注塑齿轮的设计和制造

　　注塑齿轮与机加工齿轮相比，除了利用渐开线共轭来传递运动这一点相同外，几乎没有其它共同之处。这两种齿轮具有本质上的区别。机加工齿轮是在为特定加工任务而设计的专用齿轮机床上切削加工至规定尺寸；注塑齿轮则是在齿轮模腔中注塑成形，该模腔通常用线切割放电加工机床(EDMs)加工而成。注塑齿轮模腔的尺寸大小可保证注模后经冷却收缩的注塑齿轮具有正确的尺寸公差。用一个模腔可以加工出上百万个注塑齿轮。

　　齿轮切削加工制造商承担的任务是按照公差要求切削加工出每一个齿轮。而注塑齿轮制造商面临的任务则是制造出一个接近完美的齿轮模腔，然后用这个模腔加工出所有符合公差要求的齿轮。这一看来虽小但却意义重大的差别导致了很多其它变化。这种差异在一旦决定采用注塑齿轮时就已形成。

　　注塑齿轮的设计

　　毫无疑问，注塑齿轮必须在模腔内成形。这一事实导致了重要的后果。注模型腔和其中的轴类零件很难具有机械传动机构所能提供的精密公差。型腔和齿轮有可能随着湿度和温度的变化以不同的比率收缩或膨胀。随着本地条件的不同，注塑齿轮的强度、硬度甚至传动效率都将有所变化。在承载情况下，轮齿表面的温度将会升高，从而影响塑料的特性。由于存在这些变量及其它一些因素，有必要对齿轮的轮齿进行定制设计。

　　注塑齿轮设计的优势体现在应用上。大部分注塑齿轮传动都是独一无二的。一个齿轮可以精确设计为只有与另一个配对齿轮啮合时方能完成其指定功能。此外，注塑齿轮的优化设计与制造几乎不必考虑工具因素。

　　线切割放电加工机床制造的模腔，其精度取决于计算机辅助设计的精度。齿轮模腔的公差可达到微米级。事实上，不再需要传统的滚刀，径节或模数也不再是重要的技术参数。渐开线基圆成为重要的变量。压力角能以模拟量方式进行调整，以平衡轮齿啮合时强度与高度的关系。定制设计的齿轮与标准齿轮相比，在性能、安静度以及允许公差方面都有很大的改进和提高。

　　齿轮注模装置

　　经过齿轮啮合设计和制定公差后，下一步需要制作注模装置。齿轮注模装置必须精密，具有良好的热稳定性，经过硬化的滑套和表面，精确的齿轮模腔形状，以及设计高压注射模。齿轮模腔本身必须根据选用的模具材料专门设计。

　　对于特定应用场合的注塑齿轮，由于受到许多因素的影响，无法精确预测其实际收缩量。其中最重要的因素是注塑齿轮在模腔中的收缩并非各向同性。齿轮主体的收缩情况可能与制造者的预测比较接近，但由于齿轮轮齿的周围是钢材，因此其冷却形态与较大齿轮主体的宏观冷却形态不同。

　　确定收缩量的一个较好方法是二步趋近法。预先估计齿轮的收缩系数，据此制成注塑模具并加工出首批齿轮后，对齿轮样件的渐开线齿廓进行精密测量，以确定各部分的收缩率，然后根据测得的收缩率重新制作新的模腔，最后就可以得到几何精度合格的注塑齿轮。只有通过对齿廓的检测，才能精确确定渐开线的收缩率。通过对齿轮的滚动检测，可以得知齿轮不均匀收缩的某些状况，但有时也会引起误导。

　　有时可选用玻璃填充材料来制造注塑齿轮，由于这种材料收缩率很低，此时收缩现象不再成为注模设计中的问题。但这种方法也可能引起新的问题。未填充玻璃的工程树脂如尼龙和乙缩醛，虽然存在收缩，但能注模加工出非常精密的形状。而玻璃填充材料在注塑流前面汇合处会产生搭接线，它将引起轮齿表面变形以及在齿轮上产生一些局部薄弱点。一般来说，玻璃填充齿轮与未填充玻璃的同等齿轮相比，在寿命期内更易磨损。填充材料通常只用于有特殊需要的场合，如当齿轮超重将成为问题时。

　　齿轮注模工艺

　　各种注模工艺和注模机械都不尽相同。齿轮注模工艺对精确性和重复性要求较高。一般来说，高精度齿轮需要用新树脂制造。但即使使用新树脂，材料仍须具有合适的干燥度，其熔化温度必须精确控制并可重复，注塑压力也必须精确控制。还必须考虑注模装置与注模工艺过程控制的协调一致。

　　当在高温高压下进行注模加工时，熔化的塑料必须取代模腔中的空气。因此必须设立可让空气排出而树脂又不会流出的排气口。如果排气口太小，气体排出不畅，可能会引起燃烧；如果排气口太大，熔化的塑料将会流出，并在零件上形成飞边。

　　建议注塑齿轮用户在最终签订合同之前去访问一下注塑齿轮加工厂。大致考察一下注模设备情况、工厂的清洁程度、检测能力和人员配备等，这将有助于正确评价该厂是否具有成功进行注模加工和控制的潜在能力。例如，在一个没有温度控制的环境中是很难制造出精密注塑齿轮的。在湿度90%、温度华氏100°的情况下加工精密注塑齿轮极其困难。

　　注塑齿轮的检测

　　多年来，齿轮检测技术不断改进，以精确测定齿轮切削加工中产生的大部分误差。渐开线齿廓的扫描测量通常只检测一圈中的少数几个齿。金属齿轮在滚削、插削等齿轮机床上加工而成，各齿的齿形基本相同。而注塑齿轮则可能在齿轮任一齿面的某个位置上出现很大的个别误差。更有甚者，模注工艺还可能引入许多与传统机械加工不同类型的误差。

　　由于任何注塑齿轮都要收缩，而渐开线齿廓是一种目标齿形，并不是一个给定数值。无论是采用径节、模数、基节、压力角或任何其它渐开线参数来控制齿轮几何形状，对于实际的加工零件而言，这些参数都是变量。对于这些变化的参数，有必要设定实际可行的公差。

　　能够确定注塑齿轮尺寸合格(位于公差带中)的唯一方法是扫描测量渐开线齿廓，确定齿轮的实际物理几何尺寸。但可能存在以下情况：注塑齿轮的尺寸已完全超出公差要求，但滚动综合检测结果仍然合格。例如一个齿轮的齿廓检测结果，其渐开线基圆已远远偏离了规定值。被测齿轮有64个齿，所用测量齿轮也有64个齿，滚动检测中齿轮的同时啮合齿数较多，测量结果中几乎没有一齿综合偏差。这种齿轮虽然看起来较大，但基圆很小。由于齿轮的齿厚减薄，因此在滚动检测中可以达到良好的技术指标。而一旦将这些注塑齿轮零件提供给用户，与正确尺寸的金属齿轮啮合时就会立即失效。

　　为了防止出现这种误差，必须对齿轮每一项标注公差的尺寸变量制定技术规范。其中一个获得AGMA(美国齿轮制造商协会)认可的技术规范是最近才完成的《注塑齿轮检测指南》。

　　注塑齿轮的建议技术参数

　　在AGMA系统中，采用齿轮的基圆几何参数作为基本控制参数。间接的齿轮参数如径节和压力角等作为工作数据，在传统分析时作为参考基准。

　　齿轮滚动检测可认为是在批量生产中确保注塑齿轮质量一致性的最好方法。它不仅表述了齿轮的综合总误差(TCE)或一齿综合误差(TTE)，同时还能确定被测齿轮与测量齿轮啮合的实际中心距是否位于指定的正负公差带内。这就提供了一种简便的方法来确保注塑齿轮日常生产的一致性。对于一批样本齿轮滚动检测结果的统计分析，可以确定齿轮的总体形状和绝对尺寸是否处于公差带内。滚动检测对于注塑齿轮而言，更像是建立了一种滚动检测合格验证，并应确保每天生产的注塑齿轮都要符合这一验证。

　　注塑齿轮的发展前景相当乐观。材料不断获得巨大改进，注塑机械越来越精密，检测设备已能对这些独特的注塑齿轮进行高精度测量。将来，可以期待用注塑齿轮替代金属齿轮应用于较轻载荷的传动应用中。厂家们正在继续寻找那些不能采用金属齿轮，而塑料齿轮却有用武之地的使用场合和领域。

　　为了进入这些新的潜在应用领域，必须正确实施每一个步骤，挖掘注塑齿轮的每一个优点。其结果是将开发出性能优异的新一代动力传输产品。

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