聚甲醛齒輪強度形成機理及工藝優化

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

塑料齒輪具有質量輕、成型周期短、摩擦因數小、自潤滑性能好、噪音小、耐腐蝕等優點，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從尺寸精度延伸至力學性能，高精度高強度的齒輪在行業內備受青睞。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晶度特性導致其成型的制品收縮較大，容易出現質量缺陷，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量。汪曉蔓[6]通過模擬和試驗相結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晶產生影響。成型制品質量缺陷和結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。實際生產中對聚甲醛制品強度的調控一般采用“試湊法”，依賴于工程師經驗。現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之間的關系進行研究，采用齒根彎曲強度表征力學性能，優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，以最優的工藝參數注射成型的齒輪，其強度和結晶度都有提高。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

齒輪結構如圖1 所示，齒數z 為33，模數m 為1.48 mm，壓力角α為29°，變位系數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后，放棄模具成型的前3個樣品，待工藝穩定后選取5個樣品作為試驗試樣。

圖1 齒輪結構

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]，但試驗發現實測的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，因素水平設置如表1所示。

表1 因素水平表

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

表2 工藝參數對齒根彎曲強度的影響程度

由表2 結果可知，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：選取最優工藝參數組合為模具溫度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，按此工藝參數注射成型得到試驗樣品。

圖3 工藝參數對齒根彎曲強度的影響趨勢

3 機理分析及優化結果驗證

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 曲線取相同區間進行分析，采用公式（5）計算得到樣品的結晶度。

(1)各級黨委要認識到位，堅持把關心下一代工作作為一項戰略任務，納入學校和院系日常管理工作，站在確保黨和國家事業后繼有人的高度，全面認識做好關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 測試結果進行方差分析，得到表3 所示工藝參數對結晶度的影響程度，對正交試驗結果進行直觀分析得到各工藝參數對結晶度的影響趨勢，如圖5所示。

表3 工藝參數對結晶度的影響程度

圖5 工藝參數對結晶度的影響趨勢

由表3 可知，模具溫度對結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%，其他工藝參數影響不大。

由圖3 和圖5 可知結晶度隨著模具溫度、注射速度的升高而增大，隨著冷卻時間的延長先升高后穩定。因為較高的模具溫度使熔體在結晶溫度區間停留時間延長，結晶度提高，進而提高成型齒輪的強度。同樣較長的冷卻時間，也可以使制品的結晶時間延長，但溫度降到結晶溫度以下后結晶停止，后續的冷卻時間對結晶沒有作用，因此結晶度隨冷卻時間的延長趨于穩定。高速注射會在待成型制品表面冷凝層附近產生較大的剪切熱，使冷凝層厚度減小，有利于提高結晶度[11]。此外較高的熔體溫度并不能擴大結晶溫度范圍，因此對結晶度沒有影響，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，不利于結晶，同時會導致制品內殘余應力增大，反而降低了其強度，因此隨著保壓壓力的升高，結晶度降低，但制品強度先升高再降低。

3.2 最優工藝參數組合驗證

用最優工藝參數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 中所有工藝參數條件下得到的最大彎曲強度。對DSC 曲線峰值區間進行積分得到焓值ΔHf，再由公式（5）得到最優工藝參數制品結晶度為48.5%，達到了圖5 所示其他工藝參數的最高結晶度水平，因此最優工藝參數組合提高了成型齒輪的強度和結晶度。

4 結束語

對聚甲醛注射成型齒輪進行了齒根彎曲強度試驗，優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，探討了工藝參數與力學性能的關系。試驗結果表明：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，避免成型齒輪產生缺陷，也提高了成型齒輪的強度。

圖6 最優工藝參數成型制品的強度與DSC測試