Gli ingranaggi in plastica si stanno orientando verso dimensioni più grandi, geometrie più complesse e una maggiore resistenza, con resine ad alte prestazioni e compositi a fibra di vetro lunga che svolgono un ruolo importante. Negli ultimi 50 anni, gli ingranaggi in plastica sono passati da materiale nuovo a materiale industriale importante.

Oggi sono incorporati in molte applicazioni diverse, come automobili, orologi, macchine da cucire, dispositivi di controllo strutturale e missili, per trasferire la coppia e la forma del movimento. Oltre alle applicazioni esistenti, continueranno ad emergere nuove e più difficili applicazioni di ingranaggi, e questa tendenza è ancora in corso.

L'industria automobilistica è diventata uno dei settori in più rapida crescita per gli ingranaggi in plastica, e questo successo è incoraggiante. Le case automobilistiche stanno cercando di trovare sistemi ausiliari per tutti i tipi di guida.

Hanno bisogno di motori e ingranaggi piuttosto che di potenza, idraulica o cavi. Questo cambiamento ha portato alla penetrazione degli ingranaggi di potenza in plastica in un'ampia gamma di applicazioni, dalle porte degli ascensori, ai sedili, ai fari di inseguimento, agli attuatori dei freni, ai segmenti di accelerazione elettrica, ai regolatori di turbine e altro ancora.

L'applicazione degli ingranaggi di potenza in plastica si è ulteriormente ampliata. Gli ingranaggi di precisione in plastica sono spesso utilizzati per sostituire gli ingranaggi in metallo lavorati in applicazioni in cui sono richieste grandi dimensioni, come ad esempio gli azionamenti delle lavatrici che utilizzano la plastica, il che cambia il limite dimensionale degli ingranaggi.

Gli ingranaggi in plastica sono utilizzati anche in molte altre applicazioni, come gli azionamenti per lo smorzamento delle vibrazioni nei sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), gli azionamenti delle valvole negli impianti di flusso, gli scrubber automatici nelle sale comuni, gli avvitatori di potenza per la stabilizzazione della superficie nei piccoli aerei, i misuratori di peso e di vite e i dispositivi di controllo nelle applicazioni militari.

Un ingranaggio in plastica di grandi dimensioni e ad alta resistenza

Grazie ai vantaggi di stampaggio di ingranaggi in plastica che possono essere stampati in dimensioni maggiori, con caratteristiche di alta precisione e di elevata resistenza, è un motivo importante per lo sviluppo degli ingranaggi in plastica.

La progettazione di una configurazione di ingranaggi che massimizzi la potenza della trasmissione riducendo al minimo gli errori di trasmissione e il rumore è una sfida. Ciò richiede un'elevata precisione di lavorazione per la concentricità, la forma dei denti e altre caratteristiche dell'ingranaggio.

Alcuni ingranaggi elicoidali possono richiedere complesse operazioni di sagomatura per ottenere il prodotto finale, mentre altri richiedono denti centrali in parti più spesse per ridurre il ritiro.

Mentre molti stampaggio a iniezione Gli specialisti hanno raggiunto la capacità di produrre la nuova generazione di ingranaggi in plastica utilizzando i materiali polimerici, le attrezzature e le tecniche di lavorazione più recenti, ma la vera sfida per tutti i trasformatori sarà come adattare l'intero prodotto ad alta precisione.

La difficoltà di controllo

Le tolleranze consentite per gli ingranaggi di alta precisione sono generalmente difficili da definire "buone", come dichiarato dall'Associazione americana dell'industria della plastica (SPI).

Ma oggi la maggior parte degli esperti di stampaggio UTILIZZA GLI ULTIMI stampaggio a iniezione macchine dotate di unità di controllo macchina che controllano la precisione della temperatura di stampaggio, la pressione di iniezione e altre variabili in una finestra complessa per modellare ingranaggi precisi.

Alcuni specialisti della formatura di ingranaggi utilizzano un approccio più avanzato, collocando sensori di temperatura e pressione nelle cavità per migliorare la coerenza e la ripetibilità.

L'ispezione dei produttori di ingranaggi in plastica richiede anche l'uso di attrezzature di ispezione specializzate, come i rilevatori di rotolamento laterale a doppio dente per controllare la qualità degli ingranaggi e i rilevatori controllati da computer per valutare le superfici dei denti degli ingranaggi e altre caratteristiche. Ma avere l'attrezzatura giusta è solo l'inizio.

Chi cerca di entrare nel settore degli ingranaggi di precisione deve anche adeguare il proprio stampaggio a iniezione per garantire la produzione di ingranaggi il più possibile omogenei in ogni iniezione e in ogni cavità.

Poiché il comportamento dei meccanici è spesso il FATTORE decisivo nella produzione di ingranaggi di precisione per stampi, essi DEVONO concentrarsi sulla formazione dei propri dipendenti e sul controllo del processo operativo.

Poiché le dimensioni dell'ingranaggio sono sensibili alle variazioni di temperatura stagionali e anche le fluttuazioni di temperatura causate dall'apertura della porta e dal passaggio di un carrello elevatore possono influire sulla precisione dimensionale dell'ingranaggio, la produttore di stampaggio a iniezione deve controllare rigorosamente le condizioni ambientali nell'area di stampaggio.

Altri fattori da considerare sono un'alimentazione stabile, un'apparecchiatura di essiccazione adeguata che controlli la temperatura e l'umidità del polimero e un'unità di raffreddamento con un flusso d'aria costante.

In alcuni casi, viene utilizzata una tecnologia automatica per rimuovere l'ingranaggio dalla posizione di formatura e posizionarlo sull'unità di trasferimento in un'unica azione ripetitiva per ottenere lo stesso metodo di raffreddamento.

Importanti fasi di raffreddamento dello stampaggio

La lavorazione di pezzi di alta precisione è confrontata con i requisiti della lavorazione generale dello stampaggio, che deve prestare maggiore attenzione ai dettagli e alle tecniche di misurazione necessarie per raggiungere un livello di misura preciso.

Questo strumento deve garantire che il temperatura di stampaggio a iniezione e la velocità di raffreddamento nella cavità sono uguali per ogni stampo. Il problema più comune nella lavorazione degli ingranaggi di precisione è come gestire il raffreddamento simmetrico degli ingranaggi e la consistenza di ciascuna cavità dello stampo.

Gli stampi per ingranaggi di precisione non superano generalmente le 4 cavità. Poiché la prima generazione di stampi produceva solo un ingranaggio con poche istruzioni specifiche, spesso venivano utilizzati inserti di denti per ridurre il costo del taglio secondario.

Gli ingranaggi di precisione devono essere iniettati da una porta al centro dell'ingranaggio. Più gate possono facilmente formare linee di fusione, modificare la distribuzione della pressione e il ritiro e influire sulla tolleranza dell'ingranaggio.

Per i materiali rinforzati con fibra di vetro, poiché la fibra è disposta radialmente lungo la linea di saldatura, è facile che si verifichi una "collisione" del raggio eccentrico quando si utilizzano più porte.

Un esperto di stampaggio è in grado di controllare la deformazione della scanalatura del dente e di ottenere una capacità di contrazione controllabile, coerente e uniforme del prodotto sulla base di una buona attrezzatura, della progettazione dello stampaggio, della capacità di allungamento del materiale utilizzato e delle condizioni di lavorazione come premessa.

Durante la formatura, è necessario controllare accuratamente la temperatura della superficie di formatura, la pressione di iniezione e il processo di raffreddamento.

Altri fattori importanti sono lo spessore della parete, la dimensione e la posizione della porta, il tipo di imballaggio, la quantità e la direzione, la portata e le sollecitazioni interne di formazione.

Gli ingranaggi in plastica più comuni sono quelli a denti dritti, quelli a vite cilindrica e quelli elicoidali. Quasi tutti gli ingranaggi in metallo possono essere realizzati in plastica.

Gli ingranaggi sono solitamente modellati da una cavità di stampo divisa. Quando si lavora un ingranaggio elicoidale, poiché l'ingranaggio o l'anello dentato che forma i denti deve essere ruotato durante l'iniezione, è necessario prestare attenzione ai suoi dettagli.

L'ingranaggio a vite senza fine produce un rumore minore rispetto ai denti dritti durante il funzionamento e, dopo la formatura, viene rimosso ruotando fuori dalla cavità o utilizzando meccanismi di scorrimento multipli. Se si utilizza un meccanismo di scorrimento, questo deve essere azionato con alta precisione per evitare che si formino punti spaccati evidenti sull'ingranaggio.

Nuovo processo e nuova resina

Sono in fase di sviluppo metodi più avanzati per la formatura di ingranaggi in plastica. Ad esempio, il secondo stampaggio a iniezione Il metodo, attraverso la progettazione di un corpo elastico tra l'albero della ruota e i denti, rende l'ingranaggio più silenzioso, quando l'ingranaggio smette improvvisamente di funzionare, può assorbire meglio le vibrazioni ed evitare danni ai denti.

Gli assali possono essere rimodellati in altri materiali, scegliendo tra materiali compositi più flessibili o più pregiati e autolubrificanti.

Allo stesso tempo, il metodo assistito da gas e stampaggio a compressione a iniezione sono stati studiati come metodo per migliorare la qualità dei denti dell'ingranaggio, la precisione complessiva dell'ingranaggio e ridurre le sollecitazioni interne.

Oltre all'ingranaggio stesso, il personale addetto allo stampaggio deve prestare attenzione anche alla struttura del design dell'ingranaggio.

La posizione degli alberi degli ingranaggi nella struttura deve essere allineata in modo lineare per garantire che gli ingranaggi scorrano in linea retta, anche quando il carico e la temperatura cambiano, quindi la stabilità dimensionale e la precisione della struttura sono molto importanti.

Per tenerne conto, le strutture degli ingranaggi con una certa rigidità devono essere realizzate con materiali come quelli rinforzati con fibre di vetro o polimeri caricati con minerali.

Oggi, nel campo della produzione di ingranaggi di precisione, l'emergere di una gamma di termoplastici ingegnerizzati offre più opzioni che mai.

I MATERIALI PIÙ COMUNQUE UTILIZZATI, COME L'ACETAL, IL PBT E LA POLIAMMIDE, POSSONO produrre ingranaggi con un'eccellente resistenza alla FATIGAZIONE, all'USURA, alla scorrevolezza, con un'elevata resistenza alle sollecitazioni tangenziali e con la capacità di sopportare i carichi di vibrazione causati dal funzionamento dei motori alternativi.

Il polimero cristallino deve essere formato ad una temperatura sufficientemente elevata da garantire la completa cristallizzazione del materiale, altrimenti durante l'uso, a causa dell'aumento della temperatura al di sopra della temperatura di stampaggio, il materiale subisce una cristallizzazione secondaria che porta alla formazione di un'altra sostanza. stampato a iniezione cambio di dimensione degli ingranaggi.

L'acetale, come importante plastica stampata a iniezione materiale per la produzione di ingranaggi, è stato ampiamente utilizzato in automobili, elettrodomestici, apparecchiature per ufficio e altri settori per più di 40 anni.

La sua stabilità dimensionale e l'elevata resistenza alla fatica e agli agenti chimici possono sopportare temperature fino a 90°C e oltre. Rispetto al metallo e ad altri materiali plastici, possiede eccellenti proprietà di lubrificazione.

Il poliestere PBT è in grado di produrre una superficie molto liscia, la temperatura massima di esercizio può raggiungere i 150℃ senza modifiche al riempimento e la temperatura di esercizio del prodotto rinforzato con fibra di vetro può raggiungere i 170℃. Funziona bene rispetto all'acetale, ad altri tipi di plastica e ai materiali metallici ed è spesso utilizzato nelle strutture degli ingranaggi.

I materiali poliammidici, rispetto ad altri materiali plastici e metallici, hanno proprietà di buona tenacità e durata e sono spesso utilizzati nella progettazione di trasmissioni a turbina e in applicazioni di ingranaggi.

La temperatura di esercizio dell'ingranaggio in poliammide è fino a 150℃ quando non è riempito, mentre la temperatura di esercizio del prodotto rinforzato con fibra di vetro è fino a 175℃.

Tuttavia, le poliammidi presentano caratteristiche di igroscopicità o di lubrificazione che comportano variazioni dimensionali, rendendole inadatte all'impiego nel settore degli ingranaggi di precisione.

Il solfuro di polifenilene (PPS) ha un'elevata durezza, stabilità dimensionale, resistenza alla fatica e resistenza chimica fino a 200°C. La sua applicazione sta penetrando nel campo delle condizioni di lavoro difficili, nell'industria automobilistica e in altri usi finali.

La produzione di ingranaggi di precisione in polimero a cristalli liquidi (LCP) ha una buona stabilità dimensionale. Può tollerare temperature fino a 220°C e presenta un'elevata resistenza chimica e basse variazioni di ritiro di formazione. Il materiale plastico è stato utilizzato per produrre ingranaggi con denti di circa 0,066 mm di spessore, pari a 2/3 del diametro di un capello umano.

L'elasticità termoplastica consente all'ingranaggio di funzionare in modo più silenzioso, rendendolo più flessibile e in grado di assorbire bene i carichi d'urto. Ad esempio, un ingranaggio a bassa potenza e alta velocità realizzato in copoliestere

Gli elastomeri termoplastici consentono alcune deviazioni mantenendo un'adeguata stabilità dimensionale e durezza, riducendo al contempo il rumore di funzionamento. Un esempio di tale applicazione è l'ingranaggio utilizzato negli attuatori per tende.

Anche materiali come il polietilene, il polipropilene e il polietilene ad altissimo peso molecolare sono stati utilizzati per la produzione di ingranaggi in ambienti a temperatura relativamente bassa, con sostanze chimiche corrosive o ad alta usura. Sono stati presi in considerazione anche altri materiali polimerici, ma sono soggetti a molte limitazioni nelle applicazioni degli ingranaggi;

Il policarbonato presenta scarsa lubrificazione, resistenza chimica e resistenza alla fatica. I materiali ABS e LDPE di solito non sono in grado di soddisfare i requisiti di lubrificazione, resistenza alla fatica, stabilità dimensionale, resistenza al calore, resistenza al creep e altre prestazioni degli ingranaggi di precisione. La maggior parte di questi polimeri viene utilizzata in applicazioni di ingranaggi convenzionali, a basso carico o a bassa velocità.

Il vantaggio di utilizzare ingranaggi in plastica

Rispetto agli ingranaggi in plastica delle stesse dimensioni, gli ingranaggi in plastica lavorati in metallo funzionano bene e hanno una buona stabilità dimensionale al variare della temperatura e dell'umidità. Tuttavia, rispetto ai materiali metallici, le materie plastiche presentano numerosi vantaggi in termini di costi, progettazione, lavorazione e prestazioni.

L'intrinseca libertà di progettazione dello stampaggio della plastica garantisce una produzione di ingranaggi più efficiente rispetto allo stampaggio del metallo.

Gli ingranaggi interni, i set di ingranaggi, gli ingranaggi a vite senza fine e altri prodotti possono essere stampato a iniezione in plastica, che è difficile da stampare da materiali metallici a un prezzo ragionevole. Gli ingranaggi in plastica sono utilizzati in una gamma più ampia di applicazioni rispetto agli ingranaggi in metallo, quindi spingono gli ingranaggi a sopportare carichi più elevati e a fornire maggiore potenza.

Gli ingranaggi in plastica sono anche un materiale importante per soddisfare i requisiti di un funzionamento basso e silenzioso, che richiede un'elevata precisione, una nuova forma dei denti e un'eccellente lubrificazione o flessibilità dei materiali.

Gli ingranaggi in plastica in genere non necessitano di lavorazioni secondarie, quindi rispetto agli ingranaggi in metallo stampati e lavorati a macchina, il costo è garantito da 50% a 90%.

Gli ingranaggi in plastica sono più leggeri e più inerti degli ingranaggi cilindrici in metallo e possono essere utilizzati in ambienti in cui gli ingranaggi in metallo sono soggetti a corrosione e degrado, come i contatori dell'acqua e il controllo delle apparecchiature chimiche.

Rispetto all'ingranaggio in metallo, l'ingranaggio in plastica può assorbire il carico d'urto tramite la deformazione e può disperdere meglio le variazioni di carico locali causate dalla deflessione dell'albero e dall'errore.

Le caratteristiche di lubrificazione intrinseche di molte materie plastiche le rendono materiali ideali per ingranaggi di stampanti, giocattoli e altri meccanismi operativi a basso carico, senza lubrificanti. Oltre a funzionare in un ambiente asciutto, gli ingranaggi possono essere lubrificati con grasso o olio.

La valorizzazione dei materiali

Nelle specifiche degli ingranaggi interni e dei materiali strutturali, si deve tenere conto del ruolo importante delle fibre e delle cariche nelle proprietà dei materiali resinosi.

Ad esempio, quando il copolimero acetalico viene riempito con una fibra di vetro corta (2 mm o meno) 25%, la sua resistenza alla trazione aumenta di due volte e la sua durezza aumenta di tre volte alle alte temperature.

L'uso di fibre di vetro lunghe (10 mm o meno) migliora la forza, la resistenza al creep, la stabilità dimensionale, la tenacità, la durezza, l'usura e molto altro ancora.

I materiali rinforzati con LFRP stanno diventando un candidato interessante per le applicazioni strutturali e di ingranaggi di grandi dimensioni, grazie alla durezza richiesta e alle buone proprietà di espansione termica controllata.