欧阳志喜《塑料齿轮开发及应用综述》

塑料齿轮应用与开发综述
引言：齿轮模具是塑料齿轮应用与开发的关键环节
早在二战前，国外就已经出现采用帆布填充酚醛树脂压制而成的多层板，通过滚切加工成低噪声的大型齿轮。

美国杜邦公司称是该公司早于1963年，最先开发成功尼龙齿轮，并已在数以百计种产品中实现了齿轮“以塑代钢”目的，获得了极为广泛的成功应用。

二十多年前，这类塑料齿轮仅限于传递功率很小：如玩具、仪器仪表、石英闹钟、打印机等的传动齿轮。

由于塑料齿轮与金属齿轮相比较，具有重量轻、噪声低、振动小、耐高温、耐腐蚀、自润性、价廉物美等特点。

从而引发各行各业愈来愈大的关注与需求。

近十几年来，通过对高强度、高耐磨等特性的工程塑料聚合物和复合物的研发，对新型注塑设备性能的不断提升改进和对注塑工艺过程参数的更为优化控制，使人们能够生产出更大、更精密、传递功率更高的塑料齿轮。

特别是在全球军备竞赛和汽车工业发展等的驱动下，塑料齿轮的应用开发又获得了长足进步。

总之，塑料齿轮在当代齿轮制造产业中，已成为应用开发最快、最具活力和最有潜质的齿轮产业之一。

在我国，塑料齿轮起步于上世纪七十年代初。

塑料齿轮的开发应用也紧跟国际潮流，经历了以下三个阶段：
☆水、电、气三表计数器和各种机械式电动玩具中的传动齿轮；
☆洗衣机定时器、石英闹钟和手表全塑机芯、家用电器和各种办公用品与设备中的传动齿轮；
☆随着汽车工业迅猛发展，汽车雨刮、摇窗和启动电机、电动座椅中的水平、垂直以及调角驱动器中的斜齿轮、蜗轮和蜗杆等。

本文将简要介绍塑料齿轮的产品设计、材料选用、注塑机具、注射模中齿轮型腔的加工工艺、塑料齿轮的检测等的现状和发展。

一、塑料齿轮设计
塑料齿轮的强大优势就在于给齿轮设计所提供的机遇。

许多被原金属齿轮设计师所不看好和难以采纳的某些传动轮系结构和齿轮几何形状，均可轻而易举地通过塑料齿轮来得以实现。

其主要原因在于采用塑料齿轮可以大大减小传动装置的体积、重量，大大降低生产制
造成本和轮系的啮合噪声。

仅举两例说明如下：一是在原闹钟和手表传动轮系中，有多种结构、形状复杂齿轴和双联齿轮，这类金属齿轮零组件的加工周期长、成本高。

特别是双联齿轮要采用金属齿轴和轮片经过铆合组装而成。

而在石英闹钟和全塑手表中的这类零组件，就只需一付注射模，一道工序即可完成。

这种塑料齿轮的应用使得石英闹钟和全塑手表的售价低廉。

二是结构紧凑的分流式行星传动轮系，由于金属内齿轮等关键零组件的加工难度大、工序长和生产成本高而很少为设计师们所看重。

而采用塑料内齿轮却大大促进了这种小型化、轻量化的行星齿轮装置在家电和汽车电器中获得了广泛应用。

在这类新型大传动比行星减速传动装置中，由于采用PA66等塑料内齿轮，大大降低了电机轮系的传动啮合噪声。

塑料齿轮通常都采用渐开线齿制，这种齿制的齿轮能容纳齿轮传动装置所固有的中心距误差。

而采用非渐开线齿制，由于其中心距误差对啮合质量的敏感性大，因此不太适应于塑料齿轮。

但也有例外，如手表和石英闹钟的全塑机芯，出于节能考虑，在走时传动轮系中仍采用传统的圆弧齿制（俗称摆线）。

这种齿制对机芯上中下夹板轮系中心距的精度要求较高，由于采用收缩率小和尺寸稳定性高的ABS 等塑料，能基本满足这类圆弧齿制塑料齿轮轮系的传动要求。

作为塑料齿轮成功应用的典型范例之一：采用钢蜗杆与塑料斜齿轮（或塑料蜗轮）啮合的交错轴系传动轮系，已经在汽车摇窗、刮雨电机中获得了普遍应用。

这类轻载交错轴系传动轮系之所以获得成功，得益于这种新型材料组合与传统的钢蜗杆-铜蜗轮组合比较，具有重量轻、噪声小、制造成本低和良好的减震特性。

此外，这种组合对润滑条件的要求不高、还具有良好的电绝缘性能。

常用塑料齿轮的模数因产品类型不同而异。

如各种全塑定时器和中、低档石英闹钟机芯中的塑料齿轮模数为m0.2~0.45，中高档石英闹钟为m0.1~0.25；而全塑女式手表机芯走时轮系中的秒针齿轮最小模数为m≤0.05。

而汽车刮雨、摇窗等电机中的塑料斜齿轮模数为m0.5~1；在轮系设计中，应首选模数较大的渐开线塑料齿轮。

塑料齿轮应用中的一个重要课题是对齿轮的几何参数进行优化
设计。

其目的是在满足齿轮轮系的传动转矩、使用寿命和噪声要求的前题下，使轮系的布局、齿轮参数设计和材料选择更为合理，从而使产品成本降到最低。

塑料齿轮优化设计几乎涉及到与轮齿有关的所有几何参数。

目前，国内这方面的研究工作仍有待加强。

二、塑料齿轮材料的选用
塑料齿轮在绝大多数的应用领域内，多采用聚甲醛（POM）和尼龙（PA66）。

其主要原因是它们具有较非结晶态塑料更优良的抗疲劳性、高强度、高耐磨性。

尼龙是美国杜邦早于1938年推出并获得广泛应用的塑料。

但尼龙具有较强的吸湿性，及由此引起塑件的性能和尺寸变化，使设计师们更倾向于采用聚甲醛。

由于聚甲醛吸湿性极小、性能稳定，故可保证塑料齿轮长时间尺寸稳定和在较宽的温度范围内的抗疲劳、耐腐蚀等优良特性，因此一直是塑料齿轮的首选材料。

聚碳酸酯（PC）具有优良的抗冲击和耐候性、硬度高、收缩率小和尺寸稳定性好等优点，在仪器仪表精密塑料齿轮中，仍有较多的应用。

ABS具有小的收缩率和良好的尺寸稳定性，但它的抗疲劳特性和耐化学腐蚀性差，仅应用于玩具等轻载或短期工作的塑料齿轮。

液态结晶聚合物（LCP）具有优越流动性和尺寸稳定性。

但这种材料的材质呈层状结构组织，其抗剪切能力差。

因此，到目前为止，LCP仅用于手表全塑机芯传动用塑料齿轮。

塑料齿轮与钢齿轮比较，唯一的缺陷就是齿轮的强度较差。

为此，国内外材料专家对塑料齿轮材料的失效机理，进行了大量研究与试验。

特别是为提高齿轮强度、耐磨性能和自润性等目的，对添加玻纤和碳纤等增强塑料之摩擦、磨损以及失效机理进行深入研究。

所获得的许多有价值的成果，为设计师选用齿轮材料提供了宝贵的指导性意见，使得塑料齿轮轮系有望朝传递更高功率的方向发展。

聚醚醚酮（PEEK）是一种半晶态芳香族的高分子聚合物。

具有耐高温（连续工作温度达260℃）、耐磨损、耐化学腐蚀、低噪声、低吸湿性、高韧性和耐冲击性及高强度等特性。

由英国威克斯（Victrex）于上世纪七十年代为尖端武备而研发的。

我国吉林大学也随后自主原始创新研究成功这类高性能材料。

目前，PEEK 是国内
外性能最高、价格最贵的塑料齿轮材料。

三、 注塑机及其周边设备
上世纪八十年代以前，国内的注塑机十分简陋，主要是上海文教等厂生产的15、30克柱塞式液压立式注塑机。

这种立式注塑机，多采用一模一腔模具注射塑料齿轮，齿轮尺寸的一致较好。

随后为螺杆式液压卧式注塑机所取代。

到九十年代，电脑控制的系列液压注塑机占领了国内塑机的主要市场。

这类采用全液压注塑机加工塑料齿轮，多为一模四腔、一模八腔或十二腔。

有资料介绍德国的齿轮注射模多达一模32腔。

模具型腔越多生产效率愈高，但塑齿轮的尺寸一致性较差，对注塑精密塑料齿轮并不适合。

正是上述原因，在一些发达国家从八、九十年代开始研发桌面台式全自动微型注塑机，注塑量可小到0.001～0.1克，一台电脑可以同时控制十几台机床。

这种注塑机采用一模一腔模具，特别适应于精度要求高的微型塑料齿轮和塑件。

由于采用多台微型注机生产的塑料齿轮可以避免发生混批，即使个别机台的产品出了质量问题，也不会将不良品混入其他机台生产的合格品内，对产品质量保证十分有利。

1983 年日本日精树脂公司研制出世界上首台全电动注塑机，但由于价格和技术等方面的原因，限制了推广应用。

只是近年来随着伺服电机技术的日趋成熟和价格下降，以及环保和节能的需求，为全电动式注塑机的应用与发展注入了新的活力。

与传统的全液压注塑机相比，全电动注塑机在动力驱动系统上彻底抛弃了液压驱动系统，采用伺服电机通过滚珠丝杆机械驱动。

大幅度提高了注塑机动力系统的控制精度，彻底解决了液压油对环境的污染和噪声等问题。

据传宁波高新协力所开发的全电动注塑机也已面世。

对于采用PPS、PEEK等熔融温度和模温要求高的高性能塑料注塑齿轮时，必须配备有性能好的高温模温机加热。

此外，对环境的洁净度要求高的塑料，还需配备有除湿烘干机等多种周边设备。

四、模具齿轮型腔的设计与加工工艺
齿轮注射模是塑料齿轮采用与开发最为核心的一环。

而齿轮型腔又是注射模中最重要的零组件，型腔的结构取决于加工工艺。

齿轮型
腔齿廓，多采用电火花成型机进行加工。

如果仍采用线切割机加工，其齿轮型腔的结构会比较复杂。

但对于m≤0.15的齿轮型腔，特别是全塑手表中的齿轮最小模数m≤0.05，齿轮型腔需采用Φ≤0.03钼丝的慢走丝机进行切割加工。

由于石英闹钟机芯塑料齿轮m≥0.15，可采用精密电火花成型机进行齿轮型腔加工。

对于交错转系螺旋角≤10°的斜齿轮仍可采用具有锥度切割功能的线切割机加工型腔齿廓。

塑料蜗杆型腔的加工难度更大。

国内外，仍有不少企业采用电镍铸工艺制造蜗杆型腔，这种工艺的制造成本较低，但制造周期较长。

这种型腔最好仍采用带Z轴数控的精密电火花成型机加工。

由于采用整体型腔注塑蜗杆的脱模时间较长，因此，可将蜗杆型腔设计制造成双哈夫或四哈夫结构。

这种蜗杆注射模型腔的组合精度要求高，但注塑周期短。

已成功应用于低速传动的仪表轮系中的蜗杆注塑。

齿轮型腔齿形参数设计是塑料齿轮和塑料蜗杆注射模设计制造中的重要一环，特别是采用电火花成型加工所采用的电极齿轮或蜗杆齿形参数设计是一项细致的工作。

因为各种塑料特性在注塑流动和垂直方向上的收缩率是不相同的；其收缩率的大小还与产品的几何形状和结构、注塑时所选用的工艺参数有关。

此外，电极齿形参数设计，要考虑粗、中、精加工放电间隙，以及各段摇动量大小的分配和尽可能缩短电极进、退型腔的时间等因素。

因此，任何一种精密齿轮和蜗杆型腔的设计制造很难做到一次成功，往往需要两次以上的型腔和电极齿形参数的修正后，再通过工艺试验验证才能确定。

如果精密电火花成型机具备有三向摇动功能，则采用电极三向摇动加工的蜗杆型腔的螺纹表面，可以获得更好的粗糙度和缩短型腔的加工时间。

五、 塑料齿轮的检测
与金属齿轮比较，塑料齿轮有两大特点：一是齿轮模数较小，多为m≤1.5小型齿轮；二是齿轮的精度不高，多为GB/T10095-2001的9级齿轮，即使是精密塑料齿轮也仅为8级；这是注塑成型工艺特性所决定的。

但是由于塑料齿轮自身的弹性模量较小，轮齿又有一定的柔韧性；因此其齿轮齿形、齿向误差对轮系的啮合噪声的敏感性比金属齿轮低。

正是这一点，使得对塑料齿轮的精度等级的选定可比原
金属齿轮降低1～2级，仍可获得同等的啮合传动品质与噪声效果。

塑料齿轮的检测与中模数齿轮相比，在检测方法和手段上有较大区别。

因为中模数齿轮的本体大、齿间较宽，可进行直接测量。

而m ≤1塑料齿轮的本体小、齿间狭窄，采用通用国产齿轮检测仪器，往往可能由于没有大小合适测头，而无法进行直接测量。

当m≤0.5的塑料渐开线和非渐开线直齿轮，仍可采用光学投影仪，通过透明齿廓样板进行齿轮齿形、相邻齿距和累积齿距误差的放大比对检测。

这是国内外手表生产厂家，至今仍在采用的对齿轮和细小的结构零件进行尺寸和误差的传统检测方法。

对于齿数较多的片齿轮，投影样板的放大倍数多为20X、50X；齿数较少的轴齿轮多为50X、100X。

这种间接检测方法的测量效率较高，但主观性较大，可靠性与齿廓样板的放大倍数与制作精度有关。

对8～9级精度m≥0.5塑料直齿轮也可采用投影检测。

另外，塑料齿轮在注塑过程中，容易出现分型面齿廓“跑边”漏胶现象，这是塑料齿轮所不允许的但又是最常见的一种质量缺陷。

通过光学投影检测，即可作到一目了然的发现和及时杜绝。

但光学投影方法对斜齿轮只能检测其端面齿廓，齿廓投影也不够清晰，应首选齿轮测量仪器进行直接检测。

汽车中的刮雨、摇窗和座椅等电机中的塑料斜齿轮的齿形、齿向、齿距误差，没有必要采用国外进口的高精度齿轮检测仪器检测，完全可以采用国产齿轮检测仪器进行直接测量。

不过这些仪器的测量范围都比较偏重于中模数齿轮，对m≤1的小模数齿轮，往往会由于缺乏适当的小测头而无法进行。

建议国内齿轮量仪生产厂家能开发出其测量范围为m0.2～m4的齿轮检测仪器。

在生产过程质量控制中，可以采用与产品蜗杆具有相同参数的测量蜗杆，在经过改装的双面啮合仪上对塑料斜齿轮、蜗轮进行Fi”的检测。

实践证明这对控制塑料斜齿轮、蜗轮的产品质量也是一种行之有效的检测手段。

六、结束语
高性能、高强度的精密塑料齿轮、蜗杆的研发是一项难度大的系统工程。

需要由齿轮产品设计、塑性材料研发、注塑模具设计制造、注塑工艺调控和齿轮检测等方面的专家参予共同攻关团队来完成。

目前，我国高性能、高强度的精密塑料齿轮、蜗杆的研发基础仍十分薄弱，基本上是由企业根据用户的要求自行攻关开发。

因此，我国塑料齿轮与发达国家之间，存在着较大的差距，非常需要中国齿协《小模数齿轮工作委员会》组织有关大专院校、研究所和企业一道，有计划、有针对性的以“产、学、研”有效的三结合模式，进行科研攻关和自主创新，在塑料齿轮“以塑代钢”这一领域内能培养扶植几个有潜质的企业，迎头赶上塑料齿轮产业国外同行的先进水平。

宁波双林集团欧阳志喜
二○○六年十一月十二日
附注：此文已在《现代模具》2006.12期刊上发表。