聚甲醛齒輪強(qiáng)度形成機(jī)理及工藝優(yōu)化

武亞坤，曹 偉，沈亞強(qiáng)，張 楊

（1.鄭州大學(xué) 橡塑模具國(guó)家工程研究中心，河南 鄭州 450002；2.深圳市兆威機(jī)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(rùn)滑性能好、噪音小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地代替金屬齒輪被使用。目前對(duì)塑料齒輪的要求已經(jīng)從尺寸精度延伸至力學(xué)性能，高精度高強(qiáng)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(xué)性能，又稱為“賽鋼”。但聚甲醛材料的高結(jié)晶度特性導(dǎo)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(qiáng)度[1]。

王汝海等[2]對(duì)聚甲醛齒輪進(jìn)行了模擬分析，得出模具溫度是成型過(guò)程中較重要的因素，且齒頂最容易出現(xiàn)缺陷。P POSTAWA 等[3]認(rèn)為注射成型過(guò)程中熔體溫度和保壓壓力對(duì)聚甲醛制品的質(zhì)量和收縮有較大影響。沈亞強(qiáng)等[4]通過(guò)MoldFlow 軟件進(jìn)行模擬，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)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(rèn)為注射壓力和注射速度對(duì)聚甲醛制品的表面質(zhì)量有較大影響，適當(dāng)提高注射壓力和注射速度可提高熔體的流動(dòng)性，改善成型制品的表面質(zhì)量。汪曉蔓[6]通過(guò)模擬和試驗(yàn)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(shí)間對(duì)聚合物結(jié)晶的影響。M R KAMAL等[7]對(duì)聚甲醛的微注射制品進(jìn)行分析，同樣得出注射速度、模具溫度和冷卻時(shí)間都會(huì)對(duì)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(huì)影響齒輪的力學(xué)性能，良好的工藝組合能避免缺陷對(duì)聚甲醛齒輪強(qiáng)度的影響。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)聚甲醛材料的成型工藝進(jìn)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(duì)聚甲醛齒輪強(qiáng)度的研究較少，對(duì)影響聚甲醛齒輪強(qiáng)度的機(jī)理缺乏科學(xué)分析。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)聚甲醛制品強(qiáng)度的調(diào)控一般采用“試湊法”，依賴于工程師經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)基于正交試驗(yàn)法對(duì)聚甲醛注射成型齒輪力學(xué)性能與工藝參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，采用齒根彎曲強(qiáng)度表征力學(xué)性能，優(yōu)化了齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法，分析了模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、冷卻時(shí)間、保壓速度對(duì)齒輪力學(xué)性能的影響規(guī)律及顯著程度，通過(guò)采用差式掃描量熱儀（differential scanning calorimeter，DSC）進(jìn)行試驗(yàn)，探索了影響齒輪強(qiáng)度的機(jī)理，以最優(yōu)的工藝參數(shù)注射成型的齒輪，其強(qiáng)度和結(jié)晶度都有提高。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(hào)聚甲醛作為試驗(yàn)材料，使用注塑機(jī)對(duì)熔體進(jìn)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(gè)樣品，待工藝穩(wěn)定后選取5個(gè)樣品作為試驗(yàn)試樣。

圖1 齒輪結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 齒輪測(cè)試夾具及30°切線法示意圖

齒根彎曲時(shí)受到的彎曲應(yīng)力、切應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為[8,9]:

式中：b——齒寬，mm。

第三強(qiáng)度理論斷裂截面的最大應(yīng)力：

其中，斷裂截面齒厚SF一般采用“30°切線法”計(jì)算[10]，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)的SF和hF與計(jì)算值有較大差異，影響斷裂強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。為此測(cè)量每組樣品實(shí)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(jì)軟件生成齒形圖，測(cè)量得到SF和hF值，代替“30°切線法”計(jì)算值，提高了齒輪彎曲強(qiáng)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(shí)間、保壓速度6個(gè)因素探討工藝參數(shù)對(duì)聚甲醛齒輪制品力學(xué)性能的影響，每個(gè)因素選取3 個(gè)水平因子，加一列誤差項(xiàng)，采用7 因素3 水平正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)置如表1所示。

表1 因素水平表

基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，如表2所示，得到工藝參數(shù)對(duì)齒根彎曲強(qiáng)度的影響程度。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，得到各工藝參數(shù)對(duì)成型齒輪彎曲強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，如圖3所示。

表2 工藝參數(shù)對(duì)齒根彎曲強(qiáng)度的影響程度

由表2 結(jié)果可知，模具溫度對(duì)齒根彎曲強(qiáng)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(duì)齒根彎曲強(qiáng)度的影響不大。齒根彎曲強(qiáng)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(guò)圖3 所示的趨勢(shì)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(shí)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(yàn)樣品。

圖3 工藝參數(shù)對(duì)齒根彎曲強(qiáng)度的影響趨勢(shì)

3 機(jī)理分析及優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

3.1 機(jī)理分析

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

(1)各級(jí)黨委要認(rèn)識(shí)到位，堅(jiān)持把關(guān)心下一代工作作為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，納入學(xué)校和院系日常管理工作，站在確保黨和國(guó)家事業(yè)后繼有人的高度，全面認(rèn)識(shí)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(shí)的焓，W/g。

DSC曲線如圖4所示。

圖4 DSC曲線

基于DSC 測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到表3 所示工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶度的影響程度，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析得到各工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶度的影響趨勢(shì)，如圖5所示。

表3 工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶度的影響程度

圖5 工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶度的影響趨勢(shì)

由表3 可知，模具溫度對(duì)結(jié)晶度的影響程度最大，占比58.1%，其次是冷卻時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)先升高后穩(wěn)定。因?yàn)檩^高的模具溫度使熔體在結(jié)晶溫度區(qū)間停留時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)晶度提高，進(jìn)而提高成型齒輪的強(qiáng)度。同樣較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，也可以使制品的結(jié)晶時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)間對(duì)結(jié)晶沒(méi)有作用，因此結(jié)晶度隨冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。高速注射會(huì)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(kuò)大結(jié)晶溫度范圍，因此對(duì)結(jié)晶度沒(méi)有影響，但可以提高熔體的流動(dòng)性，得到更好的充填效果，進(jìn)而提高成型制品的強(qiáng)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(qiáng)度，但過(guò)高的保壓壓力會(huì)使高分子鏈運(yùn)動(dòng)受阻，不利于結(jié)晶，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致制品內(nèi)殘余應(yīng)力增大，反而降低了其強(qiáng)度，因此隨著保壓壓力的升高，結(jié)晶度降低，但制品強(qiáng)度先升高再降低。

3.2 最優(yōu)工藝參數(shù)組合驗(yàn)證

用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行注射成型試驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試和DSC 測(cè)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(yīng)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(qiáng)度。對(duì)DSC 曲線峰值區(qū)間進(jìn)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(dá)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(qiáng)度和結(jié)晶度。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)聚甲醛注射成型齒輪進(jìn)行了齒根彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，優(yōu)化了齒根彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法，得到了準(zhǔn)確的齒根彎曲強(qiáng)度結(jié)果，并對(duì)齒輪進(jìn)行DSC 試驗(yàn)，研究齒輪強(qiáng)度的影響機(jī)理，探討了工藝參數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：模具溫度和熔體溫度對(duì)聚甲醛齒輪的強(qiáng)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(shí)間的增加會(huì)使聚甲醛結(jié)晶度提高，進(jìn)而提高成型齒輪的強(qiáng)度；而較高的熔體溫度和注射速度會(huì)改善熔體的流動(dòng)，避免成型齒輪產(chǎn)生缺陷，也提高了成型齒輪的強(qiáng)度。

圖6 最優(yōu)工藝參數(shù)成型制品的強(qiáng)度與DSC測(cè)試