注塑齒輪與機(jī)加工齒輪相比，除了利用漸開(kāi)線(xiàn)共軛來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)這一點(diǎn)相同外，幾乎沒(méi)有其它共同之處。這兩種齒輪具有本質(zhì)上的區(qū)別。機(jī)加工齒輪是在為特定加工任務(wù)而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用齒輪機(jī)床上切削加工至規(guī)定尺寸；注塑齒輪則是在齒輪模腔中注塑成形，該模腔通常用線(xiàn)切割放電加工機(jī)床（EDMs）加工而成。注塑齒輪模腔的尺寸大小可保證注模后經(jīng)冷卻收縮的注塑齒輪具有正確的尺寸公差。用一個(gè)模腔可以加工出上百萬(wàn)個(gè)注塑齒輪。
齒輪切削加工制造商承擔(dān)的任務(wù)是按照公差要求切削加工出每一個(gè)齒輪。而注塑齒輪制造商面臨的任務(wù)則是制造出一個(gè)接近完美的齒輪模腔，然后用這個(gè)模腔加工出所有符合公差要求的齒輪。這一看來(lái)雖小但卻意義重大的差別導(dǎo)致了很多其它變化。這種差異在一旦決定采用注塑齒輪時(shí)就已形成。
注塑齒輪的設(shè)計(jì)
毫無(wú)疑問(wèn)，注塑齒輪必須在模腔內(nèi)成形。這一事實(shí)導(dǎo)致了重要的后果。注模型腔和其中的軸類(lèi)零件很難具有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所能提供的精密公差。型腔和齒輪有可能隨著濕度和溫度的變化以不同的比率收縮或膨脹。隨著本地條件的不同，注塑齒輪的強(qiáng)度、硬度甚至傳動(dòng)效率都將有所變化。在承載情況下，輪齒表面的溫度將會(huì)升高，從而影響塑料的特性。由于存在這些變量及其它一些因素，有必要對(duì)齒輪的輪齒進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。
注塑齒輪設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在應(yīng)用上。大部分注塑齒輪傳動(dòng)都是獨(dú)一無(wú)二的。一個(gè)齒輪可以精確設(shè)計(jì)為只有與另一個(gè)配對(duì)齒輪嚙合時(shí)方能完成其指定功能。此外，注塑齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造幾乎不必考慮工具因素。
線(xiàn)切割放電加工機(jī)床制造的模腔，其精度取決于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的精度。齒輪模腔的公差可達(dá)到微米級(jí)。事實(shí)上，不再需要傳統(tǒng)的滾刀，徑節(jié)或模數(shù)也不再是重要的技術(shù)參數(shù)。漸開(kāi)線(xiàn)基圓成為重要的變量。壓力角能以模擬量方式進(jìn)行調(diào)整，以平衡輪齒嚙合時(shí)強(qiáng)度與高度的關(guān)系。定制設(shè)計(jì)的齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪相比，在性能、安靜度以及允許公差方面都有很大的改進(jìn)和提高。
齒輪注模裝置
經(jīng)過(guò)齒輪嚙合設(shè)計(jì)和制定公差后，下一步需要制作注模裝置。齒輪注模裝置必須精密，具有良好的熱穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)硬化的滑套和表面，精確的齒輪模腔形狀，以及設(shè)計(jì)高壓注射模。齒輪模腔本身必須根據(jù)選用的模具材料專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。
對(duì)于特定應(yīng)用場(chǎng)合的注塑齒輪，由于受到許多因素的影響，無(wú)法精確預(yù)測(cè)其實(shí)際收縮量。其中最重要的因素是注塑輪在模腔中的收縮并非各向同性。齒輪主體的收縮情況可能與制造者的預(yù)測(cè)比較接近，但由于齒輪輪齒的周?chē)卿摬模虼似淅鋮s形態(tài)與較大齒輪主體的宏觀(guān)冷卻形態(tài)不同。
確定收縮量的一個(gè)較好方法是二步趨近法。預(yù)先估計(jì)齒輪的收縮系數(shù)，據(jù)此制成注塑模具并加工出首批齒輪后，對(duì)齒輪樣件的漸開(kāi)線(xiàn)齒廓進(jìn)行精密測(cè)量，以確定各部分的收縮率，然后根據(jù)測(cè)得的收縮率重新制作新的模腔，最后就可以得到幾何精度合格的注塑齒輪。只有通過(guò)對(duì)齒廓的檢測(cè)，才能精確確定漸開(kāi)線(xiàn)的收縮率。通過(guò)對(duì)齒輪的滾動(dòng)檢測(cè)，可以得知齒輪不均勻收縮的某些狀況，但有時(shí)也會(huì)引起誤導(dǎo)。
有時(shí)可選用玻璃填充材料來(lái)制造注塑齒輪，由于這種材料收縮率很低，此時(shí)收縮現(xiàn)象不再成為注模設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。但這種方法也可能引起新的問(wèn)題。未填充玻璃的工程樹(shù)脂如尼龍和乙縮醛，雖然存在收縮，但能注模加工出非常精密的形狀。而玻璃填充材料在注塑流前面匯合處會(huì)產(chǎn)生搭接線(xiàn)，它將引起輪齒表面變形以及在齒輪上產(chǎn)生一些局部薄弱點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，玻璃填充齒輪與未填充玻璃的同等齒輪相比，在壽命期內(nèi)更易磨損。填充材料通常只用于有特殊需要的場(chǎng)合，如當(dāng)齒輪超重將成為問(wèn)題時(shí)。
齒輪注模工藝
各種注模工藝和注模機(jī)械都不盡相同。齒輪注模工藝對(duì)精確性和重復(fù)性要求較高。一般來(lái)說(shuō)，高精度齒輪需要用新樹(shù)脂制造。但即使使用新樹(shù)脂，材料仍須具有合適的干燥度，其熔化溫度必須精確控制并可重復(fù)，注塑壓力也必須精確控制。還必須考慮注模裝置與注模工藝過(guò)程控制的協(xié)調(diào)一致。
當(dāng)在高溫高壓下進(jìn)行注模加工時(shí)，熔化的塑料必須取代模腔中的空氣。因此必須設(shè)立可讓空氣排出而樹(shù)脂又不會(huì)流出的排氣口。如果排氣口太小，氣體排出不暢，可能會(huì)引起燃燒；如果排氣口太大，熔化的塑料將會(huì)流出，并在零件上形成飛邊。
建議注塑齒輪用戶(hù)在最終簽訂合同之前去訪(fǎng)問(wèn)一下注塑齒輪加工廠(chǎng)。大致考察一下注模設(shè)備情況、工廠(chǎng)的清潔程度、檢測(cè)能力和人員配備等，這將有助于正確評(píng)價(jià)該廠(chǎng)是否具有成功進(jìn)行注模加工和控制的潛在能力。例如，在一個(gè)沒(méi)有溫度控制的環(huán)境中是很難制造出精密注塑齒輪的。在濕度90%、溫度華氏100°的情況下加工精密注塑齒輪極其困難。
注塑齒輪的檢測(cè)
多年來(lái)，齒輪檢測(cè)技術(shù)不斷改進(jìn)，以精確測(cè)定齒輪切削加工中產(chǎn)生的大部分誤差。漸開(kāi)線(xiàn)齒廓的掃描測(cè)量通常只檢測(cè)一圈中的少數(shù)幾個(gè)齒。金屬齒輪在滾削、插削等齒輪機(jī)床上加工而成，各齒的齒形基本相同。而注塑齒輪則可能在齒輪任一齒面的某個(gè)位置上出現(xiàn)很大的個(gè)別誤差。更有甚者，模注工藝還可能引入許多與傳統(tǒng)機(jī)械加工不同類(lèi)型的誤差。
由于任何注塑齒輪都要收縮，而漸開(kāi)線(xiàn)齒廓是一種目標(biāo)齒形，并不是一個(gè)給定數(shù)值。無(wú)論是采用徑節(jié)、模數(shù)、基節(jié)、壓力角或任何其它漸開(kāi)線(xiàn)參數(shù)來(lái)控制齒輪幾何形狀，對(duì)于實(shí)際的加工零件而言，這些參數(shù)都是變量。對(duì)于這些變化的參數(shù)，有必要設(shè)定實(shí)際可行的公差。
能夠確定注塑齒輪尺寸合格（位于公差帶中）的唯一方法是掃描測(cè)量漸開(kāi)線(xiàn)齒廓，確定齒輪的實(shí)際物理幾何尺寸。但可能存在以下情況：注塑齒輪的尺寸已完全超出公差要求，但滾動(dòng)綜合檢測(cè)結(jié)果仍然合格。例如一個(gè)齒輪的齒廓檢測(cè)結(jié)果，其漸開(kāi)線(xiàn)基圓已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了規(guī)定值。被測(cè)齒輪有64個(gè)齒，所用測(cè)量齒輪也有64個(gè)齒，滾動(dòng)檢測(cè)中齒輪的同時(shí)嚙合齒數(shù)較多，測(cè)量結(jié)果中幾乎沒(méi)有一齒綜合偏差。這種齒輪雖然看起來(lái)較大，但基圓很小。由于齒輪齒厚減薄，因此在滾動(dòng)檢測(cè)中可以達(dá)到良好的技術(shù)指標(biāo)。而一旦將這些注塑齒輪零件提供給用戶(hù)，與正確尺寸的金屬齒輪嚙合時(shí)就會(huì)立即失效。
為了防止出現(xiàn)這種誤差，必須對(duì)齒輪每一項(xiàng)標(biāo)注公差的尺寸變量制定技術(shù)規(guī)范。其中一個(gè)獲得AGMA（美國(guó)齒輪制造商協(xié)會(huì)）認(rèn)可的技術(shù)規(guī)范是最近才完成的《注塑齒輪檢測(cè)指南》。
注塑齒輪的建議技術(shù)參數(shù)
在A(yíng)GMA系統(tǒng)中，采用齒輪的基圓幾何參數(shù)作為基本控制參數(shù)。間接的齒輪參數(shù)如徑節(jié)和壓力角等作為工作數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)分析時(shí)作為參考基準(zhǔn)。
齒輪滾動(dòng)檢測(cè)可認(rèn)為是在批量生產(chǎn)中確保注塑齒輪質(zhì)量一致性的最好方法。它不僅表述了齒輪的綜合總誤差（TCE）或一齒綜合誤差（TTE），同時(shí)還能確定被測(cè)齒輪與測(cè)量齒輪嚙合的實(shí)際中心距是否位于指定的正負(fù)公差帶內(nèi)。這就提供了一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)確保注塑齒輪日常生產(chǎn)的一致性。對(duì)于一批樣本齒輪滾動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，可以確定齒輪的總體形狀和絕對(duì)尺寸是否處于公差帶內(nèi)。滾動(dòng)檢測(cè)對(duì)于注塑齒輪而言，更像是建立了一種滾動(dòng)檢測(cè)合格驗(yàn)證，并應(yīng)確保每天生產(chǎn)的注塑齒輪都要符合這一驗(yàn)證。
注塑齒輪的發(fā)展前景相當(dāng)樂(lè)觀(guān)。材料不斷獲得巨大改進(jìn)，注塑機(jī)械越來(lái)越精密，檢測(cè)設(shè)備已能對(duì)這些獨(dú)特的注塑齒輪進(jìn)行高精度測(cè)量。將來(lái)，可以期待用注塑齒輪替代金屬齒輪應(yīng)用于較輕載荷的傳動(dòng)應(yīng)用中。廠(chǎng)家們正在繼續(xù)尋找那些不能采用金屬齒輪，而塑料齒輪卻有用武之地的使用場(chǎng)合和領(lǐng)域。
為了進(jìn)入這些新的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，必須正確實(shí)施每一個(gè)步驟，挖掘注塑齒輪的每一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)果是將開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的新一代動(dòng)力傳輸產(chǎn)品。
