[发明专利]塑料齿轮及其成型设备与方法

说明书

本发明涉及一种塑料齿轮及其成型设备与方法，属于机械设计与制造领域。所述塑料齿轮由连续纤维增强齿廓层和塑料主体组成，连续纤维增强齿廓层为垂直于齿轮齿面接触线方向排布连续纤维预浸带，与所述塑料主体无缝粘结为一体。具有耐腐蚀、韧性高、抗冲击强和损伤容限大的优异性能，相关结构赋予塑料齿轮齿廓极高的机械强度。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，采用了塑料齿轮的成型设备的成型方法通过熔融温度、注射速度、保压压力等工艺参数的优化调节，可实现连续纤维预浸带与高温塑料主体材料的充分粘结，同时可以实现高效率和规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种塑料齿轮及其成型设备与方法，属于机械设计与制造领域。

背景技术

齿轮是在机械产品中常用的机械零件，齿轮传动的效率高、传动比准确、功率范围大，广泛应用于多种场合。齿轮可以与其他机械零件(另一齿轮/齿条/蜗杆)实现传动，达到改变转速和运动方向等作用。齿轮通常采用金属材料制造而成。近年来塑料齿轮得到了广泛应用，塑料齿轮具有质量轻、易成型、耐腐蚀、传动噪声低、吸振性能好和自润滑等很多优势。塑料还可以进行着色处理，使模塑齿轮具有各种各样鲜艳美丽的色彩，在电动玩具、石英钟表等产品中采用这类五颜六色齿轮，既显得没美观大方、又方便于生产中装配操作；采用塑料齿轮替代金属齿轮也是一种满足低噪声运行要求的重要途径；塑料齿轮自身就具有一定的自润性能，因此可在没有润滑条件下长期工作。塑料齿轮主要通过注射成型制造方法，需要根据齿轮形状尺寸完成模具设计和制造，再将模具安装在注塑机上，通过注塑机螺杆驱动熔融的塑料经过模具浇口进入模具型腔之中填充保压后冷却固化成型。生产齿轮的一个注射成型工作循环过程主要包括合模、注射、保压、冷却、塑化、开模和顶出几个阶段。塑料齿轮注射成型方法具有制品设计灵活、生产效率高、成本低等优势。

近年来，应用在航空航天、国防、汽车等行业的各种机械零件所需的塑料齿轮越来越多。随着不同塑料性能的不断优化，塑料齿轮的强度也得到了提高，可以实现轻量化，减少制造成本，增加设计灵活性。由于塑料齿轮和金属齿轮所采用的材料不同，塑料齿轮的特性、设计方法、材料选用、加工工艺与设备以及检测方法均与金属齿轮有着很大的差异。金属齿轮的机械强度高、刚性好、温度和湿度变化对尺寸稳定性的影响小。塑料齿轮最大的弱点是轮齿的弯曲强度和尺寸精度较低，另外是对温度的适应性不良。目前，塑料齿轮常用塑料的种类较多，由于缺乏有关塑料齿轮强度、磨损和使用寿命等可信的计算方法而受到制约。因此，塑料齿轮代替金属齿轮，虽然可以发挥出塑料的很多优势，但是缺点也会暴露出来。最明显的还是齿轮表面强度的问题，在工作的过程中容易发生磨损、胶合、点蚀等疲劳缺陷，甚至发生断齿失效。因此，必须考虑加强齿轮的整体强度，特别是齿轮齿廓的强度。在塑料颗粒中加入短纤维或长纤维(通常是玻璃纤维、碳纤维等)制得的齿轮可具有更高的机械强度，并仍能发挥塑料的各种性能优势。采用短/长纤维增强塑料的塑料齿轮也是通过注射成型制造的，根据纤维含量不同可使塑料齿轮的强度有不同程度的提升。但是，在注射成型过程中由于纤维取向受到齿轮形状尺寸、模具设计和工艺参数的影响，容易产生局部应力集中，特别是在齿轮齿廓位置；甚至存在纤维取向集中沿齿宽分布反而导致纤维增强塑料齿轮更容易发生失效。另外，纤维在齿轮中的状态有的是团状的，有的是相互缠绕的杂乱无章，这样的纤维增强塑料齿轮的齿面会出现很多纤维束，纤维束的出现会导致一对齿轮在使用时相互摩擦加重，进而造成齿轮损伤。通过制品设计、模具设计和工艺参数的优化能够对短/长纤维在型腔中的分布及取向起到一定的作用，但不能从根本上解决纤维引起的负面问题。