CN102112298B - 复合齿轮坯及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造复合齿轮坯的方法，包括：将刚性中心件(2)放置在非旋转模具(10，12，28)中；使模具惰性化；添加液体反应混合物(M)直到围绕中心件充满模具；对充满的模具施加静压力；以及，允许反应混合物的聚合以形成围绕中心件的塑料外面部分。由此制成的复合齿轮坯在室温和在直到120℃的提高温度处都具有提高的法向和剪切粘合强度的值，并特别适于形成汽车的电子动力转向系统的蜗轮部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括刚性中心件和由塑料材料制成的外面部分的复合齿轮坯。此外，本发明涉及上述复合齿轮坯的使用和用于制造该坯的方法。
背景技术
电子动力转向(EPS)系统去除了传统的液压系统的动力转向泵、软管、液压液，以及传动带和发动机上的滑轮。EPS显著地减少了发动机吸收的能量，进而提高了燃油经济性，加速性和可靠性。EPS提供传统液压动力系统的感受和操作，而没有液压泵脱离马达驱动的带和滑轮所引起的动力损耗。
一般EPS系统具有电机、传感器和蜗轮组件。要求是：
-在转向操作期间对蜗轮的最大输入扭矩和合成轴向力都具有阻抗；
-振动和噪音的降低；
-所有齿轮表面的低摩擦和精确公差；
-压入配合于钢轴的能力；
-适于车辆使用寿命的耐久性和抗疲劳性。
为了噪音降低，较低的摩擦系数和磨损减少，齿轮的齿周边部分优选由合成的热塑材料制成。另一方面，中心的毂部分优选由金属制成，以便允许金属轴的稳固连接。因此，这要求紧固连接到金属内部部分上的塑料外面部分的复合件的生产。
为了实现上述目的，现有技术中已经描述了多种方法，例如参见WO2005/104692A2并且在此引作参考。
US6638390B1披露了一种用于制造聚合物/金属盘的方法，其中粘结剂被施加在金属毂上，随后将聚合环压在金属毂上进而形成环/毂组件。如此形成的组件随后被加热直至引起聚合环和金属毂之间的粘结。在JP2003/118006A中已经披露了类似的工序。
EP1609694A1涉及一种电子动力转向装置和适用于该装置的树脂齿轮。根据该文献中描述的方法，塑料环通过单独的浇铸步骤形成。随后，该塑料环被加热并被压入配合在略大的金属芯上。
EP1690664A1描述了一种借助注入模制实行树脂涂敷内部部件的方法。
DE10127224A1描述了一种尤其适于蜗轮机构的齿轮，由具有适于轴的中心孔的金属盘，盘周边上的环形塑料件和齿形钻头构成。在一个实施例中，预期通过围绕大块金属毂进行浇铸(德语：formschlussigesAngiessen)形成环性塑料件。在另一实施例中，预期通过注入模制形成塑料件(德语：Spritzgiessen)。可是，DE10127224A1关于怎么样实行浇铸或注入模制工序未给出任何详细信息并且也没示出两个方法获得结果的任何比较。
US6432343B1描述了一种制造旋转对称物品，如绳索轮、索轮、主动轮等的方法，其任选地具有适于加固的金属毂。制造方法包括离心浇铸方法，根据该方法，第一ε-己内酰胺熔化物被灌注在旋转模具中。当反应熔化物开始聚合时，在此时熔化物由于模具旋转还被径向地向外推靠在周边的模具边缘上，第二ε-己内酰胺熔化物被灌注在模具内用于毂区域的形成。该第二熔化物被选择以相比于第一熔化物具有增加的强度特性。作为选择，预期在模具的中心处放置金属部件以形成旋转对称物体的毂。
可是，已经发现根据多种现有技术方法生产的复合齿轮坯的塑料与金属的连接强度不能满足较大发动机汽车中EPS系统和/或位于“引擎罩下”的EPS系统的一些严格要求，其中位于“引擎罩下”的EPS系统即位于接近发动机的位置，其中工作温度一般在120℃左右。
因此，强烈希望在塑料外面部分和刚性中心件之间，甚至在高温时具有具备基本提高粘合强度的复合齿轮坯。
此外，期望具有一种制造方法，其允许上述改进的复合齿轮坯的有效和可靠生产。
发明内容
本发明的一个首要目的是克服目前已知复合齿轮坯的限制和缺点。
前述和另一目的通过权利要求1的复合齿轮坯，通过权利要求8中限定的复合齿轮坯的用途以及通过权利要求9和10中限定的制造方法予以实现。
意外地，发现塑料外面部分和刚性中心件之间的非常强的连接通过制造步骤的仔细选择予以实现。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种包括刚性中心件和塑料材料制成的外面部分的复合齿轮坯，所述中心件基本是具有相互基本平行的两个盘面的盘形，所述外面部分被浇铸在所述中心件的外周表面周围，其中所述复合齿轮坯具有以下特性：
a)当确定在直至25℃的温度时：
-至少17MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；和
b)当确定在直至120℃的温度时：
-至少11MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；
其中所述法向粘合强度SN通过以5mm/min恒定速率施加径向向外的负载进行确定，并且其中所述剪切粘合强度SS通过采用以下较低值进行确定：
i)通过以3rad/min恒定速率施加切向负载获得的切向粘合强度ST，和
ii)通过以1mm/min恒定速率施加轴向负载获得的轴向粘合强度SA。
根据本发明的另一方面，上述复合齿轮坯用于形成电子动力转向系统的蜗轮部分，部分地用于具有两个前轮，诸如例如俗称的“有四个大灯的汽车”的任意其它车辆。
根据本发明的又一方面，一种用于制造上述复合齿轮坯的方法包括步骤：
a)提供至少一个具有将由所述塑料材料围绕的结构化外周表面的刚性中心件；
b)对所述外周表面实行表面粗加工步骤；
c)使中心件承受表面调整步骤；
d)将中心件放置在模具中；
e)通过利用惰性气体进行冲洗使模具惰性化；
f)添加液体反应混合物到模具中直到围绕中心件充满模具；
g)对充满的模具施加静态压力；
h)允许所述反应混合物的聚合以便形成所述外面部分；
表面调整步骤包括将有机官能硅烷化合物刷到周围表面上，并且在步骤h)之后，中心件承受受控加热步骤以便局部地熔化与中心件邻近的区域内的塑料材料，随后进行中心件的受控强制冷却以便避免塑料材料的过度加热和老化。有利地，有机官能硅烷化合物是烷氧基硅烷。
根据本发明的再一方面，一种用于制造上述复合齿轮坯的方法包括步骤：
a)提供至少一个具有将由所述塑料材料围绕的外周表面的刚性中心件；
b)使中心件承受表面去油步骤；
c)将中心件放置在模具中；
d)通过利用惰性气体进行冲洗使模具惰性化；
e)添加液体反应混合物到模具中直到围绕中心件充满模具；
f)对充满的模具施加静态压力；
g)允许所述反应混合物的聚合以便形成所述相关的外面部分；
中心件具有沿径向至少延伸1.35mm的多个底切或凹口，所述底切或凹口在步骤e)或f)中被填充所述塑料材料，进而沿所述中心件的径向、轴向和切向在所述外面部分和所述中心件之间提供机械锁定。任意地，中心件承受受控加热步骤以便局部地熔合与中心件邻近的区域内的塑料材料，随后进行中心件的受控强制冷却以便避免塑料材料的过度加热和老化。有利地，该方法进一步包括在步骤a)和b)之间对所述外周表面实行表面粗加工步骤。
能够理解上述两种方法通常都被称为“直接浇铸工艺”，因为塑料外面部分由液体前体，即液体反应混合物初始形成，也就是说被引入围绕中心件的有限空间内。本发明的重要方面在于以下事实，反应前体的聚合在静压力下，即通常在非旋转模具中实行。通过在充满同样的液体前体之后对模具施加静压力，液体前体在聚合过程中被径向向内相对于中心件驱动。这样，能确保中心件的任何凹口、空腔或其它凹结构被适当地充满，进而在塑料外面部分和中心件之间产生最佳界面(interface)。优选地，静压力处于大约5bar至大约20bar的范围内。
多个有利实施例限定在从属权利要求中。
根据复合齿轮坯的倾向应用，中心件具有大约60mm至大约90mm，优选大约65mm至大约85mm的外直径。对于一些应用，如四轮摩托车，大约64mm至大约66mm的外直径是优选的。可是，对于汽车，中心件通常具有大约70mm至80mm，优选大约74mm至76mm，并且特别是大约75mm的外直径。
原则上，多种塑料材料可预见用以形成外面部分。将由直接浇铸产生的适合材料可以是如聚酰胺6、聚酰胺6，12和聚酰胺12之类聚酰胺，还可以是聚亚安酯和聚苯乙烯。可是，优选地，外面部分由浇铸的聚酰胺6制成。能够理解为了通过直接浇铸生产这些材料，可以从适当的液体反应前体开始，例如，聚酰胺6情况中的ε-己内酰胺。还可以理解反应前体通常包括一些添加剂，如催化剂，热稳定剂，着色剂，交联剂，内部润滑剂等，如现有技术中所知的。
同样，多种刚性材料，特别是金属或纤维强化塑料可用于中心件。可是，优选地，刚性中心件由钢制成。特别地，刚性中心件由非合金碳钢(unalloyedcarbonsteel)，如S25C(也表示为1.1158钢，DIN17200，CK25)。
在优选实施例中，中心件的周围表面被赋予构造或滚花。此外，中心件设置有填有所述塑料材料的凹口、边缘或底切，以便沿所述中心件的径向，轴向和切向在所述外面部分和所述中心件之间提供机械锁定。
在另一优选实施例中，塑料外面部分以上述方式被浇铸以基本覆盖至少一个盘面。上述构造沿轴向，即抵抗塑料外面部分和中心件的轴向偏移提供的额外强度。
在又一实施例中，复合齿轮坯进一步包括由围绕外面部分同心设置的另外的塑料材料制成的周围区域。特别地，另外的塑料材料是高性能聚合物，尤其是PEEK。这种混合布置允许在通过利用低价聚合物，如适于塑料环内部部分的浇铸聚酰胺6减少浇铸时，能够从齿轮临界外周区域(peripheralregion)中的高性能聚合物的机械优点中获益。为了生产上述混合部分，预形成的高性能聚合物环在浇铸工序之前被放置在模具中。
为了确保外部和内部塑料环之间的充足粘合，预形成外部环可被形成具有与内部塑料环产生机械锁定的结构。
根据复合齿轮坯的特殊应用，塑料外面部分可形成具有预形成的齿。
在制造方法的有利实施例中，表面粗加工包括利用钢砂进行喷砂，其被发现能够在完成的产品中提供较好的粘合强度。此外，已经发现在将中心件放置在模具中的步骤之前预加热模具是有利的。
在再一实施例中，步骤a)包括提供排列在纵长的支架元件上的多个刚性中心件的组件，每对相邻中心件由间隔元件分开。由此形成的多个复合齿轮坯随后被拆解。通常，这允许在一个给定模制循环中多个复合齿轮坯的生产并由此有助于降低生产成本。
附图说明
通过参照结合附图的本发明多个实施例的以下描述，本发明的上述和其它特征和目的以及实现其的方式将变得更清楚并且本发明自身能够更容易被理解，附图中：
图1以平面图示出了复合齿轮坯的第一实施例；
图2以截面图示出了图1的齿轮坯；
图3以透视图示出了图1的齿轮坯的中心件，包括有滚花的外周表面的放大部分；
图4以垂直截面图示出了用于制造复合齿轮坯的模制装置；
图5示出了复合齿轮坯的构造化外面部分和中心件之间的接触区域的相片平面图；
图6以平面图示出了复合齿轮坯的第二实施例；
图7按照以下方式示出了复合齿轮坯(UFO状)的第三实施例：(a)中心件的平面图；(b)根据图7a的截面B-B的中心件的截面图；(c)中心件的透视图；(d)具有扇形切除的复合齿轮坯的透视图；
图8按照以下方式示出了复合齿轮坯(T-孔)的第四实施例：(a)中心件的平面图；(b)根据图8a的截面B-B的中心件的截面图；(c)中心件的透视图；(d)具有扇形切除的复合齿轮坯的透视图；
图9按照以下方式示出了复合齿轮坯(燕尾榫)的第五实施例：(a)中心件的平面图；(b)根据图9a的截面B-B的中心件的截面图；(c)中心件的透视图；(d)具有扇形切除的复合齿轮坯的透视图；
图10示出了多个复合齿轮坯的制造步骤；
图11示出了用于粘合强度测量的典型力与伸长率曲线的示意图；
图12以垂直剖面示出了用于确定复合齿轮坯的轴向粘合强度的布置；
图13以平面图示出了用于测试复合齿轮坯的切向粘合力的布置；和
图14以平面图示出了用于确定复合齿轮坯的法向粘合强度的布置。
具体实施方式
图1至3示出的复合齿轮坯包括盘形刚性中心件2，该中心件具有外周表面6和用于安装在轴上的中心孔4。中心件具有外直径D1和厚度H，而中心孔具有内直径D2。由塑料材料制成并具有外直径D3的环形外面部分8以邻近的方式被布置在外周表面6附近。为了提供中心件和外面部分之间的良好机械连接，外周表面6设置有滚花结构K。如以下更详细讨论的，塑料外面部分8借助直接浇铸方法被形成在中间件周围。
复合齿轮坯利用图4中示意性示出的模制装置进行制造。该装置包括杯状圆柱形室10，其具有基本垂直布置的纵轴AL。上述室具有稍微大于D3、即将要形成的塑料外面部分的外直径的内直径。上述室具有整体基板12，该整体基板具有底面14和顶面16，从顶面向上突起具有平坦顶部20的中心圆柱形短柱18。短柱18的外直径对应D2，即中心件2的中心孔的内直径，并且具有基本等于中心件2厚度H的高度。圆柱形短柱从第一上表面部分22突起，上表面部分由一直延伸到基板周边的第二上表面部分24围绕。如图4还可看出，第二上表面部分24关于第一上表面部分22向下移动，并且在两部分之间的区域内存在倾斜的过渡面26。
模制装置进一步包括盖板部件28，其具有尺寸被设定以覆盖整个圆柱形室10的盖部分30。此外，盖板部件在其下侧设置有中心短柱32，其被成形为圆锥形截面，具有平坦底面部分34。为了在盖板部件28和圆柱形室10之间形成中等紧度的密封，用于相应O环的凹槽36被形成在室10的上表面区域内。
在图4中同样示出了环形中心件2围绕圆柱形短柱18进行布置。特别地，能够看出中心件的外直径(D1)略大于第一上表面部分22和底表面部分34的直径。从图4可以看出，以这样的方式设定室的尺寸，即在盖板部件28停留在圆柱形室10并压凹槽36内O环时，盖板部分28的平坦底表面部分34邻靠圆柱形短柱18的平坦顶部20。
反应液体混合物M已经被灌入基板和盖板部件之间形成的腔内。从图4中可以清楚看出，反应液体混合物的上水平面高于中心件2的上表面，而反应液体混合物的下水平面低于中心件2的下表面。这意味着反应混合物的聚合将产生塑料体，其在上方和下方同样以C状的方式覆盖中心件外围。利用通过盖板部件的开口38施加的惰性气体的过压实行浇铸过程。
能够理解上述装置包括其它元件，如框架和用于提高和降低盖板部件的适当装置，用于将盖板部件固定在圆柱形室上以便对模具增压的装置，用于感测温度和压力的装置，以及用于预加热模具的装置。有利地，模制装置的内表面是镀铬的以便使完成的齿轮坯容易从模具移除。
现关于图1至3中所述类型的复合齿轮坯更更详细地描述浇铸工序，所述复合齿轮坯具有由浇铸聚酰胺6制成的外面部分。
浇铸工序以刚性中心件2开始，其优选由非合金碳钢制成，并且其外周表面设置有适合的构造，如具有大约1mm金字塔突起的滚花。随后，外周表面首先通过利用钢砂进行的喷砂被粗加工，并随后承受表面调整步骤。表面调整通常包括清洁步骤以便使中心件去油，例如通过利用丙酮冲洗或其它的去油溶剂或利用清洁液体中的超声波处理。更重要地，表面调整步骤通过将有机官能硅烷化合物，优选是烷氧基硅烷刷在外周表面上而结束。适合的烷氧基硅烷例如可从DowCorningCorporation得到如“Z-6020硅烷”(主要包含氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷和甲氧基硅烷)或“Z-6032硅烷”(主要包含氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷，氨基硅烷盐酸盐和甲醇)。
在接下来的步骤中，如在前述部分中已经描述的，中心件被放置在模具中。模具室被预加热至140℃和170℃之间的温度。此外，模具通过利用诸如氮气或氩气的气体进行冲洗被惰性化。
此后，液体反应混合物被引入模具内直至如以上概述地充满模具并且围绕中心件。浇铸聚酰胺6的技术已经是公知的。在现有的情况中，采用双流程序，其中第一供给箱提供单体加引发剂，热稳定剂和任意的着色剂，而第二供给箱提供单体加催化剂。由此形成的液体反应混合物在填入模具中时具有120和150℃之间的温度。
随后，从大约5bar变化至大约20bar的诸如氮气或氩气的惰性气体的压力被施加至模具，进而迫使液体反应混合物进入具有滚花的中心件的表面凹口内。其后，允许反应混合物聚合以便形成未加工形状的塑料外面部分。压力随后被释放并且由此形成的复合部分从模制装置中被取出。
在另外的步骤中，复合齿轮坯被传送至感应加热装置，其中中心件根据预定的协议被加热。因此，与中心件邻近的区域内的塑料材料被充分加热以便局部被熔化。适当的加热规程通常依赖于齿轮坯的尺寸并应当在初步试验中被确定。在具有环形钢中心件的齿轮坯的情况中，其具有75mm的外直径和由具有95mm外直径的聚酰胺6环围绕的13mm厚度，大约6kW功率、大约12秒的单独加热步骤适于引起塑料材料的受控局部熔化。加热步骤之后是例如通过将中心件夹在一对适当被冷却的金属板之间实行的中心件的受控强制冷却，以便避免过渡加热以及塑料材料的老化。局部熔化和随后冷却的上述组合导致塑料材料和中心件之间的粘合强度显著改进。
最后，为了避免涉及尺寸稳定的任何问题，完成的部分经历退火工序，例如在140℃和170℃之间的温度下24小时。
应当理解，浇铸工序中形成的任何多余塑料材料能够被机械去除。
从图5中可以看出，上述工艺允许复合齿轮坯的生产，其中外面部分的塑料材料密切地围绕中心件的滚花结构被成形，这对于两个部件之间的良好粘合强度是先决条件。
在没有理论约束的情况下，可以看出利用上述方法获得的外面部分和中间件之间的高级别的法向和剪切粘合强度可由以下组合产生：(i)表面调整提供的力连接，和(ii)中心件表面的表面粗加工提供的一些机械锁定作用。发现静压力对包含液体反应混合物的模具的施加对于实现良好粘合强度是必须的。
在图6所示的另一实施例中，由聚醚醚酮(PEEK)制成的环形区域40围绕聚酰胺6部件8同心地进行布置。为了生产上述部件，模制工序包括在添加液体反应混合物M之前将适当设定尺寸的PEEK环与刚性中心件2一起放置在模具中。为了在与中心件相同高度处具有PEEK环，可使用具有基板的模制室，该基板具有第三外周上表面部分，其基本与第一上表面部分22共平面。可替换地，可从比将要形成的聚酰胺6部件厚的PEEK环开始；在齿轮坯形成之后，PEEK环的任意多余厚度可被机械去除。PEEK环可设置有预形成的外齿。例如，上述布置可包括具有大约75mm的外直径的钢中心件，具有大约85mm外直径的相邻聚酰胺6环以及具有大约95mm外直径的外PEEK环。
图7至9示出了复合齿轮坯的另一实施例，其中中心件具有填充外面部分的塑料材料的凹口、边缘或底切，以便沿中心件的径向(R)，轴向(A)和切向(T)在外面部分和中心件之间提供机械锁定。为了参考方便，以下描述将涉及水平地，即其旋转轴A垂直布置来进行布置的中心件。
图7中示出的中心件102关于赤道面对称。中心件具有中心部分104，其具备基本水平的上表面106和下表面108，进而限定中心件的最大厚度H。与中心部分104相邻地存在上边缘110和下边缘112，其对较薄的外围部分114形成台阶状过渡，上述外围部分形成有会聚至最外部外围表面120的均匀倾斜的上表面116和下表面118，上述外围表面限定了中心件的最大厚度H1。此外，外围部分114设置有8个圆柱形轴向孔122，其沿着中心件的圆周均匀地分布。如图7d所示，塑料外面部分124以C状方式覆盖外围部分114，进而沿轴向提供机械锁定。由于外面部分124的塑料材料填充轴向通孔122并且还包围外围部分114的事实，因此还沿着轴向和切向提供机械锁定。对于具有75mm外直径的中心件102，轴向孔122具有例如大约6mm的直径。
图8中所示的中心件202是具有均匀厚度H的盘形并设置有沿着中心件的圆周均匀分布的8个圆柱形轴向通孔204。这些轴向通孔204的每个都设置有相应的径向孔206，其从径向通孔到中心件202的外围表面208形成一个通道。由于外面部分210的塑料材料填充径向孔206和轴向孔204的事实，因此在沿轴向、径向和切向提供机械锁定的中心件202中形成多个T形塑料短柱212。在该示例中，中间件202具有75mm的外直径和13mm的厚度，轴向通孔204和对应的径向孔206具有例如大约8mm直径。图9中示出的中心件302是具有均匀厚度H的盘形。中心件设置有沿着中心件圆周均匀分布的四个上凹口304和四个下凹口306。从图9中可以看出，这些凹口的每个形成为“燕尾榫”底切，其从外围表面308开始并具有圆边。在所示的示例中，多个四个上凹口304从多个四个下凹口306方位角偏移45°，由此意味着上凹口未直接布置在下凹口上方。上和下凹口的每个被填充外面部分310的塑料材料，进而在沿轴向、径向和切向提供机械锁定的中心件302中形成多个T形塑料短柱312。在该示例中，中心件302具有75mm的外直径和13mm的厚度，上凹口304和下凹口306具有沿径向例如大约7.5mm的深度，沿圆周方向大约10mm的孔以及大约15mm的最大圆周尺寸。
与图7、8和9关联描述的实施例的凹口或底切通常被设定尺寸以便确保沿轴向、径向和切向形成机械锁定的金属和塑料结构的充足机械稳定性。特别地，凹口或底切可以具有沿径向至少1.35mm的延伸，而且基本接近1.5mm、2mm或甚至更大。上述复合齿轮坯在此还被称作“宏锁定(macro-locked)”(即沿轴向、径向和切向的机械锁定)。这些部件的制造不同于去油步骤对于任何特定表面修整(conditioning)处理不是必要的，尽管其作为任选的制造步骤可能是有用的，以包括表面粗加工如钢砂喷砂。此外，宏锁定的复合齿轮坯的制造不必需要加热中心件以局部熔化与中心件邻近的区域内塑料材料的步骤，尽管这样的步骤可作为一个选择包含在内。这是一个重要的发现，因为通过利用感应装置只加热中心件实现塑料材料的受控局部熔化对于具有大于例如1.35mm的大凹口的部件基本上是不可能的。已经发现静压力对包含液体反应混合物的模具的施加对于实现宏锁定的复合齿轮坯中良好粘合强度是必要的。
由于机械锁定作用，宏锁定部件中法向和剪切粘合强度不受界面处粘合力的限制；粘合强度仅仅受塑料部分和中心件的材料强度限制。这意味着提供锁定的各种几何机构需要被相应地设定尺寸。
图7、8和9中描述的宏锁定实施例可通过简单的直接浇铸，即将中心件放置在模具中并填充液体反应混合物以便充满任意的凹口或底切进行制造。这不需要插入任何障碍物来防止液体反应混合物进入不用填充的任意腔。
应当理解结合图7、8和9描述的宏锁定实施例可与结合图6描述的实施例相结合，即复合齿轮坯可设置有由另外的塑料材料，如PEEK形成的外圆环区域。
图10说明了制造方法的另一实施例的关键步骤，其可用于生产上述的任意的齿轮坯实施例。如图10所示，多个具有厚度H的三个刚性中心件402排列在杆形支架元件404上。杆404的外直径仅略小于中心件的内直径，以便允许其沿着杆的滑动能力同时防止任何不适当的径向移动。在每对相邻中心件之间布置有盘形间隔元件406，其具有与中心件的中心孔对应的中心孔。一般，间隔元件406的厚度h略小于中心件的厚度H。间隔元件406由在模具的操作条件下不分解、熔化或大量扭曲的材料制成，并由此很容易地在浇铸工艺完成之后移除。
应当理解，图10示意性示出的组件可被放置在类似于结合图3所描述的但在基板部件中取代中心圆柱形短柱而具有中心凹口的模具中。上述凹口可用于接收杆404以便关于模具室对准和定位图10所示的组件。在直接浇铸工序过程中，用于形成塑料外面部分的反应液体混合物被填充到模具中以便围绕叠置在圆柱形杆上的所有中心件。在反应混合物的聚合和任意所需的热处理或退火之后，圆柱形杆被移除并且组件被分成多个复合齿轮坯。这例如可通过将组件放进适合的工具中切割或切削掉盘形间隔元件予以实现。
粘合强度的确定
为了确定法向粘合强度SN和剪切粘合强度SS，使用以下方法。塑料/金属连接相对于塑料/金属分界面的表面元件沿方向x的粘合强度Sx在此应当被理解为每个表面区域A上沿方向x的最大力Fx，其能够在不中断塑料/金属连接的情况下予以施加。
实际上，通过沿x方向从零开始以恒定的拉或推速度Vx施加负载实行测量。上述负载将由此相应地建造，首先产生弹性并随后产生塑料变形直到在某点处复合部件破坏，其是塑料外面部分从中心件脱离或塑料部分在施加力的位置被拆开。这在图11中示意性示出。最大力Fx max获得为图中的峰值。
由此确定的最大力Fx max用于根据SX＝Fx max/AX计算相应的粘合强度，其中AX表示相关塑料/金属界面的面积。
在本发明的上下文中，法向粘合强度SN通过沿垂直于塑料/金属界面的方向，例如沿径向确定最大力FN max而获得。因为剪切粘合涉及平行于塑料/金属界面的任意方向中，即界面的表面元件的平面中任意方向中的相对移动，因此剪切粘合强度SS通过确定在多个共平面方向中没有破坏的情况下可应用的最大力FS max并随后采用最小结果进行计算。实际上，这可通过确定切向方向上的最大力FT max以及轴向方向上的最大力FA max并采用二者中的较小值来予以实现。
如图12所示，为了确定复合齿轮坯的塑料外面部分502和刚性中心件504之间的轴向剪切粘合强度SA，中心件被放置在包括盘形平台506和中心圆柱形短柱508的基础工具上。平台506具有略小于中心件外直径的外直径，而短柱508具有略小于中心件504内直径的外直径。随后，以恒定速率沿轴向施加负载，通过向下将具有倒转杯状的刚性按压工具510按压在塑料外面部分上产生增加的轴向力FA。
为了确定切向粘合强度ST，一些外围孔602沿轴向钻通复合齿轮坯的塑料外面部分604，孔中心径向地从塑料部分的边缘偏移，如图13中所示。随后，以恒定速率沿切向方向施加负载，进而产生增加的切向力。为了施加所需的切向力，必须防止中心件606旋转，例如通过为中心件提供多个固定孔608，在固定孔中能够插入对应的阻挡销。实际上，可表示出利用已知杠杆臂根据扭矩TT获得的结果，其中包含的下标T在此表示关于沿切向方向施加的力的扭矩。
为了确定法向粘合强度SN，可从图13中所示的布置开始，但除了围绕设置有如图14中所示外围孔的区域的小测试部分610外，去除大部分的塑料部分。可替换地，可留下中心件上塑料部分的剩余物，并简单地实行径向切割，其确保测试部分610和塑料部分的剩余物的完全分开。为了在塑料部分和中心件之间沿径向方向施加所需的恒定速率负载，可在塑料部分的外周孔602和中心件的中心孔612中分别插入一个销，随后以恒定速率拉开所述销。
根据确定的测试方法，以下示例中报告的所有粘合强度确定可利用恒定速率负载予以实行，具体如下：
-轴向负载测量：速率vA＝1mm/min
-径向负载测量：速率vN＝5mm/min
-切向负载测量：径向速率＝3rad/min
可是，应当强调，能够采用用于确定剪切粘合强度和法向粘合强度的其它方法。上述方法可能会产生一些与在此使用的方法不同的SS和SN的其它数值。但根据上述方法制造的多种类型的复合齿轮坯的相关性能不会受到用于测量SS和SN的特殊方法的影响。
示例
以下示例涉及分别涉及包括环形中心件的复合齿轮坯，中心件由具有以下尺寸的S25C碳钢(还表示为1.1158钢，DIN17200，CK25)制成：
-中间件的外直径：D1＝75mm
-中心孔的内直径：D2＝25.50mm
-中心件的厚度：H＝13mm
一些中心件的外周表面(比较示例A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2和示例X1和X2)被滚花，即被机加工具有大约1mm的金字塔突起。相反，示例Y和Z的数据利用宏锁定结构根据以上结合图8和9描述的两个实施例分别获得。
每个齿轮坯的塑料外面部分如上所述通过直接浇铸聚酰胺6制成并具有D3＝95mm的外直径。
根据上述示例X1、X2、Y和Z确定的剪切粘合强度SS在16.3MPa的测量上限之上。根据具有宏锁定结构Y和Z的两个复合齿轮坯确定的法向粘合强度SN基本由聚酰胺环材料抵抗断裂的强度所确定。
表格：复合齿轮坯的法向和剪切粘合强度
注释：
根据上述示例X1、X2、Y和Z确定的剪切粘合强度SS在16.3MPa的测量上限之上。根据具有宏锁定结构Y和Z的两个复合齿轮坯确定的法向粘合强度SN基本由聚酰胺环材料抵抗断裂的强度所确定。
作为另外的比较示例，小系列的复合齿轮坯根据DE10127224A1的披露内容进行制造。为此，使用具有滚花的中心件而没有特殊的表面调整，例如仅仅去油而没有玻璃珠或钢砂处理以及没有硅烷处理，并且没有任意熔化步骤。这在23℃时给出了小于1MPa的法向粘合强度SN。
结尾备注
利用本发明的直接浇铸方法，能够制造复合齿轮坯，其相比于利用之前公知方法制成的相同材料同等尺寸的齿轮坯，具有在室温和在直至120℃的提高温度处都具有改进的剪切粘合强度SS和法向粘合强度SN。该发现已经通过使用用于确定SS和SN的特殊方法的上述示例予以证明。可是，根据在此比较的多种方法制造的多种类型复合齿轮坯的相关性能不依赖用于确定SS和SN的特定方法。换句话说，如果使用用于确定SS和SN的其它方法，根据本发明以上两个限定方面由直接浇铸方法提供的优点也是很明显的。相应地，可考虑使用适于测试大量略微不同的齿轮坯以进一步优化制造方法或控制质量的更简单并且更好的方法。
Claims (21)
1.一种制造复合齿轮坯的方法，所述复合齿轮坯包括刚性中心件(2)和由塑料材料制成的外面部分(8)，所述中心件基本是具有相互基本平行的两个盘面的盘形，所述外面部分被浇铸在所述中心件的外周表面(6)周围，
所述方法包括如下步骤：
a)提供至少一个具有将由所述塑料材料围绕的结构化外周表面的刚性中心件；
b)对所述外周表面实行表面粗加工步骤；
c)使中心件承受表面调整步骤；
d)将中心件放置在模具中；
e)通过利用惰性气体进行冲洗使模具惰性化；
f)添加液体反应混合物到模具中直到围绕中心件充满模具；
g)对充满的模具施加静态压力；
h)允许所述反应混合物的聚合以便形成所述外面部分；
其中所述表面调整步骤包括将有机官能硅烷化合物刷到外周表面上，并且，其中在步骤h)之后，中心件承受受控加热步骤以便局部地熔化与中心件邻近的区域内的塑料材料，随后进行中心件的受控强制冷却以便避免塑料材料的过度加热和老化；并且
所述复合齿轮坯具有以下特性：
a)当确定在直至25℃的温度时：
-至少17MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；和
b)当确定在直至120℃的温度时：
-至少11MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；
其中所述法向粘合强度SN通过以5mm/min恒定速率施加径向向外的负载进行确定，并且其中所述剪切粘合强度SS通过采用以下较低值进行确定：
i)通过以3rad/min恒定速率施加切向负载获得的切向粘合强度ST，和
ii)通过以1mm/min恒定速率施加轴向负载获得的轴向粘合强度SA。
2.一种制造复合齿轮坯的方法，所述复合齿轮坯包括刚性中心件(2)和由塑料材料制成的外面部分(8)，所述中心件基本是具有相互基本平行的两个盘面的盘形，所述外面部分被浇铸在所述中心件的外周表面(6)周围，
所述方法包括以下步骤：
a)提供至少一个具有将由所述塑料材料围绕的外周表面的刚性中心件；
b)使中心件承受表面去油步骤；
c)将中心件放置在模具中；
d)通过利用惰性气体进行冲洗使模具惰性化；
e)添加液体反应混合物到模具中直到围绕中心件充满模具；
f)对充满的模具施加静态压力；
g)允许所述反应混合物的聚合以便形成所述外面部分；
其中，中心件具有沿径向至少延伸1.35mm的多个底切或凹口，所述底切或凹口在步骤e)和f)中被填充所述液体反应混合物，进而沿所述中心件的径向(R)、轴向(A)和切向(T)在所述外面部分和所述中心件之间提供机械锁定；并且
所述复合齿轮坯具有以下特性：
a)当确定在直至25℃的温度时：
-至少17MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；和
b)当确定在直至120℃的温度时：
-至少11MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；
其中所述法向粘合强度SN通过以5mm/min恒定速率施加径向向外的负载进行确定，并且其中所述剪切粘合强度SS通过采用以下较低值进行确定：
i)通过以3rad/min恒定速率施加切向负载获得的切向粘合强度ST，和
ii)通过以1mm/min恒定速率施加轴向负载获得的轴向粘合强度SA。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤g)之后，中心件承受受控加热步骤以便局部熔化与中心件邻近的区域内的塑料材料，随后进行中心件的受控强制冷却以便避免塑料材料的过度加热和老化。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括在步骤a)和b)之间对所述外周表面实行表面粗加工步骤。
5.如权利要求1或4所述的方法，其中，表面粗加工步骤包括利用钢砂进行喷砂。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述模具在将中心件放置在其中的步骤之前被预加热。
7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤a)包括提供排列在纵长的支架元件上的多个刚性中心件的组件，每对相邻中心件由间隔元件分开，所述方法进一步包括紧接在所述反应混合物的聚合之后形成的多个复合齿轮坯的拆解。
8.如权利要求1至4中任一项所述的方法，进一步包括围绕所述外面部分同心布置的周围区域，所述周围区域由另外的塑料材料制成，其中，对应于所述周围区域的环形部件在将液体反应混合物添加到模具中之前被放置模具中。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述液体反应混合物包括ε-己内酰胺。
10.一种利用如权利要求1-9中任一项所述的方法制造的复合齿轮坯，包括刚性中心件(2)和由塑料材料制成的外面部分(8)，所述中心件基本是具有相互基本平行的两个盘面的盘形，所述外面部分被浇铸在所述中心件的外周表面(6)周围，其特征在于所述复合齿轮坯具有以下特性：
a)当确定在直至25℃的温度时：
-至少17MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；和
b)当确定在直至120℃的温度时：
-至少11MPa的外面部分和中心件之间的法向粘合强度SN；
-至少16MPa的外面部分和中心件之间的剪切粘合强度SS；
其中所述法向粘合强度SN通过以5mm/min恒定速率施加径向向外的负载进行确定，并且其中所述剪切粘合强度SS通过采用以下较低值进行确定：
i)通过以3rad/min恒定速率施加切向负载获得的切向粘合强度ST，和
ii)通过以1mm/min恒定速率施加轴向负载获得的轴向粘合强度SA。
11.如权利要求10所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件具有60mm至90mm的外直径。
12.如权利要求11所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件具有65mm至85mm的外直径。
13.如权利要求12所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件具有74mm至76mm的外直径。
14.如权利要求13所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件具有75mm的外直径。
15.如权利要求10至14中任一项所述的复合齿轮坯，其中，所述外面部分的塑料材料是聚酰胺，所述中心件由钢制成。
16.如权利要求10至14中任一项所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件的构造化外周表面(6)被赋予构造。
17.如权利要求16所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件的构造化外周表面(6)滚花(K)。
18.如权利要求10至14中任一项所述的复合齿轮坯，其中，所述中心件设置有填有所述塑料材料的凹口、边缘或底切，以便沿所述中心件的径向(R)，轴向(A)和切向(T)在所述外面部分和所述中心件之间提供机械锁定。
19.如权利要求10至14中任一项所述的复合齿轮坯，其中，所述外面部分基本覆盖至少一个所述盘面。
20.如权利要求10至14中任一项所述的复合齿轮坯，进一步包括围绕所述外面部分同心布置的周围区域，所述周围区域由另外的塑料材料制成。
21.如权利要求10至20中任一项所述的复合齿轮坯用于制作电子动力转向系统的蜗轮部件的用途。
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