[发明专利]塑料齿轮及其成型设备与方法

权利要求书

1.一种塑料齿轮，包括连续纤维增强齿廓层和塑料主体，其特征在于：所述连续纤维增强齿廓层为齿轮轮廓形状，与所述塑料主体无缝粘结为一体；所述连续纤维增强齿廓层的材料为连续纤维预浸带，采用单向的连续纤维，连续纤维沿垂直于齿轮齿面接触线方向排布，所述塑料主体的材料为聚合物或纤维增强聚合物复合材料；连续纤维预浸带包括连续纤维和聚合物基体，连续纤维为芳纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维、金属纤维中的任意一种或任意两种及以上的组合，聚合物基体为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的任意一种或任意两种及以上的组合；纤维增强聚合物复合材料为长纤或短纤增强的聚合物复合材料，纤维增强聚合物复合材料包括纤维和聚合物基体，纤维增强聚合物复合材料的纤维为芳纶纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、碳纤维、金属纤维中的任意一种或任意两种及以上的组合，纤维增强聚合物复合材料的聚合物基体为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乳酸、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的任意一种或任意两种及以上的组合。

2.制造权利要求1所述的塑料齿轮的成型设备，其特征在于：所述塑料齿轮的成型设备包括齿条模具、夹具、加热器、热压机、注塑机、齿轮模具和回火加热器，其特征在于：所述齿条模具包括凹模和凸模，凹模和凸模合模后制件形成的间隙为齿条轮廓形状，间隙尺寸根据连续纤维增强齿面塑料齿轮的连续纤维增强齿廓层厚度确定；齿条轮廓形状和尺寸根据齿轮齿廓形状和尺寸设计，一个完整齿形包括齿顶、齿侧、齿底和过渡段；考虑连续纤维增强齿廓层的厚度不同，凹模齿条轮廓由齿轮的连续纤维增强齿廓层的内层面即与塑料主体粘结面的齿廓演变而成，凸模齿条轮廓由齿轮的连续纤维增强齿廓层的外层面的齿廓演变而成；齿条轮廓各段尺寸与齿轮轮廓各段尺寸一一对应；所述凹模和凸模可互换。

3.如权利要求2所述的塑料齿轮成型设备，其特征在于：连续纤维预浸带为两条或两条以上，总长度等于齿轮外廓长度；热压成型为齿条形状外廓后，各齿条形状的连续纤维预浸带可首尾相接完成一圈，同齿轮型腔的齿形外廓相同。

4.如权利要求3所述的塑料齿轮成型设备，其特征在于：采用两条或两条以上的连续纤维预浸带首尾相接位置设计在齿轮齿顶位置。

5.如权利要求3所述的塑料齿轮成型设备，其特征在于：所述回火加热器采用与齿轮外廓近似形状。

6.一种塑料齿轮的成型方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求2-5中任一项所述的塑料齿轮的成型设备进行，所述方法具体步骤如下：

1)取宽度与要成型的齿轮齿宽相同的连续纤维预浸带，连续纤维预浸带的长度根据齿轮外廓长度确定，裁切；

2)将连续纤维预浸带通过夹具夹住，通过加热器预热；

3)通过齿条模具和热压机将连续纤维预浸带热压成型为齿条形状；

4)再将预成型的齿条形状的连续纤维预浸带弯曲；

5)放入齿轮模具型腔中，齿条形状与齿轮模具型腔的齿形外廓贴合；

6)通过注塑机将加热塑化熔融的塑料主体材料注射填充型腔，利用熔料产生的压力和温度使熔料与连续纤维预浸带粘结复合，最后冷却固化；

7)开模顶出；

8)齿轮顶出后，通过回火加热器对齿轮齿面进行回火处理。

7.如权利要求6所述的塑料齿轮的成型方法，其特征在于：在连续纤维预浸带热压成型过程中，预热温度为260～280℃，热压温度130～160℃，热压时间30秒以上；在注射成型过程中，加热熔融的料筒温度280℃，通过模温机控制模具温度120℃，注射速度100mm/s，保压压力100MPa，保压时间10秒，冷却固化的冷却时间12秒。

8.如权利要求6所述的塑料齿轮的成型方法，其特征在于：所述回火处理的回火温度接近连续纤维预浸带的基体材料的熔融温度。