附件11
外文資料翻譯
學生姓名： 陳衛國
專業班級： 材料成型1102
指導教師： 李麗
河北工程大學機電學院
年月 在超臨界流體和壓模的幫助下對注射成型塑料齒輪精度的研究
jae d. yoon機械工程學系，延世大學，漢城，南韓
sung w. cha機械工程學院，延世大學，漢城，南韓
tae h. chong機械工程學院，漢陽大學，漢城，南韓
young w. ha機械設計工程系，漢陽大學，漢城，南韓
塑料齒輪相對於鋼齒輪更輕、噪音更少，而且很容易通過注射成型過程加工成各種形式。出於這個原因，塑料齒輪被廣泛應用於工業。對於齒輪材料和塑料齒輪耐久度及更廣泛應用的加工方法進行了大量研究。
在這篇文章中，重點是加工方式結合注射成型工藝製造塑料齒輪。影響塑料齒輪耐久度的最大因素是其精度。不像鋼齒輪，塑料齒輪的尺寸在成型時會有相當大的變化，這是由於注射成型過程中和模具結構的某些條件。
這裡的尺寸變數的主要原因是塑料的高粘度和樹脂的收縮率。在我們的研究中，超臨界流體被用來降低塑料的粘度，壓模被用來控制樹脂的收縮率。因此，生產的提高，更高精度的塑膠齒輪已經實現。
關鍵詞： 注射成型塑料齒輪；壓模；超臨界流體；粘度
1. 簡介
相比鋼齒輪，塑料齒輪有許多優點，因為塑料齒輪更輕、噪音更少、更容易批量生產。因此，塑料齒輪廣泛應用於工業。塑料齒輪使用的材料是pom（聚甲醛），pc（聚碳酸酯）和pa（聚醯胺）。
pa因為其高強度是應用最多的材料。然而，因為pa相對於聚甲醛相當昂貴且更難成型，在pa齒輪的水平上需要很大的努力提高注射成型聚甲醛齒輪的效能。
此外，製造精確注塑件的努力和研究正在進行。根據趙等理論，當加入2%pc(聚碳酸酯),lcp（液晶聚合物）顯示了更好的流動性和精確度。黃展示了聚合物中加入奈米陶瓷從而改善精度和耐磨損。
微孔發泡工藝是由麻省理工學院研究人員在20世紀80年代開發。這是通過移除塑料矩陣中的微孔降低產品質量的一種塑料發泡方法。雖然它最初設計批量處理，現在可用於注射成型過程。
許多研究者指出當流動氣體如二氧化碳或氮氣在超臨界階段注射到注塑機筒時塑料的粘度降低。傳統上，作準確的塑料齒輪是乙個艱鉅的任務，因為根據塑料在模具中冷卻的壓力，塑料在熔融狀態有很高粘度和不規則收縮，約2%。一般來說，高收縮發生在焊地區，低收縮發生在澆口附近。
這問題通過加入超臨界流體增加流動能力已經解決，如在微孔成型工藝中。然而，用這方法形成塑料齒輪是不合適的，因為微孔在齒輪裡形成降低了抗拉強度。因此，為了製造精確塑料齒輪，需要一種新技術既能抑制微孔的核又能降低粘度。
圖1. 濃度關於溫度和壓力的函式曲線
一種新的注射成型過程，被設計抑制微孔核的壓模會在文章中提出。當塑料或者氣體解決方案熱力學不穩定時微孔核會產生。在微孔注射成型工藝中，超臨界流體（scf）注入進汽缸中的熔融聚合物，數量小於或者等於其溶解度限制，然後通過注射成型機螺桿攪拌直到溶解均勻做好注射準備。
這種單相溶液然後注入到模具並冷卻成形。在注射過程中，由於從氣缸到模具的壓力變化塔經歷了熱力學變化。當注射進入模具時溶解的超臨界流體成核並且在模具壓力足夠溶解超臨界流體時被抑制。
傳統的模具內的壓力通常等於大氣壓力，但在文章中展現的壓模改變了壓力。
通過證監會和壓模成型工藝，製造的齒輪尺寸精度已調查且在這篇文章中唄描述。
2. 微孔發泡工藝與壓模
2.1. 微孔發泡工藝
麻省理工學院研究者在20世紀80年代開發的微孔發泡工藝是一項在塑料中製造微孔的技術。不像現有的發泡技術，它在超臨界流體狀態使用如二氧化碳和氮氣的惰性氣體，發泡孔大小在10微公尺左右或更小。如圖1所示，當壓力減小或者當溫度公升高溶解度降低時，塑料內溶解的氣體變成飽和狀態，在塑料矩陣中成核並結束發泡過程。
相同的現象發生在當蓋子開啟溶解在汽水中的二氧化碳跑出。
結合微孔發泡和注射成型的方法如圖2所示。惰性氣體如二氧化碳或者氮氣在超臨界流體狀態下注入機筒內的熔融聚合物中，然後通過在注射成型機筒內特別設計的螺桿將聚合物和超臨界流體混合。一旦這些材料混合成一相溶液，它注入模具並冷卻至模具的形狀。
微孔成核發生是因為當溶液注入時從高壓到低壓（大氣壓）有乙個熱力學變化。當聚合物冷卻成核孔長大並填滿整個型腔，從而結束了乙個週期。
微孔發泡零件從超臨界流體到聚合物的注射中獲得優勢因為它作為增塑劑的作用：熔融聚合物的粘度降低，使平滑易流動並在齒輪的製造中得到更高精度。
圖2.注塑機微孔發泡原理圖
2.2. 壓模中的微孔工藝
微孔發泡技術有許多優點，但其應用有一些困難，耐久度是關鍵，如塑料齒輪的例子上。塑料中微孔的存在降低了拉伸強度；結果齒形輪廓很容易破壞。使用壓模的微孔工藝能夠使惰性氣體作為增塑劑使用。
圖3 模具的壓力示意圖
在加壓模具中伴隨著成核的消除，齒輪保持著預期的效能在成型過程中。
圖3為加壓模具的微細胞提供了輪廓。在塑料或超臨界溶液注射之前，氣體**系統充滿模具型腔。然後溶液通過注射成型機注射到型腔內。
在溶液凝固之後，充滿模具型腔的氣體被釋放到大氣中。儘管加壓的氣體擾亂了溶液的流動性，超臨界溶液作為增塑劑產生的積極影響比任何缺點都佔的比重多。
3．實驗
3.1 材料
用於此次實驗的可塑性材料是廣泛應用於塑料齒輪產品製造的聚甲醛（南韓工程塑料f20-02，南韓工程塑料****）。聚甲醛有1.8%的目錄收縮率。
用於微細胞成型過程和加壓過程的氣體是具有99.99%純度的氮氣。
3.2 實驗方法
在下面部分三種型別的樣品被用來討論。
1）一般齒輪（固體齒輪）：命名為sgear
2）微孔發泡齒輪：命名為mgear
3）微細胞過程和加壓模具製造的齒輪：pgear
sgear由於是運用常規的注射模具過程加工的，可作為標準的齒輪為了mgear 和pgear作比較。mgear因為可以減少注塑體積0,10,20和35%質量的減少而產生。pgear是通過氮氣加壓模具製造出來的。
因為聚合物或氣體溶液完全填充模具而沒有質量的減少（0%減少）。然而，考慮到封閉氣體釋放的時間段與塑料固化之間相關性的事實，樣品在注射之後被劃分成釋放氣體時間為1,2,3,4秒。
3.3 檢查特徵
這三種齒輪的齒頂圓跳動、表面粗糙度和齒形誤差被測量用來比較齒輪的精確度。
1）齒頂圓跳動
齒輪的齒頂圓跳動是從齒輪中心軸到齒頂圓的中心半徑的附加值和齒頂圓的圓度。這個量和跳動的偏心率的方向一般用在乙個倒退迴圈的測量值的圓形圖來表達。計算每個樣品5個測量值得到的跳動平均值在這篇文章中將會被討論。
圖4顯示的是能測量齒輪齒頂圓跳動準確性的跳動測量儀器。**1 顯示了生產出來用於測量齒頂圓跳動的樣品的型別。
正如圖4右邊的**顯示，將探針放在齒寬為5公釐的齒輪齒頂面的中間後，齒輪跳動值能使用一台電腦的資料採集系統測量出來。
2）齒輪表面粗糙度
表面粗糙度是指在短的定期的間隔內的齒輪表面的分鐘曲線，**1顯示了用於測量表面粗糙度的不同種類的齒輪。
3） 輥型的塑料齒輪
製造塑料齒輪的常用的方法是使用3或4個澆口的注塑成型過程。字典由於比起焊接區要求的更高的壓緊力被用於靠近澆口處，靠近澆口處齒輪齒部的收縮小於其在焊縫區收縮。
因此，塑料齒輪齒距可由乙個正弦圖代表。
圖5顯示了軋輥輪廓示意圖。乙個更高的值
在靠近澆口區得到和最低值在遠離焊縫的區域（圖5）
具有更好準確性的齒輪有乙個低維的區別於特徵尺寸的最大值和最小值。精確度上的降低會導致總的組成錯誤的增加，在齒輪旋轉時造成實質性的振動和雜訊。表2顯示了用於測量齒形誤差的樣本的類別。
4） 聚甲醛的收縮率作為壓力釋放時間的功能
為了理解為什麼在實驗中製造齒輪導致更高的精度，收縮率被當做壓力釋放時間的功能來檢測。
兩種型別的模具被用於這個測試：乙個是為標準化收縮試驗，另乙個是用於實際收縮率。
用於標準化收縮的模具是60803公釐。用於實際收縮率的模具是和隨著精度的提高生產實驗用於齒輪製造模具一樣的。由於取決於澆口位置和澆口數量的收縮率不同，在注射的塑料齒輪的焊縫區對收縮率進行了測量。
樣品在注射後釋放加壓氣體1.5、2.0、2.
5、3.0、3.5、4.
0和5.0秒。
表1sgear：標準齒輪
mgear：微孔發泡齒輪
pgear：微細胞過程和加壓模具製造的齒輪
圖4 提示環路測量機
4.結果和討論
1）齒頂圓跳動
圖6說明在測量生產不同質量減少的微孔發泡齒輪的跳動值時的變化，並顯示了測量微細胞過程和加壓模具製造的齒輪的跳動值比起通過壓力釋放而得到的齒輪的區別。圖6顯示隨著質量的減少，微孔發泡齒輪的跳動值增加。產生這個的原因是由於質量的減少，聚合物或氣體溶液的壓緊力減少。
最後，在焊縫線附近的收縮比起注射澆口更加明顯。這意味著收縮率在兩個區域的區別變得更大，在這種情況下齒頂圓的跳動會增加。
對於圖6中的pgear ，齒頂圓的誤差值會隨著氣體釋放時間的增加而得到改善，原因是，當加壓到模具上時，施加到模具中注射高聚物溶液或溶解氣上的壓緊力相對較高，所以齒頂圓的誤差值得以降低。換句話說，當壓力釋放時間為1.5秒時，需要0.
5秒的時間填充內部型腔，1秒的時間用來對模具施壓，這個時間不足以用來提高壓緊力。當壓力釋放時間超過2,5秒時，實際的加壓時間超過2秒，這可以獲得高度精確的誤差值。壓力釋放時間與固化速度的關係也被加以考慮。
如果用來加壓模具的氣體在注射成型零件完全固化之前被釋放，就會有收縮的可能。然而，若氣體在固化過程之後釋放，那麼成型齒輪的輪廓尺寸就不會產生變化。當高聚物的溫度低於結晶溫度或玻璃態溫度時，固化過程才會結束。
對於pom來說，人們認為固化過程在注射後的2.5秒後完成。總結來說，mpear的齒頂圓由於不規則收縮，其精度與pgear相比要差。
然而對於pgear，可以總結說，其誤差偏值要好於sgear，並且隨著壓力釋放時間的增加會到的更大的改善。
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