CN105927725B - 一种经过表面处理工艺的齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种经过表面处理工艺的齿轮，在所述的齿轮表面涂覆有耐磨高强树脂涂层，所述的耐磨高强树脂涂层是通过预热所述齿轮以及模具，然后在所述模具与所述齿轮的齿面之间的模腔内，注射熔融的耐磨高强树脂，使得所述的耐磨高强树脂在逐渐冷却的过程中高度结晶化而形成所述的耐磨高强树脂涂层，所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。

Description

一种经过表面处理工艺的齿轮

技术领域

本发明涉及一种机械动力传输部件，尤其涉及一种经过表面处理工艺的齿轮，也涉及一种对齿轮进行表面处理的工艺方法，还进一步涉及对齿轮进行表面处理的设备。

背景技术

齿轮是一种最常见的机械动力传输部件，用于与另一个类似的机械啮合以传递旋转运动。常见的齿轮有行星齿轮、正齿轮、锥齿轮、涡轮等。齿轮传递是机械中最常用的传动方式之一，被广泛应用于交通运输、机械制造等工业和民用等领域。

齿轮啮合传递时，由于啮合面上存在相对滑动，在啮合面之间产生滑动摩擦力。摩擦力的大小和方向的改变导致齿轮啮合过程中产生啮合冲击力，使得齿轮产生疲劳和磨损破坏。

现有技术中已经开展了对改善齿轮疲劳和磨损破坏的研究，提出了一些解决的办法。

如中国专利CN102384243A公开了一种齿轮，在齿轮体上设置外齿牙，外齿牙与外齿槽相间隔，齿轮体中间开有内孔，内孔沿圆周均匀开有内齿槽，内孔端面设有多个油孔，由油孔形成的油道与外齿槽和内齿槽相通，在齿轮体表面覆有镀镍层。但该专利中的齿轮需要在端面和齿轮体上开设小孔，生产加工难度极大，而且如果在镀镍层形成之后进行钻孔，容易导致镀层被破坏，而如果钻孔之后再镀镍，又容易导致油孔堵塞，因此该专利难以高效生产出合格的齿轮。

又如中国专利CN103697142A虽然在此基础上又进行了进一步改进，将齿轮分为两个半轮部分，当磨损后需要更换时，直接拆换齿轮即可。但是该方案的改进只是对于维修更换而进行的，对于生产加工的难度仍然没有克服。

又如中国专利CN103511590A公开了一种蜣螂表面结构仿生齿轮，齿轮体上设有外齿牙和外齿槽，所述外齿牙与外齿槽相间隔，其特征在于：所述的外齿牙的表面上设置有不止一个球缺体。采用偶列球缺体与奇列球缺体交错布置方式，能减小摩擦力提高抗疲劳能力。但是该专利并没有公开如何方便高效的形成这样的表面结构，而同时如果采用表面处理技术如激光表面热处理、磨齿精加工等加工方式又容易导致材料表面破损，存在较大的残余应力，使齿轮在工作时加快损坏的程度。

另外采用表面涂层的方法增加齿轮的耐磨性，如上述提到过专利中使用镀镍层，但是耐磨性能的提高与涂层直接相关，镀层的厚度是非常有限的，因此一旦镀层磨损之后，齿轮的寿命就迅速减少。

近年来有报道指出，日本岐阜大学模具创成技术研究中心和Central Fine Tool公司(总部：日本岐阜县惠那市)共同开发出了利用碳纤维织物强化的树脂齿轮。通过实际使用这种齿轮，替代汽车等配备的金属齿轮，有望实现轻量化，降低生产成本并延长产品寿命。研究人员通过在齿轮中加入碳纤维减弱了拉伸应力，延长了齿轮寿命(图3)。被广泛应用于飞机等领域的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)虽然具备质量轻而且强度高的特点，但由于加工难度较大，目前还无法用于机械部件的大量生产。如果利用此次新开发的齿轮上使用的工艺，便可在汽车零部件等需要大量生产的制造物上使用碳纤维。但是目前还缺乏对树脂齿轮的制造成本及产品强度具体和充分验证，特别是对于传递大扭矩需要的齿轮。因为与金属齿轮相比，树脂齿轮在强度、刚性、精度上都天然都有性能劣势。另外有注射模塑而成的树脂齿轮使用的材料大部分是结晶性高分子，因此树脂齿轮的磨损取决于树脂材料的结晶化程度。在模具中，齿轮齿部分的树脂冷却速度比齿轮主体部分快，从而齿轮齿部分的树脂结晶化程度较低，导致最容易磨损的齿轮的齿部分刚性和耐磨性反而较低。

中国专利CN105324594A公开了一种用于树脂齿轮的金属芯和树脂齿轮组合部件，通过外周树脂接合到环部，形成轴套部、连接部、环部由一体连续材料形成的树脂齿轮。然而由于啮合的齿仍然是金属制的，并没有解决齿轮磨损的问题。

综上所述，各种提高齿轮寿命的方法都存在一定的局限定，无法从根本上解决齿轮的疲劳和磨损问题。齿轮传动的疲劳破坏和磨损不仅消耗能源和花费材料，而且由于疲劳破坏和磨损而更换部件时修理、停工所消耗的人力物力以及降低劳动生产率就更严重了，因此为方便高效的提供可靠地齿轮，以减少机械传动部件的疲劳和摩擦磨损是目前的当务之急。

发明内容

由此出发，本发明的一个要解决的技术问题是：提供一种具有耐磨高强树脂涂层的齿轮，使得齿轮具有期望的金属齿轮的高强度、高刚性、高进度，同时具有树脂材料的自润滑、低噪音性能。

本发明的另一要解决的技术问题是：提供一种具有耐磨高强树脂涂层进行表面处理工艺的齿轮，使得在润滑剂工作条件下的齿轮表面能快速形成润滑剂膜。

本发明提供一种经过表面处理工艺的齿轮，在所述的齿轮表面涂覆有耐磨高强树脂涂层，所述的耐磨高强树脂涂层是通过预热所述齿轮以及模具，然后在所述模具与所述齿轮的齿面之间的模腔内，注射熔融的耐磨高强树脂，使得所述的耐磨高强树脂在逐渐冷却的过程中高度结晶化而形成所述的耐磨高强树脂涂层，其特征在于：所述耐磨高强树脂的配比为：70-85重量份的聚乙烯树脂、3-8重量份的纳米级镍粉末、1-2重量份的过氧化苯甲酰，10重量份的聚四氟乙烯；所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。

本发明提供还一种经过表面处理工艺的齿轮，在所述的齿轮表面涂覆有耐磨高强树脂涂层，所述的耐磨高强树脂涂层是通过预热所述齿轮以及模具，然后在所述模具与所述齿轮的齿面之间的模腔内，注射熔融的耐磨高强树脂，使得所述的耐磨高强树脂在逐渐冷却的过程中高度结晶化而形成所述的耐磨高强树脂涂层，其特征在于：所述耐磨高强树脂的配比为60-70重量份的聚乙烯树脂、15-20重量份的尼龙6树脂、10-20重量份的纳米级石墨粉，10-20重量份的聚四氟乙烯；所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。

本发明的又一要解决的技术问题是：提供一种对齿轮表面进行表面处理的工艺。

本发明进一步提供一种齿轮的表面处理工艺，用于为齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层，包括如下步骤：

步骤1：将待涂覆齿轮固定于模具内，使得所述齿轮固定在预定的轴向固定位置时，在注射树脂的所述模具一侧设置有4个贯穿孔，在固定齿轮一侧的所述模具上有3个圆柱形销钉，所述销钉穿过注射树脂的所述模具一侧周边的3个贯穿孔，从而将所述齿轮嵌固在所述模具内；

步骤2：预热所述模具以及所述齿轮；

步骤3：注射熔融的耐磨高强树脂；注射完成后，将模具保持20-30℃/小时的速度冷却至室温；之后脱模，在所述模具与齿轮的齿面之间的模腔内形成耐磨高强树脂涂层。

优选地，所述圆柱形销钉是中空带排出口的结构，在所述贯穿孔的中间位置设置有注射口。

优选地，在所述齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层之前，使用硝酸或混合酸对齿轮齿表面进行腐蚀处理。

本发明的又一要解决的技术问题是：提供一种对齿轮表面进行表面处理的设备。

本发明还提供一种对齿轮表面处理时进行定位和加工的设备，包括：

机架，用于容纳或固定模具以及注射设备；

设置在所述机架的操作台下部的定位头，所述定位头能围绕固定竖直轴向旋转地耦合到所述机架，并且处于轴向固定的位置，所述轴向固定的位置由所述模具的位置确定；

其特征在于：

所述定位头具有顶端部，设计成能轴向滑动并且接合至齿轮的中间轮毂部，所述顶端部的侧壁与所述中间轮毂部的侧壁之间具有间隙；

所述顶端部包括用于对所述齿轮进行定位和保持作用的移动销；

所述移动销能在伸出位置以及回缩位置之间径向的移动，在所述回缩位置，所述移动销回缩至所述顶端部内，以使得所述顶端部能够自由从所述中间轮毂部中移动，在所述伸出位置，所述移动销能插入至所述中间轮毂部对应的沟槽内，以将所述齿轮夹持并固定至预定的轴向固定位置。

优选地，所述移动销是能定位保持的具有球形头的移动销，设置在所述顶端部上部，所述移动销围绕所述定位头的轴向以预定角度设置，并且形成沿所述定位头的轴向方向不同的两个环部，分别由两个微电机驱动设置在所述两个环部上的所述移动销。

优选地，所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有所述沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。

本发明的有益效果为：

1.与通过对齿轮表面硬化处理相比，在齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层，通常的淬火工艺导致的部件扭曲和残余应力。

2.遵循自动操作的循环，无需人工介入，传送臂将齿轮放入模具后，定位头14自动将齿轮10与模具位置进行定位调整，然后通过传感器或探测器将注射头300(可结合注射树脂的模具)移动并对准3个圆柱形销钉，实施树脂注射。

3.经过试验，本发明的齿轮在转矩15Nm，转速3200rpm，温度50℃，润滑条件下转动，总转数107的之后，完全没有发生齿根破坏，另外耐磨高强树脂的表面磨损极少，几乎没有裂纹，在耐磨高强树脂厚度上没有观测到明显变化，证实耐磨性能优良，另外，在噪音大小上比金属齿轮相互接触时降低约50％。

附图说明

图1是本发明的使用的对齿轮表面处理时进行定位和加工的设备示意图。

图2是本发明的定位和加工的设备的定位头伸出时的示意图。

图3是本发明的齿轮的中间轮毂部的结构示意图。

图4是本发明的定位和加工的设备的驱动和定位的注射头工作示意图。

图5是本发明的模具和齿轮的局部示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

本发明所指的齿轮，是指在汽车、飞机等运输工具中、电子器件、生活电器等领域中使用旋转传递运动的零件。包括但不限于：正齿轮、内齿轮、齿条、斜齿轮、螺旋齿轮、锥齿轮、螺杆齿轮、蜗轮齿轮等。

耐磨高强树脂涂层至少涂覆在金属齿轮的接触表面部位，包括但不限于齿轮的齿接触面。

实施例1

为齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层的方法：包括如下步骤：

步骤1：将待涂覆齿轮固定于模具40内；其中模具40内部轴心处设置有安装齿轮用的孔，使得齿轮固定在预定轴向固定位置时，对应于涂覆树脂厚度为0.3mm的模腔41；在注射树脂的模具一侧设置有4个贯穿孔。在模具40封闭的时候，轴穿过齿轮和注射树脂的模具一侧中心的贯穿孔，固定齿轮一侧的模具上有3个圆柱形销钉，销钉穿过注射树脂的模具一侧周边的3个贯穿孔，从而将齿轮嵌固在模具内。上述3个贯穿孔的中间位置设置3个注射口，用于注射熔融的耐磨高强树脂，优选的圆柱形销钉是中空带排出口的结构。优选的，3个注射口相对于中心互相间隔120°，以使得注射树脂均匀分布。

步骤2：预热模具以及齿轮至140℃；预热的方式可选的有电磁感应加热、红外线加热、或者热鼓风加热等。这是由于室温下的模具和齿轮温度远远低于熔融的耐磨高强树脂，如果不预热到较高温度，在熔融的耐磨高强树脂接触到模具和齿轮表面时，会迅速冷却，耐磨高强树脂没有足够的结晶化程度。

步骤3：注射熔融的耐磨高强树脂；注射完成后，将模具保持20℃/小时的速度冷却至室温；之后脱模。

如图5所示，在模具40与齿轮10的齿面之间的模腔40内形成耐磨高强树脂涂层。

优选的，上述耐磨高强树脂的配比为70-85重量份的聚乙烯树脂、3-8重量份的纳米级镍粉末、1-2重量份的过氧化苯甲酰，10重量份的聚四氟乙烯。纳米级镍粉末的添加提供了额外优良的耐磨性，而聚四氟乙烯的润滑特性优良。

为使得齿轮固定在预定轴向固定位置和注射耐磨高强树脂，可结合使用本发明后续实施例描述的定位和加工设备。

实施例2

在齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层之前，使用硝酸或混合酸对齿轮齿表面进行腐蚀处理，以达到增加齿轮表面与耐磨高强树脂涂层的附着力。

所述混合酸包括：

为齿轮表面涂覆耐磨高强树脂涂层的方法：包括如下步骤：

步骤1：将待涂覆齿轮固定于模具内；其中模具内部设置有安装齿轮用的轴，使得齿轮固定在预定轴向固定位置时，对应于涂覆树脂厚度为20mm的模腔；在注射树脂的模具一侧设置有4个贯穿孔。在模具封闭的时候，轴穿过齿轮和注射树脂的模具一侧中心的贯穿孔，固定齿轮一侧的模具上有3个圆柱形销钉，销钉穿过注射树脂的模具一侧周边的3个贯穿孔，从而将齿轮嵌固在模具内。上述3个贯穿孔的中间位置设置3个注射口，用于注射熔融的耐磨高强树脂，优选的圆柱形销钉是中空带排出口的结构。优选的，3个注射口相对于中心互相间隔120°，以使得注射树脂均匀分布。

步骤2：预热模具以及齿轮至180℃；预热的方式可选的有电磁感应加热、红外线加热、或者热鼓风加热等。这是由于室温下的模具和齿轮温度远远低于熔融的耐磨高强树脂，如果不预热到较高温度，在熔融的耐磨高强树脂接触到模具和齿轮表面时，会迅速冷却，耐磨高强树脂没有足够的结晶化程度。

步骤3：注射熔融的耐磨高强树脂；注射完成后，将模具保持20℃/小时的速度冷却至室温；之后脱模。

优选的，上述耐磨高强树脂的配比为60-70重量份的聚乙烯树脂、15-20重量份的尼龙6树脂、10-20重量份的纳米级石墨粉，10-20重量份的聚四氟乙烯。

为使得齿轮固定在预定轴向固定位置和注射耐磨高强树脂，可结合使用本发明后续实施例描述的定位和加工设备。

实施例3

如图1中所示，本发明还示出对于齿轮10进行预热处理以及表面处理的定位和加工设备。

在其中，为表示清楚，在图中为示出布置在齿轮10之外的模具。齿轮10包括齿轮主体部11以及中间轮毂部12。齿轮的外部齿典型的可以具有直齿。位于齿轮10侧面的两个中间轮毂部12从齿轮中心轴向两侧面相反的方向延伸。

该设备包括机架100(其余部分未示出)，模具可固定在其上，并且机架100显然还可以包括向上延伸的其他框架(未示出)，以容纳或固定模具以及其他注射需要地设备。

特别的，机架100包括在机架操作台下部的定位头14，定位头14能围绕固定竖直轴向旋转地耦合到机架100，并且处于轴向固定的位置。优选地该轴向固定的位置由模具的位置确定。进一步地，定位头14由对应的电机进行驱动。

如图所示，定位头14的侧面类似倒置的T形，具有顶端部15，设计成能轴向滑动并且接合至中间轮毂部12，其中顶端部15的侧壁与中间轮毂部12的侧壁之间具有间隙16。

顶端部15构造为包括用于对齿轮10进行定位和保持作用的移动销20。优选的，移动销20是可定位保持的，具有球形头的移动销，设置在顶端部15的上部，移动销围绕轴向以预定角度设置，并且形成沿轴向方向不同的两个环部。分别由两个微电机21驱动设置在两个环部上的移动销。

移动销20能在伸出位置9(参照图2)以及回缩位置(参照图1)之间径向的移动，在回缩位置中，移动销20回缩至顶端部15内，以使得顶端部15能够自由从中间轮毂部12中移动。在伸出位置，移动销20插入至中间轮毂部12对应的沟槽120内，将齿轮10夹持并固定至预定的轴向固定位置。

如图3所示，中间轮毂部12具有位于齿轮10的主体的侧面以外的第一端面121，以及倾斜连接齿轮10的主体的侧面和第一端面121的第二侧面122，以及在中间轮毂部12中心的轮毂孔123。可选的，中间轮毂部12也可以不设置在齿轮10的主体之内，而通过延伸轴设置在齿轮10的主体之外。

优选的，在第一端面121以及轮毂孔123的面上，开设有沟槽120，使得移动销20在伸出位置时，恰好插入到沟槽内，并且将齿轮10夹持并固定至预定的轴向固定位置。

如图所示，在本实施例中，沟槽的数量为4个，相应的单个环部上的移动销20也为4个。

实施例4

如图4所示，该设备还包括电机驱动和定位的注射头300，定位在机架100、齿轮10、模具(为图示)的上方。该注射头300能沿着轴线朝向远离或靠近齿轮10移动。

与模具中的3个圆柱形销钉对应，注射头300包括三个注射器301、302、303，这些注射器围绕轴向以相同的角度间隔设置，当注射头300实施注射树脂时，三个注射器301、302、303恰好接合至3个圆柱形销钉的贯穿孔的中间位置的注射口。

优选的，注射头300能够旋转，并且能以传感器或探测器对准等方式，自动接合至注射口。

这样，该设备遵循自动操作的循环，无需人工介入，传送臂将齿轮放入模具后，定位头14自动将齿轮10与模具位置进行定位调整，然后通过传感器或探测器将注射头300(可结合注射树脂的模具)移动并对准3个圆柱形销钉，实施树脂注射。

经过试验，本发明的齿轮在转矩15Nm，转速3200rpm，温度50℃，润滑条件下转动，总转数10⁷的之后，完全没有发生齿根破坏，另外耐磨高强树脂的表面磨损极少，几乎没有裂纹，在耐磨高强树脂厚度上没有观测到明显变化，证实耐磨性能优良，另外，在噪音大小上比金属齿轮相互接触时降低约50％。

通过前述描述，显然的，可对所描述的方法和设备做出各种修改和变形，特别的根据加工的齿轮的特定几何特性或尺寸特征进行对于模具和定位头的一般变化，也应当在本发明的公开范围内。

上述具体实施例只是对本发明内容的示意性说明，不代表对本发明内容的限制。本领域技术人员可以想到的是，本发明中具体结构可以有很多的变化形式，但其采用技术方案的主要技术特征与本发明相同或相似，均应涵盖于本发明保护范围内。

Claims (2)

1.一种经过表面处理工艺的齿轮，在所述的齿轮表面涂覆有耐磨高强树脂涂层，所述的耐磨高强树脂涂层是通过预热所述齿轮以及模具，然后在所述模具与所述齿轮的齿面之间的模腔内，注射熔融的耐磨高强树脂，使得所述的耐磨高强树脂在逐渐冷却的过程中高度结晶化而形成所述的耐磨高强树脂涂层，其特征在于：所述耐磨高强树脂的配比为：70-85重量份的聚乙烯树脂、3-8重量份的纳米级镍粉末、1-2重量份的过氧化苯甲酰，10重量份的聚四氟乙烯；

所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；

在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。

2.一种经过表面处理工艺的齿轮，在所述的齿轮表面涂覆有耐磨高强树脂涂层，所述的耐磨高强树脂涂层是通过预热所述齿轮以及模具，然后在所述模具与所述齿轮的齿面之间的模腔内，注射熔融的耐磨高强树脂，使得所述的耐磨高强树脂在逐渐冷却的过程中高度结晶化而形成所述的耐磨高强树脂涂层，其特征在于：所述耐磨高强树脂的配比为60-70重量份的聚乙烯树脂、15-20重量份的尼龙6树脂、10-20重量份的纳米级石墨粉，10-20重量份的聚四氟乙烯；

所述齿轮具有中间轮毂部，所述中间轮毂部具有位于所述齿轮的主体的侧面以外的第一端面，以及倾斜连接所述齿轮的所述主体的侧面和所述第一端面的第二侧面；

在所述第一端面以及所述中间轮毂部的轮毂孔的面上，开设有沟槽，以便于被夹持并固定至预定的轴向固定位置。