Пластмассовые зубчатые колеса увеличиваются в размерах, приобретают более сложную геометрию и высокую прочность, при этом важную роль играют высокоэффективные смолы и композиты, наполненные длинным стекловолокном. За последние 50 лет пластиковые зубчатые колеса прошли путь от нового материала до важного промышленного материала.

Сегодня они используются в самых разных устройствах, таких как автомобили, часы, швейные машины, устройства управления конструкциями и ракеты, для передачи крутящего момента и формы движения. В дополнение к существующим областям применения будут появляться новые и более сложные области применения зубчатых колес, и эта тенденция продолжается.

Автомобильная промышленность стала одной из самых быстрорастущих областей применения пластиковых передач, и это успешное изменение внушает оптимизм. Автопроизводители стараются найти вспомогательные системы для всех видов автомобильных приводов.

Им нужны двигатели и редукторы, а не электроприводы, гидравлика или кабели. Это изменение привело к появлению пластиковых силовых передач в широком спектре применений, от дверей лифтов, сидений и фар слежения до тормозных приводов, сегментов электрического дросселя, регуляторов турбин и т. д.

Область применения пластиковых силовых передач расширяется. Прецизионные пластиковые шестерни часто используются для замены металлических шестерен в тех случаях, когда требуются большие размеры, например, в приводах стиральных машин, где используется пластик, что меняет предельные размеры шестерен.

Пластиковые шестерни используются и во многих других областях, например, в виброгасящих приводах систем вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), приводах клапанов в поточных установках, автоматических скрубберах в общих помещениях, силовых винтах для стабилизации поверхности в небольших самолетах, а также в винтовых и весовых измерительных приборах и устройствах управления в военной технике.

Крупногабаритная шестерня из высокопрочного пластика

Благодаря преимуществам литье пластмассовых шестерен которые могут быть отлиты в формы большего размера, с высокой точностью и высокими прочностными характеристиками, является важной причиной для развития пластиковых передач.

Как разработать конфигурацию зубчатой передачи, обеспечивающую максимальную мощность при минимальных погрешностях и шуме, - сложная задача. Для этого требуется высокая точность обработки для обеспечения концентричности, формы зубьев и других характеристик передачи.

Некоторые косозубые шестерни могут потребовать сложного формообразования для получения конечного продукта, в то время как другие требуют использования стержневых зубьев в более толстых деталях для уменьшения усадки.

Хотя многие литьё под давлением Специалисты добились возможности производить новое поколение пластиковых зубчатых колес, используя новейшие полимерные материалы, оборудование и технологии обработки, настоящим вызовом для всех переработчиков станет то, как подогнать всю эту высокоточную продукцию.

Сложность управления

Допуски, допустимые для высокоточных зубчатых колес, как правило, трудно назвать "хорошими", как утверждает Американская ассоциация производителей пластмасс (SPI).

Но сегодня большинство специалистов по лепке используют новейшие технологии. литьё под давлением Машины оснащены блоками управления, которые контролируют точность температуры формования, давление впрыска и другие переменные в сложном окне для формирования точных зубчатых колес.

Некоторые специалисты по формовке зубчатых колес используют более продвинутый подход, размещая в полостях датчики температуры и давления для повышения стабильности и повторяемости.

Для контроля качества зубчатых колес производителям пластмассовых шестерен необходимо использовать специализированное оборудование, например, детекторы бокового качения с двойными зубьями, а также детекторы с компьютерным управлением для оценки поверхности зубьев и других характеристик. Но наличие правильного оборудования - это только начало.

Те, кто пытается войти в индустрию прецизионных зубчатых колес, также должны адаптировать свои литьё под давлением Чтобы обеспечить максимально возможное качество изготовления зубчатых колес при каждом впрыске и в каждой полости.

Поскольку поведение механиков зачастую является решающим ФАКТОРОМ в производстве прецизионных зубчатых колес, они ДОЛЖНЫ уделять особое внимание обучению своих сотрудников и контролю за процессом работы.

Поскольку размер шестерни подвержен сезонным изменениям температуры, и даже колебания температуры, вызванные открытием двери и проездом вилочного погрузчика, могут повлиять на точность размеров шестерни, то производитель литья под давлением необходимо строго контролировать условия окружающей среды в зоне формовки.

Также необходимо учитывать такие факторы, как стабильное электропитание, подходящее сушильное оборудование, контролирующее температуру и влажность полимера, и охлаждающее устройство с постоянным потоком воздуха.

В некоторых случаях используется автоматическая технология, позволяющая снять шестерню с позиции формования и поместить ее на передаточное устройство за одно повторяющееся действие для достижения того же метода охлаждения.

Важные этапы охлаждения формовочного материала

Обработка высокоточных деталей сравнивается с требованиями к общей формовочной обработке, при которой необходимо уделять больше внимания деталям и методам измерения, необходимым для достижения точного уровня измерений.

Этот инструмент должен гарантировать, что температура литья под давлением и скорость охлаждения в полости одинаковы для каждой пресс-формы. Наиболее распространенная проблема при прецизионной обработке зубчатых колес - как справиться с симметричным охлаждением зубчатых колес и постоянством полости каждой пресс-формы.

В прецизионных штампах для зубчатых колес обычно не более 4 полостей. Поскольку первое поколение пресс-форм выпускало только одну шестерню с небольшим количеством специальных инструкций, для снижения стоимости вторичного нарезания часто использовались зубчатые вставки.

Прецизионные зубчатые колеса должны наплавляться с одного ворота в центре шестерни. Множественные проходы легко образуют линии сплавления, изменяют распределение давления и усадку, а также влияют на допуск шестерни.

Для материалов, армированных стекловолокном, поскольку волокна расположены радиально вдоль линии сварки, при использовании нескольких затворов легко вызвать "столкновение" эксцентрических радиусов.

Специалист по формовке может контролировать деформацию зубчатой канавки и добиться контролируемой, последовательной и равномерной усадки изделия, основываясь на хорошем оборудовании, конструкции формовки, способности используемого материала к растяжению и условиях обработки.

При формовке необходимо точно контролировать температуру поверхности формовки, давление впрыска и процесс охлаждения.

Другие важные факторы включают толщину стенок, размер и расположение затвора, тип, количество и направление уплотнения, скорость потока и формирующееся внутреннее напряжение.

Наиболее распространенными пластиковыми шестернями являются шестерни с прямыми зубьями, цилиндрические червячные шестерни и косозубые шестерни. Почти все металлические шестерни могут быть изготовлены из пластика.

Шестерни обычно формируются с помощью разъемной полости штампа. При обработке косозубых шестерен, поскольку шестерня или зубчатое кольцо, образующее зубья, должны вращаться во время впрыска, следует обратить внимание на их детали.

Червячная передача при работе производит меньше шума, чем прямые зубья, а после формования она удаляется путем вращения из полости или с помощью нескольких механизмов скольжения. Если используется механизм скольжения, он должен работать с высокой точностью, чтобы избежать очевидного расщепления швов на шестерне.

Новый процесс и новая смола

В настоящее время разрабатываются более совершенные методы формования пластмассовых зубчатых колес. Например, второй литьё под давлением Метод, благодаря конструкции упругого тела между валом колеса и зубьями, делает работу передачи более тихой, когда передача внезапно останавливается, может лучше поглотить вибрацию и избежать повреждения зубьев.

Оси могут быть изготовлены из других материалов, на выбор из более гибких или более ценных самосмазывающихся композитов.

В то же время, метод газового ассистирования и литьевое прессование были изучены как метод улучшения качества зубьев шестерни, общей точности шестерни и снижения внутренних напряжений.

Помимо самой шестерни, формовщикам также необходимо обратить внимание на конструкцию шестерни.

Расположение зубчатых валов в конструкции должно быть выровнено линейно, чтобы шестерни работали прямолинейно, даже при изменении нагрузки и температуры, поэтому стабильность размеров и точность конструкции очень важны.

Чтобы учесть это, зубчатые конструкции с определенной жесткостью должны быть изготовлены из таких материалов, как стекловолокно или полимеры с минеральным наполнителем.

Теперь, в области прецизионного производства зубчатых колес, появление целого ряда инженерных термопластов предлагает больше возможностей, чем когда-либо прежде.

Наиболее часто используемые материалы, такие как ацетал, полибутилен и полиамид, позволяют производить зубчатые передачи с превосходными показателями стойкости к образованию жиров, износостойкости, гладкости, высокой прочности при тангенциальных напряжениях и способности выдерживать вибрационные нагрузки, возникающие при работе поршневых двигателей.

Для получения кристаллического полимера необходимо формовать его при достаточно высокой температуре, чтобы обеспечить полную кристаллизацию материала, иначе в процессе эксплуатации из-за повышения температуры выше температуры формования в материале произойдет вторичная кристаллизация, что приведет к литьё под давлением Изменение размера шестерен.

Ацеталь, как важный литьевой пластик Материал для изготовления шестерен, уже более 40 лет широко используется в автомобилях, бытовой технике, офисном оборудовании и других областях.

Его стабильность размеров и высокая усталостная и химическая стойкость позволяют выдерживать температуры до 90 °С и выше. По сравнению с металлом и другими пластиковыми материалами, он обладает превосходными смазочными свойствами.

Полиэстер PBT может создавать очень гладкую поверхность, максимальная рабочая температура может достигать 150℃ без модификации наполнителя, а рабочая температура изделий, армированных стекловолокном, может достигать 170℃. Он хорошо сочетается с ацеталем, другими видами пластмасс и металлическими материалами и часто используется в конструкциях зубчатых колес.

Полиамидные материалы, по сравнению с другими пластмассами и металлическими материалами, обладают свойствами хорошей прочности и долговечности и часто используются в конструкции турбинных передач и зубчатых рам.

Рабочая температура полиамидной шестерни составляет до 150℃, когда она не заполнена, а рабочая температура изделия, армированного стекловолокном, составляет до 175℃.

Однако полиамиды обладают такими свойствами, как гигроскопичность или смазываемость, что приводит к изменению размеров, что делает их непригодными для использования в прецизионных зубчатых передачах.

Полифениленсульфид (PPS) обладает высокой твердостью, стабильностью размеров, усталостной прочностью и химической стойкостью до 200 °С. Его применение проникает в сферу сложных условий труда, автомобильную промышленность и другие конечные области использования.

Прецизионные шестерни из жидкокристаллического полимера (LCP) обладают хорошей стабильностью размеров. Он выдерживает температуру до 220 °С, обладает высокой химической стойкостью и низким уровнем формовочных усадочных изменений. Из этого пластика были изготовлены шестерни с зубьями толщиной около 0,066 мм, что эквивалентно 2/3 диаметра человеческого волоса.

Эластичность термопластика позволяет передаче работать тише, делая ее более гибкой и способной хорошо воспринимать ударные нагрузки. Например, маломощная и высокоскоростная передача, изготовленная из сополиэстера

Термопластичные эластомеры допускают некоторые отклонения, сохраняя при этом достаточную стабильность размеров и твердость, а также снижая уровень шума при работе. Примером такого применения являются шестерни, используемые в приводах для штор.

Такие материалы, как полиэтилен, полипропилен и сверхвысокомолекулярный полиэтилен, также использовались для производства зубчатых колес в относительно низкотемпературных, коррозионно-химических или быстроизнашивающихся средах. Рассматривались и другие полимерные материалы, но их применение в зубчатых передачах сопряжено со многими жесткими ограничениями;

Поликарбонат плохо смазывается, обладает химической стойкостью и усталостной прочностью. Материалы из ABS и LDPE обычно не отвечают требованиям к смазке, усталостной прочности, стабильности размеров, термостойкости, сопротивлению ползучести и другим характеристикам прецизионных зубчатых колес. Большинство этих полимеров используются в обычных, малонагруженных или низкоскоростных передачах.

Преимущество использования пластиковых шестеренок

По сравнению с пластиковыми шестернями того же размера шестерни из пластика, обработанные металлом, хорошо работают и имеют хорошую стабильность размеров при изменении температуры и влажности. Но по сравнению с металлическими материалами пластмассы имеют много преимуществ в стоимости, дизайне, обработке и производительности.

Присущая пластмассовому литью свобода проектирования обеспечивает более эффективное производство шестерен по сравнению с металлическим литьем.

Внутренние шестерни, наборы шестерен, червячные шестерни и другие изделия могут быть литьё под давлением из пластика, который трудно отлить из металлических материалов по разумной цене. Пластиковые шестерни используются в более широком спектре применений, чем металлические, поэтому они продвигают шестерни в сторону более высоких нагрузок и большей мощности.

Пластиковые шестерни также являются важным материалом для удовлетворения требований к низкой и тихой работе, что требует высокой точности, новой формы зубьев, а также отличной смазки или гибкости материалов.

Шестерни, изготовленные из пластика, как правило, не требуют вторичной обработки, поэтому по сравнению со штампованными и изготовленными на станке металлическими шестернями их стоимость гарантированно снижается на 50% - 90%.

Пластиковые шестерни легче и инертнее металлических цилиндрических шестерен и могут использоваться в средах, где металлические шестерни подвержены коррозии и разрушению, например, в водомерах и системах управления химическим оборудованием.

По сравнению с металлическими шестернями, пластиковые шестерни могут воспринимать ударную нагрузку за счет деформации прогиба и лучше рассеивать локальные изменения нагрузки, вызванные прогибом вала и ошибками.

Свойственные многим пластмассам смазывающие свойства делают их идеальными материалами для зубчатых колес принтеров, игрушек и других механизмов с низкой нагрузкой, не требующих смазки. Помимо работы в сухой среде, шестерни можно смазывать консистентной смазкой или маслом.

Усовершенствование материалов

При спецификации внутренних передач и конструкционных материалов следует учитывать важную роль волокон и наполнителей в свойствах смоляных материалов.

Например, при наполнении сополимера ацеталя коротким стекловолокном 25% (2 мм или менее) прочность на разрыв увеличивается в два раза, а твердость при высоких температурах - в три раза.

Использование длинных стекловолоконных наполнителей (10 мм и менее) повышает прочность, сопротивление ползучести, стабильность размеров, вязкость, твердость, износостойкость и многое другое.

Материалы, армированные LFRP, становятся привлекательными кандидатами для применения в крупных зубчатых передачах и конструкциях благодаря требуемой твердости и хорошим свойствам контролируемого теплового расширения.