哪些工程塑料可以做成齿轮？PEEK、PC、POM等工程塑料成型齿轮加工知识

　　工程聚合物是一种特殊的、高性能的合成塑料，具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，力学强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在环境苛刻的场合下长期使用。设计得当可以被塑造成机械功能强的半精密部件或结构部件，并为替代金属齿轮实现“ 以塑代钢”提供可能。工程塑料又可以细分分为通用工程塑料和特种工程塑料 2 类，其中可以成型齿轮的工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和热塑性弹性体、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)和液晶聚合物(LCP)等。

　　聚酰胺(PA)齿轮

　　聚酰胺(PA)材料具有热塑性材料的硬度，有良好的抗冲击性能和冲击韧性。某些情况下比金属性能更好，已经广泛应用于齿轮、凸轮和轴承的制作。但是它的热变形温度相对较低;制品在放置后有较大的吸水性，产生的残余应力会造成制品表面缺陷，改变表面的厚度，使屈服强度增大，韧性降低;使用过程中也会产生蠕变性。因此，为提升 PA 的性能，可进行共混改性来得到不同性能的共聚 PA。

　　PA 齿轮在结晶度方面，属于半结晶材料，可实现从固体到熔体的急剧转变。PA 在注塑成型时会受到结晶度的影响，通过对注塑成型 PA66 齿轮的研究发现，注塑过程中模具温度对制品的结晶度影响较大，球结晶在结晶过程中会有大小的变化，甚至最终导致制品的缺陷。在不同注射参数下，使用 PA66 材料的圆盘进行磨损机制研究，改变模具温度可以获得不同的微观球晶结构，球晶随壁面温度升高而变大。因此，为得到合适的制品，需要通过机加工方式来改善齿轮表面形貌。测试过程中，不同滑移率下，齿轮表面结晶处会产生不同程度的重结晶，并随着时间而增加。

　　PA 齿轮具有良好的润滑性，但在高负载情况下，齿轮的寿命会缩短、失效会增多。因此，仅凭借 PA 齿轮自身润滑性是不够的。为减少齿轮间的啮合磨损，Tavčar 等研究发现，以聚四氟乙烯 (PTFE)作为润滑剂会显著降低啮合摩擦系数，将 PTFE 添加到 PA 后，观察到摩擦明显减少，并实现60%以上的摩擦系数降低和 41%的工作温度降低，可在提高寿命的同时获得更大的扭矩动力，而在 PTFE与聚甲醛的结合应用中，却发现其不能显著提高齿轮的摩擦学性能。

　　聚甲醛 (POM) 齿轮

　　随着塑料齿轮的应用越来越多，应用要求已经从齿轮精度转向承载性能。聚甲醛(POM)材料良好的力学性能，可以集精度和承载为一身应用到齿轮的注塑成型。作为高结晶的线型聚合物，它是耐热塑胶的典范。通过注塑成型，POM 材料可以制成坚硬致密的抗疲劳、抗磨损齿轮，具有冲击性好，摩擦系数小，自润滑性能好的优势，因此，POM 是聚合物齿轮的首选工程材料。其缺点是成型制品时有收缩的趋势，并且容易产生缺陷。

　　在 POM 齿轮的成型工艺条件方面，注塑过程中的注射速度、模具温度、锁模压力和冷却时间对 POM 齿轮的注塑成型有着重要的影响。 POM 齿轮的成型质量和加工收缩率的变化有很大的影响，并会反映在结晶度上。注射速度、模具温度和冷却时间都会对 POM 制品的结晶产生影响，造成的制品缺陷和结晶行为会影响齿轮的力学性能，因此，良好的工艺组合可提高 POM 齿轮成型质量。

　　在 POM 齿轮的磨损失效方面，齿轮磨损会影响到齿轮的寿命，磨损与齿轮间的磨损系数有着紧密的联系，但磨损系数的评估的影响因素有很多需综合考虑。不同材料的齿轮的磨损机制不同，为探究不同材料齿轮啮合过程中的磨损机制， POM 直齿轮与钢齿轮副啮合时的磨损机制，较软的聚合物必然是材料磨损的一方。涂片的作用是检测齿轮间产生的扭矩，即产生的扭矩超过其弹性极限便会发生永久变形，从而获得磨损机制特征，提出基于聚合物非线性特性的迭代模型来描述 POM 齿轮的磨损机制，该模型可以获得每个负载下的永久和塑性变形。此外，通过磨损预测模型来确定磨损过程中的去除材料量。

　　聚碳酸酯(PC)齿轮

　　聚碳酸酯(PC)材料属于无色的玻璃态无定型聚合物，具有高冲击强度、尺寸稳定性好、蠕变小和良好的加工成型性能等优点。但是在较高温度的影响下 PC 易发生老化，因此在较高温度下使用此种材料需要对制品表面进行保护，进而延长 PC 的使用寿命。PC 制成的齿轮，由于材料无色透明，齿轮外观会十分精美，并且可安装在精密仪器仪表中，进行齿轮传动或者作为工艺装饰品，但其制成的齿轮会存在径向的齿形变，对于此种缺陷，需要进行精确地齿轮模拟仿真才可获得。实际中要对 PC 材料的齿轮进行表面处理，以减少齿面磨损。

　　聚醚醚酮(PEEK)齿轮

　　由于对聚合物齿轮的要求越来越高，就需要使用工程塑料达到齿轮工况要求，聚醚醚酮(PEEK)具有优异的力学、化学和热性能，比其他特种工程塑料更有优势。高温下的 PEEK 材料拉伸强度和弯曲模量依旧很高，并表现出可靠的耐蠕变和抗疲劳的性能，可以长期在 200 ℃的高温下使用。PEEK 齿轮也可在较大负载条件下实现动力传输，是当今模塑齿轮中的顶级工程材料。

　　聚苯硫醚齿轮

　　聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸稳定性好，耐疲劳和耐化学性能的优点， 是高温、腐蚀性环境中齿轮的首选材料，现在 PPS 齿轮已应用到汽车、特殊流体泵等苛刻的工作条件 下。PPS 可以与其他聚合物相互结合，从而达到良好的力学和摩擦性能，齿轮的磨损和传动性能也可得到提升。将聚四氟乙烯(PTFE)加入到 PA66/PPS 共混物中，发现共混物的力学性能下降，耐磨性却有很大的提高。Kim 等研究发现，在 PPS 中加入乙烯丙烯酸丁酯(EBA)混合物，在齿轮接触表面 PPS 少的条件下，摩擦系数会随着 EBA 的含量增加而降低，磨损机制从黏附磨损模式转变为磨料磨损模式，从而提高齿轮的寿命。

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