聚甲醛齒輪強度形成機理及工藝優(yōu)化

武亞坤，曹 偉，沈亞強，張 楊

（1.鄭州大學 橡塑模具國家工程研究中心，河南 鄭州 450002；2.深圳市兆威機電股份有限公司，廣東 深圳 518105）

0 引 言

塑料齒輪具有質(zhì)量輕、成型周期短、摩擦因數(shù)小、自潤滑性能好、噪音小、耐腐蝕等優(yōu)點，越來越多地代替金屬齒輪被使用。目前對塑料齒輪的要求已經(jīng)從尺寸精度延伸至力學性能，高精度高強度的齒輪在行業(yè)內(nèi)備受青睞。聚甲醛是塑料齒輪的常用材料，具有較好的力學性能，又稱為“賽鋼”。但聚甲醛材料的高結(jié)晶度特性導致其成型的制品收縮較大，容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，影響制品強度[1]。

王汝海等[2]對聚甲醛齒輪進行了模擬分析，得出模具溫度是成型過程中較重要的因素，且齒頂最容易出現(xiàn)缺陷。P POSTAWA 等[3]認為注射成型過程中熔體溫度和保壓壓力對聚甲醛制品的質(zhì)量和收縮有較大影響。沈亞強等[4]通過MoldFlow 軟件進行模擬，并與實際情況進行對比，分析了塑料齒輪產(chǎn)生縮腰缺陷的原因，并提出了解決方法。潘多英[5]認為注射壓力和注射速度對聚甲醛制品的表面質(zhì)量有較大影響，適當提高注射壓力和注射速度可提高熔體的流動性，改善成型制品的表面質(zhì)量。汪曉蔓[6]通過模擬和試驗相結(jié)合的方法探討了模具溫度、熔體溫度、注射速度、保壓壓力、保壓時間對聚合物結(jié)晶的影響。M R KAMAL等[7]對聚甲醛的微注射制品進行分析，同樣得出注射速度、模具溫度和冷卻時間都會對聚甲醛制品的結(jié)晶產(chǎn)生影響。成型制品質(zhì)量缺陷和結(jié)晶行為都會影響齒輪的力學性能，良好的工藝組合能避免缺陷對聚甲醛齒輪強度的影響。

當前國內(nèi)外研究人員對聚甲醛材料的成型工藝進行了研究，提出了較多解決制品成型質(zhì)量缺陷的方法，但對聚甲醛齒輪強度的研究較少，對影響聚甲醛齒輪強度的機理缺乏科學分析。實際生產(chǎn)中對聚甲醛制品強度的調(diào)控一般采用“試湊法”，依賴于工程師經(jīng)驗?，F(xiàn)基于正交試驗法對聚甲醛注射成型齒輪力學性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系進行研究，采用齒根彎曲強度表征力學性能，優(yōu)化了齒輪強度計算方法，分析了模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、冷卻時間、保壓速度對齒輪力學性能的影響規(guī)律及顯著程度，通過采用差式掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）進行試驗，探索了影響齒輪強度的機理，以最優(yōu)的工藝參數(shù)注射成型的齒輪，其強度和結(jié)晶度都有提高。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

齒輪結(jié)構(gòu)如圖1 所示，齒數(shù)z 為33，模數(shù)m 為1.48 mm，壓力角α為29°，變位系數(shù)x為-0.971，齒頂圓尺寸da=48.6mm，齒根圓尺寸df=42.6mm。采用Delrin 100 NC010 牌號聚甲醛作為試驗材料，使用注塑機對熔體進行注射成型。每次改變注射工藝參數(shù)后，放棄模具成型的前3個樣品，待工藝穩(wěn)定后選取5個樣品作為試驗試樣。

圖1 齒輪結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方法

圖2 齒輪測試夾具及30°切線法示意圖

齒根彎曲時受到的彎曲應力、切應力和壓應力分別為[8,9]:

式中：b——齒寬，mm。

第三強度理論斷裂截面的最大應力：

其中，斷裂截面齒厚SF一般采用“30°切線法”計算[10]，但試驗發(fā)現(xiàn)實測的SF和hF與計算值有較大差異，影響斷裂強度的準確性。為此測量每組樣品實際齒頂圓、齒根圓、跨齒厚等尺寸及斷裂位置，使用齒形設(shè)計軟件生成齒形圖，測量得到SF和hF值，代替“30°切線法”計算值，提高了齒輪彎曲強度的可靠性。

2 工藝優(yōu)化

選取模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、注射速度、冷卻時間、保壓速度6個因素探討工藝參數(shù)對聚甲醛齒輪制品力學性能的影響，每個因素選取3 個水平因子，加一列誤差項，采用7 因素3 水平正交表進行正交試驗，因素水平設(shè)置如表1所示。

表1 因素水平表

基于試驗結(jié)果，對齒根彎曲強度進行方差分析，如表2所示，得到工藝參數(shù)對齒根彎曲強度的影響程度。對正交試驗結(jié)果進行直觀分析，得到各工藝參數(shù)對成型齒輪彎曲強度的影響趨勢，如圖3所示。

表2 工藝參數(shù)對齒根彎曲強度的影響程度

由表2 結(jié)果可知，模具溫度對齒根彎曲強度的影響最為顯著，占比69.2%，其次是熔體溫度，占比16.7%，其他參數(shù)對齒根彎曲強度的影響不大。齒根彎曲強度隨著模具溫度和熔體溫度的升高而增大，隨著保壓壓力的增大先增大后減小。

通過圖3 所示的趨勢可知：選取最優(yōu)工藝參數(shù)組合為模具溫度120 ℃、熔體溫度230 ℃、保壓壓力100 MPa、注射速度108 mm/s、冷卻時間40 s、保壓速度18 mm/s，按此工藝參數(shù)注射成型得到試驗樣品。

圖3 工藝參數(shù)對齒根彎曲強度的影響趨勢

3 機理分析及優(yōu)化結(jié)果驗證

3.1 機理分析

使用DSC3 儀器對每組工藝成型齒輪的相同位置進行DSC 測試，起始溫度25 ℃，氬氣流量50 ml/min，升溫速率10 ℃/min，升至230 ℃。對DSC 曲線取相同區(qū)間進行分析，采用公式（5）計算得到樣品的結(jié)晶度。

(1)各級黨委要認識到位，堅持把關(guān)心下一代工作作為一項戰(zhàn)略任務，納入學校和院系日常管理工作，站在確保黨和國家事業(yè)后繼有人的高度，全面認識做好關(guān)心下一代工作的重要性、必要性。

式中：ΔHf——聚合物焓，W/g；ΔH0f——聚合物100%結(jié)晶時的焓，W/g。

DSC曲線如圖4所示。

圖4 DSC曲線

基于DSC 測試結(jié)果進行方差分析，得到表3 所示工藝參數(shù)對結(jié)晶度的影響程度，對正交試驗結(jié)果進行直觀分析得到各工藝參數(shù)對結(jié)晶度的影響趨勢，如圖5所示。

表3 工藝參數(shù)對結(jié)晶度的影響程度

圖5 工藝參數(shù)對結(jié)晶度的影響趨勢

由表3 可知，模具溫度對結(jié)晶度的影響程度最大，占比58.1%，其次是冷卻時間和注射速度，分別占比20.4%和10.0%，其他工藝參數(shù)影響不大。

由圖3 和圖5 可知結(jié)晶度隨著模具溫度、注射速度的升高而增大，隨著冷卻時間的延長先升高后穩(wěn)定。因為較高的模具溫度使熔體在結(jié)晶溫度區(qū)間停留時間延長，結(jié)晶度提高，進而提高成型齒輪的強度。同樣較長的冷卻時間，也可以使制品的結(jié)晶時間延長，但溫度降到結(jié)晶溫度以下后結(jié)晶停止，后續(xù)的冷卻時間對結(jié)晶沒有作用，因此結(jié)晶度隨冷卻時間的延長趨于穩(wěn)定。高速注射會在待成型制品表面冷凝層附近產(chǎn)生較大的剪切熱，使冷凝層厚度減小，有利于提高結(jié)晶度[11]。此外較高的熔體溫度并不能擴大結(jié)晶溫度范圍，因此對結(jié)晶度沒有影響，但可以提高熔體的流動性，得到更好的充填效果，進而提高成型制品的強度。增大保壓壓力使型腔內(nèi)填入更多的熔體，提高了制品的密度和強度，但過高的保壓壓力會使高分子鏈運動受阻，不利于結(jié)晶，同時會導致制品內(nèi)殘余應力增大，反而降低了其強度，因此隨著保壓壓力的升高，結(jié)晶度降低，但制品強度先升高再降低。

3.2 最優(yōu)工藝參數(shù)組合驗證

用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行注射成型試驗，對樣品進行彎曲強度測試和DSC 測試，結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）得到壓力Fbn（曲線中最大載荷值），將其代入公式（1）、（2）、（3）得到斷裂截面上的最大應力為112.36 MPa，高于圖3 中所有工藝參數(shù)條件下得到的最大彎曲強度。對DSC 曲線峰值區(qū)間進行積分得到焓值ΔHf，再由公式（5）得到最優(yōu)工藝參數(shù)制品結(jié)晶度為48.5%，達到了圖5 所示其他工藝參數(shù)的最高結(jié)晶度水平，因此最優(yōu)工藝參數(shù)組合提高了成型齒輪的強度和結(jié)晶度。

4 結(jié)束語

對聚甲醛注射成型齒輪進行了齒根彎曲強度試驗，優(yōu)化了齒根彎曲強度測試方法，得到了準確的齒根彎曲強度結(jié)果，并對齒輪進行DSC 試驗，研究齒輪強度的影響機理，探討了工藝參數(shù)與力學性能的關(guān)系。試驗結(jié)果表明：模具溫度和熔體溫度對聚甲醛齒輪的強度影響較大，其中模具溫度的影響最為顯著；模具溫度和冷卻時間的增加會使聚甲醛結(jié)晶度提高，進而提高成型齒輪的強度；而較高的熔體溫度和注射速度會改善熔體的流動，避免成型齒輪產(chǎn)生缺陷，也提高了成型齒輪的強度。

圖6 最優(yōu)工藝參數(shù)成型制品的強度與DSC測試