1?注塑齒輪
在注塑工藝條件方面，不同的工藝條件決定制品的成品率和重復(fù)率。由于齒輪大小和注射材料的不同，需要對(duì)注塑條件(模具溫度、注射溫度、注射速度和注射壓力等) 進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，以獲得最佳的熔體流動(dòng)過程和充分的熔體對(duì)流換熱。在各注射工藝參數(shù)下，彭亞運(yùn)等在對(duì) PEEK 材料微型齒輪注塑成型時(shí)，發(fā)現(xiàn)模具內(nèi)部溫度對(duì)制品有影響，并獲得影響成型的主次順序——模具溫度、熔體溫度、注射速度和注射壓力。注塑工藝的調(diào)試不僅只有溫度的單一條件影響，注射速度和保壓壓力也是需要考慮的因素，Lee 等使用微注射成型的方法制造聚合物制品，通過控制保壓壓力和注射速度，可以獲得高質(zhì)量制品，并提高制品的重復(fù)精度。在 DSC 分析中， 將碳納米管加入制品中可以促進(jìn) PLA 的晶體轉(zhuǎn)變，使制品表面模量和硬度提高。
齒輪模具
在Berer等研究注塑 PEEK 輥的點(diǎn)蝕磨損中，潤(rùn)滑劑存在的條件下，點(diǎn)蝕量會(huì)增加，這與先前的研究有沖突的。因此，通過使用拉曼光譜進(jìn)行的化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑對(duì)PEEK的特性沒有影響，并指出 PEEK 可以抵抗所有常見的化學(xué)影響。通過詳細(xì)的微觀分析，發(fā)現(xiàn)注塑輥表面存在預(yù)裂紋。在采用合適的注塑成型工藝后，PEEK 輥的表面質(zhì)量得到改善，輥的疲勞壽命增加了 2~3 倍，可看出注塑工藝對(duì)成型齒輪的重要性。
2?、3D 打印
對(duì)于3D 打印的齒輪，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或任何模具, 就能直接從計(jì)算機(jī)圖形 數(shù)據(jù)中生成任何形狀進(jìn)行打印，不受設(shè)備大小的限制。在加工的過程中，也不會(huì)有材料的浪費(fèi)，不需要剔除邊角料，并充分提升材料的利用率。但是對(duì)于 3D 打印的齒輪需要研究其在設(shè)定負(fù)載條件下表現(xiàn)出來的性能、復(fù)雜的熱機(jī)械行為和超彈性和黏彈性行為等。
3D打印延時(shí)生成：球面差動(dòng)齒輪組 圖源：網(wǎng)絡(luò)
目前，用于3D 打印的材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，一些材料雖然能進(jìn)行 3D 打印， 但它并不具有環(huán)保性，這些材料的使用也就受到限制。在未來仍需要進(jìn)行多種材料的開發(fā)利用，以獲得更好性能的齒輪?，F(xiàn)在的高精度 3D 打印機(jī)比較貴、打印時(shí)間較慢，不能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)制造， 這些技術(shù)缺陷在 3D 打印齒輪方面，仍然需要進(jìn)行針對(duì)的研究開發(fā)。
在3D 打印齒輪的磨損性能方面，3D 打印材料不同對(duì)磨損失效有不同的影響， Zhang 等使用 5 種尼龍材料(尼龍618、尼龍 645、合金 910、Onyx 和Markforged 尼龍) 制備 3D 打印尼龍正齒輪，與尼龍 66 注塑齒輪作比較。磨損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3D 打印齒輪的磨損行為大多發(fā)生在齒輪節(jié)線上，大多是齒面的熔化，但并沒有材料脫落。在中低扭矩條件下，尼龍 618打印制造的齒輪具有最佳的耐磨性能，這可能是熱力學(xué)行為和每層之間的燒結(jié)效果導(dǎo)致的。為提升齒輪強(qiáng)度，可在打印材料中添加
不同的共混物進(jìn)行打印成型齒輪。Gbadeyan等通過在丙烯腈丁二烯苯乙烯層上引入不同重量百分 比的納米黏土逐層打印齒輪，如圖2所示。納米黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%的直齒圓柱齒輪的抗沖擊性、抗拉伸、抗彎曲性和 DMA 的力學(xué)性能較好，對(duì)于添加納米黏土和未添加納米黏土的丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯相比，柔韌性高、存儲(chǔ)模量低，這種復(fù)合材料可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)不同類型的直齒圓柱齒輪。
圖2 3D打印齒輪
3? 、機(jī)加工成型
機(jī)加工生產(chǎn)的齒輪需要按照公差要求進(jìn)行切削加工，加工過程中不僅要對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要切換刀具進(jìn)行切割。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，注塑成型適合大批量生產(chǎn)齒輪，機(jī)加工適合小批量的生產(chǎn)齒輪。Mao 等對(duì)機(jī)加工和注塑成型齒輪進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在小批量生產(chǎn)中，使用機(jī)加工成型乙縮醛齒輪，生產(chǎn)成本要比注塑生產(chǎn)齒輪低的多。在失效實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，機(jī)加工齒輪與注塑成型的乙縮醛齒輪的失效是一致的，因此，磨損率與制作過程無關(guān)。雖然在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，由于工作溫度達(dá)到臨界值的原因，注塑齒輪磨損加快， 但是也不能說明使用機(jī)切成型乙縮醛齒輪更好。因此，為了經(jīng)濟(jì)性和對(duì)將來大批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備，可以使用注塑成型來代替機(jī)加工制造齒輪。
結(jié)語
隨著通用塑料到工程塑料的發(fā)展， 塑料齒輪在質(zhì)量輕、運(yùn)行噪音小、耐磨性好、自潤(rùn)滑性能好、 耐腐蝕等多方面的優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)。纖維增強(qiáng)塑料齒輪在保證輕量化的同時(shí)，強(qiáng)度和耐磨性得到進(jìn)一步提升，塑料齒輪的應(yīng)用場(chǎng)所和使用工況得到進(jìn)一步拓展。塑料齒輪材質(zhì)的發(fā)展也對(duì)成型加工技術(shù)提出了更高的要求。注塑成型仍是塑料齒輪最主要的成型方式，主要在模具設(shè)計(jì)和注塑工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方面保證成型齒輪的完整性、尺寸精度及表面質(zhì)量。3D 打印也逐漸發(fā)展成為塑料齒輪的成型技術(shù)， 但成型周期較長(zhǎng)， 成型精度和表面質(zhì)量均需改進(jìn)，制品缺陷的解決主要依賴3D 打印的過程控制調(diào)整。機(jī)加工塑料齒輪的方法則主要受到經(jīng)濟(jì)性方面的限制，適用于小批量塑料齒輪的加工成型。
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考資料：塑料齒輪及其成型制造技術(shù)進(jìn)展，互聯(lián)網(wǎng)資料等。部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦高分子）：塑料齒輪及其成型制造技術(shù)進(jìn)展