澆口對玻纖增強塑料齒輪精度及力學(xué)性能的影響

沈亞強，張 楊，趙 凱，辛 棟，曹 偉

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

0 引 言

玻纖增強塑料齒輪與非填充塑料齒輪相比，具有耐高溫、強度高的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車渦輪增壓節(jié)氣門調(diào)節(jié)器、電子駐車齒輪箱和電動助力剎車系統(tǒng)等領(lǐng)域[1,2]。采用常規(guī)3點進料方案的玻纖增強塑料齒輪存在嚙合精度低和各輪齒之間強度差異大的問題，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)噪音大、使用壽命短，限制了玻纖增強塑料齒輪的推廣使用[3]。

現(xiàn)以某玻纖增強塑料為例，對采用3點進料玻纖增強塑料齒輪的齒形精度及力學(xué)性能進行測試，結(jié)合MoldFlow模擬仿真結(jié)果分析了齒輪嚙合精度低、齒輪強度一致性差的原因，提出采用中心進料的設(shè)計方案解決玻纖取向不均勻的問題，結(jié)果證明該方法有效可行。

1 3點進料方案及成型問題

研究對象為某玻纖增強塑料雙聯(lián)齒輪中的大齒輪，材料為PA66 Leona 1300G（玻纖含量33%），其模數(shù)為0.7 mm，壓力角為20°，齒數(shù)為63，齒形精度要求為JGMA 4級，初始模具澆口設(shè)計方案采用3個均布的點澆口進料，如圖1所示。

圖1 3點進料方案

基于3點進料方案進行模具制作和注射成型，使用雙面嚙合儀對做好標記的澆口附近的輪齒進行嚙合精度檢測，其測量結(jié)果如圖2所示，其單齒嚙合誤差為24.9 μm，精度為4 JGMA-S級，全齒嚙合誤差為80.1 μm，精度為5 JGMA-S級，且發(fā)現(xiàn)嚙合曲線呈現(xiàn)3個波峰和波谷，波谷在澆口位置，而波峰在2個澆口之間。

圖2 3點進料雙面嚙合測量結(jié)果

采用萬能試驗機進行齒輪抗彎強度測試，試驗溫度為25℃，壓縮速度為5 mm/min，試驗機如圖3所示，齒輪受壓的行程-載荷曲線如圖4所示，取測試過程中的最大值作為齒輪斷裂力，從做好標記的澆口開始按順時針方向依次測量每個齒輪的抗彎強度，并分別記錄各個齒輪的斷裂力值，如圖5所示。從圖5可以看出，各齒輪的抗彎強度差異較大，澆口與結(jié)合線位置齒輪的抗彎強度較低，且隨澆口位置呈現(xiàn)周期性變化，齒輪抗彎強度的平均值為691 N，最大值和最小值的偏差為164 N。

圖3 齒輪抗彎強度測試

圖4 行程-載荷曲線

圖5 3點進料齒輪抗彎強度測量結(jié)果

2 原因分析

為了分析3點進料方案影響齒形精度和齒輪強度的原因，采用MoldFlow軟件對注射成型過程進行模擬分析。翹曲變形分析結(jié)果如圖6所示，從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模流分析的翹曲變形結(jié)果與實際結(jié)果趨勢一致，澆口附近的翹曲變形值與結(jié)合線附近存在較大差異。進一步分析造成收縮不均的成形機理，對玻纖取向結(jié)果進行分析，如圖7所示，從圖7可以看出，玻纖在澆口處和結(jié)合線處的取向存在較大差異，呈現(xiàn)以澆口為中心向外圍的輻射狀分布形式，造成澆口處收縮率較大，而結(jié)合線處的玻纖排布較紊亂，因而收縮率較小。

圖6 3點進料齒頂圓翹曲變形結(jié)果

圖7 3點進料玻纖取向結(jié)果

玻纖排布也會對齒輪抗彎強度產(chǎn)生較大的影響，不同位置處齒輪上的玻纖取向張量分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在澆口處和結(jié)合線處齒輪上的玻纖取向較為接近，其對應(yīng)齒輪抗彎強度偏低，澆口與結(jié)合線之間位置處的齒輪玻纖取向與其差異較大，其對應(yīng)齒輪抗彎強度較高，具體玻纖排列方向?qū)X輪抗彎強度的影響還有待研究。

圖8 3點進料不同位置處齒輪上的玻纖取向張量分析結(jié)果

3 方案改善

實踐證明，通過調(diào)整注射工藝的方法無法解決因玻纖取向不均勻而導(dǎo)致的齒輪嚙合精度和齒輪強度不一致的問題，改變澆口設(shè)計方案可能有效。為了提高玻纖取向的均勻性，提出中心進料的設(shè)計方案，如圖9所示。

圖9 中心進料設(shè)計方案

為了驗證該方案的有效性，再次采用MoldFlow軟件對中心進料的成型過程進行數(shù)值模擬。翹曲變形分析結(jié)果如圖10所示，從分析結(jié)果可以看出，采用中心進料的齒輪翹曲變形的均勻性較3點進料有較大的改善。進一步對玻纖取向結(jié)果進行分析，如圖11所示，從圖11可以看出，玻纖均以澆口為中心沿齒輪徑向均勻排布，因而收縮均勻，同時由于玻纖取向一致性較好，預(yù)測各個齒輪抗彎強度一致性也較好。

圖10 中心進料翹曲變形結(jié)果

圖11 中心進料玻纖取向結(jié)果

4 結(jié)果驗證

基于中心進料方案進行模具制作和注射成型，使用雙面嚙合儀進行嚙合精度檢測，其測量結(jié)果如圖12所示，從圖12可知，嚙合精度得到了較大的改善，單齒嚙合誤差為9.2 μm，精度為2 JGMA-S級，全齒嚙合誤差為34.5 μm，精度為2 JGMA-S級，與3點進料方案相比，齒形精度得到較大的提高。

圖12 中心進料方案雙面嚙合測量結(jié)果

進行齒輪抗彎強度測試，其測試結(jié)果如圖13所示，從圖13可以看出，齒輪抗彎強度的平均值達到737 N，最大值和最小值的偏差為98 N，與3點進料方案相比，齒輪抗彎強度和一致性均得到較大的改善。

圖13 中心進料齒輪抗彎強度測量結(jié)果

5 結(jié)束語

通過對采用3點進料的玻纖增強塑料齒輪的齒形精度及力學(xué)性能進行測試，分析因玻纖取向不均勻而導(dǎo)致齒輪嚙合精度低、齒輪強度一致性差的原因。針對此問題，提出采用中心進料的設(shè)計方案，實現(xiàn)了玻纖的均勻排列。