CN104534057A - 一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法，所述轮齿条的原料组成，按质量份数计，包括以下组分：超高分子量聚乙烯100份；润滑剂0.1～10份；填充料10～60份；补强纤维5～40份；纳米无机填料0.1～10份。由于采用超高分子量聚乙烯复合材料作为轮齿条的原料，使得本发明同步带齿轮的强度增强，力学性能好，而且具有优良的耐磨损性和耐化学腐蚀性，延长了耐磨齿轮的维修周期，显著提高了同步带轮的使用寿命，而且轮齿条表面的摩擦系数低、表面光滑，还可以防止同步带的磨耗，降低了生产成本。

Description

一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法
技术领域
本发明涉及机械传动领域，主要涉及一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法。
背景技术
同步带传动是由同步带和同步带轮组成的啮合传动，其运动和动力是通过带齿与轮齿相啮合传递的。与普通带传动相比，同步带传动具有带与带轮间无相对滑动、传动比恒定、传动效率高、结构紧凑等优点，在机械设备上得到广泛应用。目前同步带轮常用材质有：铝合金、钢、铸铁、不锈钢、尼龙、铜、塑胶等，耐磨性还是有待提高的。而轮齿是磨损最大的位置，一旦轮齿受损了，就需要将整个齿轮拆下更换新的，浪费资源，也会增加生产成本。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法，所述同步带齿轮的轮齿条采用超高分子量聚乙烯作为原料，并加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，大大提高了轮齿条的耐磨性能，旨在提供一种超耐磨的轮齿条，延长轮齿条的使用寿命，降低生产成本。
本发明的技术方案如下：
一种同步带齿轮的轮齿条，其中，所述轮齿条的原料组成，按质量份数计，包括以下组分：
超高分子量聚乙烯  100份；
润滑剂  0.1～10份；
填充料  10～60份；
补强纤维  5～40份；
纳米无机填料  0.1～10份。
所述的同步带齿轮的轮齿条，其中，所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万；所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种；所述填充料为玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种；所述补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种；所述纳米无机填料为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。
所述的同步带齿轮的轮齿条，其中，所述填充料和补强纤维经过偶联剂活化处理；
所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
所述的同步带齿轮的轮齿条，其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
一种如上所述的同步带轮齿条的制备方法，其中，包括以下步骤：
按比例获取超高分子量聚乙烯与润滑剂，高速搅拌至40～60℃或8～15分钟；再加入纳米无机填料和已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维，高速搅拌3～5分钟后出料备用。
通过挤出机头模挤出平直状的轮齿条；
所述挤出过程采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
所述的同步带轮齿条的制备方法，其中，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
所述的同步带轮齿条的制备方法，其中，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
一种同步带齿轮，其中，所述同步带齿轮包括齿轮芯和采用如上所述同步带轮齿条的制备方法制备得到的轮齿条，所述轮齿条可拆卸地环绕设置在齿轮芯上。
所述的同步带齿轮，其中，所述轮齿条通过螺丝、卡扣或粘接的方式固定在齿轮芯上；
所述轮齿条分成二段或多段拼接设置在齿轮芯上；每段轮齿条的两端分别固定在齿轮芯上，并与相邻的轮齿条相接；
所述轮齿条上设置有定位凸槽，所述齿轮芯上对应设置有定位凹槽。
一种如上所述的同步带齿轮的制备方法，其中，包括以下步骤：
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为90～140℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却，得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并将轮齿条固定在齿轮芯上。
有益效果：本发明所提供的同步带齿轮的轮齿条采用分子量150万以上的超高分子量聚乙烯为原料，并加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型，制备轮齿条。超高分子量聚乙烯因分子量高而具有其它塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，耐磨性是碳钢的7～10倍，不锈钢的4倍，是已知塑料材料中最耐磨的，而且还可以防止对磨材料的磨损。由于采用超高分子量聚乙烯复合材料作为轮齿条的原料，使得本发明同步带齿轮的强度增强，力学性能好，而且具有优良的耐磨损性和耐化学腐蚀性，延长了耐磨齿轮的维修周期，显著提高了同步带轮的使用寿命，而且轮齿条表面的摩擦系数低、表面光滑，还可以防止同步带的磨耗，降低了生产成本。
而且，由于采用超高分子量聚乙烯复合材料作为轮齿条的原料，所述轮齿条可以可拆卸地环绕设置在齿轮芯上，当轮齿条受损时，只需要将受损的轮齿条拆卸下来进行更换，不需要更换整个齿轮，而且更换方便，进一步降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明同步带齿轮的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种同步带齿轮及其轮齿条和制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的同步带齿轮，如图1所示，分为轮齿条1和齿轮芯2两个部分，所述轮齿条1可拆卸地环绕设置在齿轮芯2上。
所述轮齿条1可以通过螺丝3固定在齿轮芯2上，也可以采用胶粘、卡扣等其他可拆卸的方式固定在齿轮芯2上，二段或多段拼接成圆形覆盖在齿轮芯表面制成同步带轮。这样，当同步带齿轮受到磨损或出现故障时，就可以直接将轮齿条1拆卸下来，更换新的轮齿条1，而不需要更换整个齿轮，更换方便的同时，也减少了资源的浪费。
所述轮齿条1可以二段或多段拼接成圆型，环绕设置在齿轮芯2上，轮齿条1的两端相接，并固定在齿轮芯2上。优选地，所述轮齿条1可以分成三段设置在轮齿芯2上，每段轮齿条1的两端分别固定在齿轮芯2上，并与相邻的齿轮条1相接。进一步地，三段轮齿条1的形状可以相同，这样可实现模块化的生产，方便装配。
进一步地，所述轮齿条1上还设置有定位凸槽4，所述齿轮芯2上对应设置有定位凹槽(图中未示出)。这样，在装配轮齿条1时，通过定位凸槽4和定位凹槽的配合，就能快速在齿轮芯2上找准定位，提高安装速率。
所述轮齿条1和轮齿芯2的材质可以采用常用的铝合金、钢、铸铁、不锈钢、尼龙、铜或塑胶等。在本发明的优选方案中，所述轮齿条1采用超高分子量聚乙烯为原料制成，所述轮齿芯2则由金属制成。因为采用超高分子量聚乙烯材料，本发明同步带齿轮具有优良的耐磨损性和耐化学腐蚀性，耐磨性是碳钢的7～10倍，不锈钢的4倍，是已知塑料材料中最耐磨的，显著提高了同步带轮的使用寿命。
本发明方案中，还提供所述轮齿条的原料组成，按质量份数计，包括以下组分：
1、超高分子量聚乙烯  100份；
2、润滑剂  0.1～10份；
3、填充料  10～60份；
4、补强纤维  5～40份；
5、纳米无机填料  1～20份。
所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万的超高分子量聚乙烯。本发明中通过加入了纳米级无机填料、润滑剂对所述超高分子量聚乙烯进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加工困难的难题，可以通过挤出机挤出成型轮齿条。
所述润滑剂可以选取聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种。润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面，在聚合物内部起着降低聚合物分子间内聚力的作用，从而改善超高分子量聚乙烯熔料的内摩擦生热和熔体的流动性。
所述填充料可以选取玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种。填充料可以提高所述轮齿条的整体性能，可使表面硬度、刚度、蠕变性、弯曲强度、热变形温度得以较好地改善；具有一定的补强作用，增加所述轮齿条的强度和耐磨性。所述填充料在投入使用前会经过偶联剂活化处理的，由于偶联剂极性基团的存在，在填充料和超高分子量聚乙烯分子链间的范德华力由单纯的色分散力转变为色分散力加诱导力，再加上偶联剂分子与超高分子量聚乙烯链的缠结作用，这样填充料在超高分子量聚乙烯基体中起到了物理交联点的作用，并融入了超高分子量聚乙烯的分子链缠结网络。
所述偶联剂可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种，优选地选用硅烷偶联剂(KH550)。所述偶联剂活化处理的过程为取填充料总质量0.5-3.5％偶联剂，用无水乙醇8-12:1(体积比)进行稀释偶联剂。将称好的填充料放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，排出填充料，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥数小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
所述的补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种。补强纤维均匀地渗透在超高分子量聚乙烯基体内，它们相互缠绕，形成了一种纤维骨架，它能限制各向异性收缩，显著降低翘曲，提高了齿轮条的尺寸稳定性，其增强效果提高了齿轮条的弯曲弹性模量、弯曲强度、拉伸强度、冲击强度。所述补强纤维在投入使用前会也经过偶联剂活化处理，其处理过程与填充料相同。
所述纳米无机填料可以选取二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。由于纳米无机填料其纳米尺寸效应、大的比表面积以及强的界面相互作用，可以消除无机填充料与超高分子量聚乙烯基体间的界面张力，实现理想的界面粘接，消除无机填充料与超高分子量聚乙烯基体两物质热膨胀系数不匹配的问题，因此可以充分发挥无机填充料的优异力学性能，可以将无机填充料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与超高分子量聚乙烯耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能完美结合，给予齿轮条更高强度、模量、耐磨、耐冲击强度性能，并有增韧效果。
本发明方案中，还提供所述齿轮的生产方法：
步骤1：生成轮齿条，所述轮齿条的挤出制备工艺如下：
a、超高分子量聚乙烯与润滑剂按比例投入高速混料机中高速搅拌至40～60℃或8～15分钟，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维，纳米无机填料，高速搅拌3～5分钟后出料备用。
b、通过挤出机头模挤出平直状的轮齿条：可以采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
步骤2：将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为90～140℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条。
步骤3：将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上。
以下通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
填充料以及补强纤维均进行了偶联剂活化处理：
取填充料或补强纤维总质量的1％KH550，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释KH550。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入KH550/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂硬脂酸1份、硬脂酸钙1.5份投入高速混料机中高速搅拌至40℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过KH550偶联剂活化处理的玻璃微珠12份、玄武岩纤维10份，纳米二氧化硅6份，高速搅拌3分钟后出料备用。
单螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，265℃，240℃，190℃，195℃，200℃，205℃，200℃；通过挤出机头模挤出平直状的AT20轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为110℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上，三段拼接成圆形覆盖在齿轮芯表面，制得AT20同步带齿轮。
经过检测，AT20同步带齿轮到表面硬度可达洛氏40，同时具有很好的尺寸稳定性、耐冲击性，耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
实施例2
取填充料或补强纤维总质量的2％KH550，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释KH550。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入KH550/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂聚乙烯蜡2份、硬脂酸钙5份投入高速混料机中高速搅拌至60℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过KH550偶联剂活化处理的玻璃微珠30份、玄武岩纤维15份，纳米氧化铝10份，高速搅拌5分钟后出料备用。
双螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，265℃，240℃，190℃，195℃，200℃，205℃，200℃；通过挤出机头模挤出平直状的S14M轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为140℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上，三段拼接成圆形覆盖在齿轮芯表面，制备得到S14M同步带齿轮。
经过检测，S14M同步带齿轮到表面硬度可达洛氏45，同时具有很好的尺寸稳定性、耐冲击性，耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
实施例3
取填充料或补强纤维总质量的3％钛酸酯偶联剂，用无水乙醇10:1(体积比)进行稀释钛酸酯偶联剂。将称好的填充料或补强纤维放入高速搅拌机进行搅拌，边搅拌边加入钛酸酯偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌5分钟，排出填充料或补强纤维，再放入设定温度80℃的烘箱中干燥5小时，取出后研细放置在密闭容器中备用。
取100份超高分子量聚乙烯与润滑剂聚乙烯蜡3份、硬脂酸锌3份投入高速混料机中高速搅拌至60℃，让润滑剂充分吸附在超高分子量聚乙烯粉料表面；再加入已通过KH550偶联剂活化处理的碳化硅60份、碳纤维30份，纳米滑石粉10份，高速搅拌5分钟后出料备用。
单螺杆挤出机的温度从输送段到机头模依次为125℃，160℃，280℃，260℃，200℃，220℃，225℃，230℃，225℃；通过挤出机头模挤出平直状的T10轮齿条。
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为120℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却后得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并通过螺丝将轮齿条的两端固定在齿轮芯上，三段拼接成圆形覆盖在齿轮芯表面制备得到T10同步带齿轮。
经过检测，T10同步带齿轮到表面硬度可达洛氏45，同时具有摩擦系数低而稳定、耐磨性能好、耐腐蚀，表面光滑、噪音低等特点。
综上所述，本发明所提供的同步带齿轮的轮齿条采用分子量150万以上的超高分子量聚乙烯为原料，通过加入纳米级无机填料、润滑剂进行改性，解决了所述超高分子量聚乙烯熔体粘度极高，加型困难的难题，可以通过挤出机挤出成型。经过改性的超高分子量聚乙烯材料不仅具备原有的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能，还具有刚性强、表面硬度高的优点，并且热变形温度提高到100℃左右，使得本发明同步带齿轮的轮齿条的稳定性提高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种同步带齿轮的轮齿条，其特征在于，所述轮齿条的原料组成，按质量份数计，包括以下组分：
超高分子量聚乙烯  100份；
润滑剂  0.1～10份；
填充料  10～60份；
补强纤维  5～40份；
纳米无机填料  0.1～10份。
2.根据权利要求1所述的同步带齿轮的轮齿条，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯为平均分子量为150万～800万；所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸锌中的一种或多种；所述填充料为玻璃微珠、陶瓷微珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼中的一种或多种；所述补强纤维为超高分子量聚乙烯纤维、涤纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种；所述纳米无机填料为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米滑石粉、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的同步带齿轮的轮齿条，其特征在于，所述填充料和补强纤维经过偶联剂活化处理；
所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的同步带齿轮的轮齿条，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
5.一种如权利要求1-2任一所述的同步带轮齿条的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例获取超高分子量聚乙烯与润滑剂，高速搅拌至40～60℃或8～15分钟；再加入纳米无机填料和已通过偶联剂活化处理的填充料、补强纤维，高速搅拌3～5分钟；
通过挤出机头模挤出平直状的轮齿条；
所述挤出过程采用单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机的温度从输送段到机头模依次为125±5℃，160±5℃，250～290℃，230～265℃，180～220℃，190～235℃，195～240℃，200～250℃，190～235℃。
6.根据权利要求5所述的同步带轮齿条的制备方法，其特征在于，所述偶联剂活化处理的过程为取填充料或补强纤维的总质量0.5-3.5％的偶联剂，用无水乙醇按照8-12:1的体积比进行稀释偶联剂；边搅拌填充料或补强纤维边加入偶联剂/无水乙醇混合溶液，待溶液全部倒入后继续搅拌数分钟，再放入设定温度80±10℃的烘箱中干燥，取出后研细，备用；
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的同步带轮齿条的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
8.一种同步带齿轮，其特征在于，所述同步带齿轮包括齿轮芯和采用权利要求5-7任一所述同步带轮齿条的制备方法制备得到的轮齿条，所述轮齿条可拆卸地环绕设置在齿轮芯上。
9.根据权利要求8所述的同步带齿轮，其特征在于，所述轮齿条通过螺丝、卡扣或粘接的方式固定在齿轮芯上；
所述轮齿条分成二段或多段拼接设置在齿轮芯上；每段轮齿条的两端分别固定在齿轮芯上，并与相邻的轮齿条相接；
所述轮齿条上设置有定位凸槽，所述齿轮芯上对应设置有定位凹槽。
10.一种如权利要求5-7任一所述的同步带齿轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将平直状的轮齿条放于齿轮芯上，置入加热温度为90～140℃的环境下，使其软化贴服于齿轮芯表面，取出冷却，得到与齿轮芯表面弧度吻合的弧形轮齿条；
将弧形的轮齿条环绕设置在齿轮芯上，并将轮齿条固定在齿轮芯上。
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