齒輪是機械設備中用來傳遞運動和動力的關鍵零件。隨著機械制造技術的快速發展，金屬齒輪在制造和應用方面的適用性逐漸跟不上現代制造業的發展速度。金屬齒輪是由切削、磨削等成形技術加工而成， 存在機加工誤差、造價高，且制作安裝難度很大。
隨著新材料的不斷涌現，塑料齒輪的應用越來越廣泛。在玩具、醫療器械、電子電器、國防軍事、航空航天等領域， 均能見到塑料齒輪的身影。相對于金屬齒輪，塑料齒輪質量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好，可通過模 塑成型、增材制造和機加工等多種途徑進行加工和批量生產，這些優點都是金屬齒輪所不具備的。
從“以塑代鋼”的角度出發，就需要使用合適的材料來代替金屬，減少產品的質量，但不減弱其強度，并能提高其耐腐蝕性、介電性能等，并能充分發揮塑料齒輪的可設計性、自潤滑性能。為提高齒輪的強度性能，可以在塑料齒輪中添加提高強度和熱性能的增強材料——玻璃纖維和碳纖維?。添加纖維后的塑料齒輪的力學性能得到顯著增強，可提升塑料齒輪在嚙合過程中的使用壽命。本文通過對塑料齒輪材料的發展、成型技術和失效檢測與評價等方面的研究進行調研和綜述，旨在為塑料齒輪的更新發展和研究提供可用的技術參考。
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、更復雜的形狀和更高強度的方向發展，注塑加工的優勢就可以體現出來。在保證齒輪制造精度的情況下，可以通過“一模多腔” ，實現快速大批量生產，還可對注塑齒 輪是進行優化設計，得到質量優化的齒輪，還不需要考慮加工工具的選擇切換。在注塑成型齒輪中，由于模具的設計成本較貴，需要保證模具設計的合理性。如果要改變齒輪形貌，要對注塑模具進行重新設計，如圖1所示。Mao 等設計鋁制齒輪模具，嵌件采用弧形澆口設計，并將頂針機構用于輪廓的設計，可有助于減少制品壁厚、縮短冷卻時間。
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率。由于齒輪大小和注射材料的不同，需要對注塑條件(模具溫度、注射溫度、注射速度和注射壓力等) 進行設計和實驗調試，以獲得最佳的熔體流動過程和充分的熔體對流換熱。在各注射工藝參數下，彭亞運等在對 PEEK 材料微型齒輪注塑成型時，發現模具內部溫度對制品有影響，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，可以獲得高質量制品，并提高制品的重復精度。在 DSC 分析中， 將碳納米管加入制品中可以促進 PLA 的晶體轉變，使制品表面模量和硬度提高。
齒輪模具
在Berer等研究注塑 PEEK 輥的點蝕磨損中，潤滑劑存在的條件下，點蝕量會增加，這與先前的研究有沖突的。因此，通過使用拉曼光譜進行的化學分析發現，潤滑劑對PEEK的特性沒有影響，并指出 PEEK 可以抵抗所有常見的化學影響。通過詳細的微觀分析，發現注塑輥表面存在預裂紋。在采用合適的注塑成型工藝后，PEEK 輥的表面質量得到改善，輥的疲勞壽命增加了 2~3 倍，可看出注塑工藝對成型齒輪的重要性。
2?、3D 打印
對于3D 打印的齒輪，不再需要傳統的刀具、夾具和機床或任何模具, 就能直接從計算機圖形 數據中生成任何形狀進行打印，不受設備大小的限制。在加工的過程中，也不會有材料的浪費，不需要剔除邊角料，并充分提升材料的利用率。但是對于 3D 打印的齒輪需要研究其在設定負載條件下表現出來的性能、復雜的熱機械行為和超彈性和黏彈性行為等。
3D打印延時生成：球面差動齒輪組 圖源：網絡
目前，用于3D 打印的材料遠遠不夠，一些材料雖然能進行 3D 打印， 但它并不具有環保性，這些材料的使用也就受到限制。在未來仍需要進行多種材料的開發利用，以獲得更好性能的齒輪。現在的高精度 3D 打印機比較貴、打印時間較慢，不能實現大批量生產制造， 這些技術缺陷在 3D 打印齒輪方面，仍然需要進行針對的研究開發。
在3D 打印齒輪的磨損性能方面，3D 打印材料不同對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。磨損實驗發現，3D 打印齒輪的磨損行為大多發生在齒輪節線上，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，這可能是熱力學行為和每層之間的燒結效果導致的。為提升齒輪強度，可在打印材料中添加
不同的共混物進行打印成型齒輪。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。納米黏土質量分數為 2%的直齒圓柱齒輪的抗沖擊性、抗拉伸、抗彎曲性和 DMA 的力學性能較好，對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、存儲模量低，這種復合材料可以在短時間內生產不同類型的直齒圓柱齒輪。
圖2 3D打印齒輪
3? 、機加工成型
機加工生產的齒輪需要按照公差要求進行切削加工，加工過程中不僅要對齒輪進行設計，還需要切換刀具進行切割。從經濟方面考慮，注塑成型適合大批量生產齒輪，機加工適合小批量的生產齒輪。Mao 等對機加工和注塑成型齒輪進行對比分析發現，在小批量生產中，使用機加工成型乙縮醛齒輪，生產成本要比注塑生產齒輪低的多。在失效實驗的結果中，機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。雖然在后續實驗中，由于工作溫度達到臨界值的原因，注塑齒輪磨損加快， 但是也不能說明使用機切成型乙縮醛齒輪更好。因此，為了經濟性和對將來大批量生產做準備，可以使用注塑成型來代替機加工制造齒輪。
結語
隨著通用塑料到工程塑料的發展， 塑料齒輪在質量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好、 耐腐蝕等多方面的優勢得到體現。纖維增強塑料齒輪在保證輕量化的同時，強度和耐磨性得到進一步提升，塑料齒輪的應用場所和使用工況得到進一步拓展。塑料齒輪材質的發展也對成型加工技術提出了更高的要求。注塑成型仍是塑料齒輪最主要的成型方式，主要在模具設計和注塑工藝參數調節方面保證成型齒輪的完整性、尺寸精度及表面質量。3D 打印也逐漸發展成為塑料齒輪的成型技術， 但成型周期較長， 成型精度和表面質量均需改進，制品缺陷的解決主要依賴3D 打印的過程控制調整。機加工塑料齒輪的方法則主要受到經濟性方面的限制，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進展，互聯網資料等。部分圖片來源于網絡。
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原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：塑料齒輪及其成型制造技術進展