齒輪是機械設備中用來傳遞運動和動力的關鍵零件。隨著機械制造技術的快速發展，金屬齒輪在制造和應用方面的適用性逐漸跟不上現代制造業的發展速度。
金屬齒輪是由切削、磨削等成形技術加工而成，存在機加工誤差、造價高，且制作安裝難度很大。隨著新材料的不斷涌現，塑料齒輪的應用越來越廣泛。在玩具、醫療器械、電子電器、國防軍事、航空航天等領域，均能見到塑料齒輪的身影。
相對于金屬齒輪，塑料齒輪質量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好，可通過模塑成型、增材制造和機加工等多種途徑進行加工和批量生產，這些優點都是金屬齒輪所不具備的。構成塑料齒輪的塑料本身就具有潤滑的功能，可降低嚙合齒輪間齒面的摩擦系數，達到潤滑的效果，以此可節省成本，降低維修費用。
另外，一些尺寸較小的塑料齒輪，相比于金屬齒輪裝備更為方便，但是塑料齒輪同時也有很多缺點。由于受塑料性能的限制，塑料齒輪的齒面強度差，在齒輪嚙合的過程中會發生不同程度的失效，甚至斷齒;塑料齒輪的抵抗變形能力會隨著溫度的升高而變化;由于塑料齒輪的熱導性比金屬齒輪的差，在兩齒輪聚合物-金屬齒輪或者聚合物-聚合物齒輪嚙合的過程，會因為摩擦等原因產生大量的熱，但是熱量卻無法從聚合物齒輪齒面快速消散，齒輪會因為溫度升高而發生永久的變形。
從“以塑代鋼”的角度出發，就需要使用合適的材料來代替金屬，減少產品的質量，但不減弱其強度，并能提高其耐腐蝕性、介電性能等，并充分發揮塑料齒輪的可設計性、自潤滑性能。
為提高齒輪的強度性能，可以在塑料齒輪中添加提高強度和熱性能的增強材料——玻璃纖維和碳纖維。添加纖維后的塑料齒輪的力學性能得到顯著增強，可提升塑料齒輪在嚙合過程中的使用壽命。
本文通過對塑料齒輪材料的發展、成型技術和失效檢測與評價等方面的研究進行調研和綜述，旨在為塑料齒輪的更新發展和研究提供可用的技術參考。
一、塑料齒輪的種類
塑料齒輪的主要作用是傳遞運動和動力。在不同的工況環境下，需要對制作塑料齒輪的材料進行綜合考慮，比如齒輪使用性能、工藝性能和經濟性等。塑料齒輪的成型材料可以分為通用塑料、工程 塑料和特種工程塑料及以其為基體的纖維增強塑料復合材料等。隨著新材的不斷涌現，塑料齒輪相比于金屬齒輪的優勢更為明顯，還可以加入不同的填料來改變純塑料齒輪的屬性，提高齒輪的使用性能和壽命。
通用塑料齒輪
用于齒輪的普通通用塑料有聚乙烯、聚丙烯、 聚氯乙烯、聚苯乙烯等，如 Fig.1 所示。它們的產量大，價格低，用途廣泛，但是同時也有很多的缺點，比如表面硬度低，容易被劃傷;在環境應力的作用下會發生開裂，導致失效;在齒輪嚙合的過程中，由于熱膨脹系數大，會產生大量的熱，更容易發生蠕變，導致永久變形。因此，通用塑料齒輪不適合用于承載能力高的場合，但適合用于制造玩具和醫療器件的齒輪。
Fig.1 Plastic gears
通用塑料齒輪在強度、散熱和承載方面表現較差，導致齒輪制造成型加工一般不使用單純的通用塑料，而是用共混物進行注塑成型。普通塑料與其他原料結合，可提高塑料齒輪的綜合性能。Chen 等 對低密度聚乙烯共混物制成齒輪的磨損行為研究中，磨損產生的碎屑會在鋼表面上形成轉移膜，可減少制品表面的磨損，提高制品強度。通用塑料制成的齒輪容易發生失效，因此，生產齒輪一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。
工程塑料齒輪
工程聚合物是一種特殊的、高性能的合成塑料，具有優良的綜合性能，剛性大，蠕變小，力學強度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在環境苛刻的場合下長期使用。設計得當可以被塑造成機械功能強的半精密部件或結構部件，并為替代金屬齒輪實現“ 以塑代鋼”提供可能。工程塑料又可以細分分為通用工程塑料和特種工程塑料 2 類，其中可以成型齒輪的工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和熱塑性彈性體、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)和液晶聚合物(LCP)等。
聚酰胺齒輪：聚酰胺(PA)材料具有熱塑性材料的硬度，有良好的抗沖擊性能和沖擊韌性。某些情況下比金屬性能更好，已經廣泛應用于齒輪、凸輪和軸承的制作。但是它的熱變形溫度相對較低;制品在放置后有較大的吸水性，產生的殘余應力會造成制品表面缺陷，改變表面的厚度，使屈服強度增大，韌性降低;使用過程中也會產生蠕變性。因此，為提升 PA 的性能，可進行共混改性來得到不同性能的共聚 PA。
PA 齒輪在結晶度方面，屬于半結晶材料，可實現從固體到熔體的急劇轉變。PA 在注塑成型時會受到結晶度的影響，Russell 和 Beaumont通過對注塑成型 PA66 齒輪的研究發現，注塑過程中模具溫度對制品的結晶度影響較大，球結晶在結晶過程中會有大小的變化，甚至最終導致制品的缺陷。Apichartpattanasiri 等在不同注射參數下，使用 PA66 材料的圓盤進行磨損機制研究，改變模具溫度可以獲得不同的微觀球晶結構，球晶隨壁面溫度升高而變大。因此，為得到合適的制品，需要通過機加工方式來改善齒輪表面形貌。測試過程中，不同滑移率下，齒輪表面結晶處會產生不同程度的重結晶，并隨著時間而增加。
PA 齒輪在嚙合磨損過程中存在熱應力的問題，決定齒輪壽命的關鍵因素在于齒輪齒側的熱聚集，需要對齒輪的熱應力進行預測，并將聚集的熱消散出去，從而降低齒輪的嚙合溫度。從齒輪的磨損行為出發，明確熱應力產生的區域，首先需要觀察的是 PA 齒輪失效形式，Mao 等研究中發現，PA 齒輪在高負載(10 N·m 以上)條件下的磨損行為主要分為 3 個階段：初始磨合階段、線性磨損階段和最后斷裂階段。初始磨損階段歷程較短，但是磨損量非常高;線性磨損階段的磨損率較低;最后斷裂階段的齒面磨損率會迅速增加。不同驅動材料的齒輪與 PA 齒輪嚙合時，會對 PA 齒輪齒面產生不同形式磨損，當乙醛材料作為驅動輪時，PA 齒輪齒面會有高熱磨損，導致齒輪壓力角增大，磨損加重，因此驅動齒輪材料在磨損失效中起著關鍵的作用。
PA 齒輪具有良好的潤滑性，但在高負載情況下，齒輪的壽命會縮短、失效會增多。因此，僅憑借 PA 齒輪自身潤滑性是不夠的。為減少齒輪間的嚙合磨損，Tav?ar 等研究發現，以聚四氟乙烯 (PTFE)作為潤滑劑會顯著降低嚙合摩擦系數，將 PTFE 添加到 PA 后，觀察到摩擦明顯減少，并實現60%以上的摩擦系數降低和 41%的工作溫度降低，可在提高壽命的同時獲得更大的扭矩動力，而在 PTFE與聚甲醛的結合應用中，卻發現其不能顯著提高齒輪的摩擦學性能。
聚甲醛齒輪：隨著塑料齒輪的應用越來越多，應用要求已經從齒輪精度轉向承載性能。聚甲醛(POM)材料良好的力學性能，可以集精度和承載為一身應用到齒輪的注塑成型。作為高結晶的線型聚合物，它是耐熱塑膠的典范。通過注塑成型，POM 材料可以制成堅硬致密的抗疲勞、抗磨損齒輪，具有沖擊性好，摩擦系數小，自潤滑性能好的優勢，因此，POM 是聚合物齒輪的首選工程材料。其缺點是成型制品時有收縮的趨勢，并且容易產生缺陷。
在 POM 齒輪的成型工藝條件方面，注塑過程中的注射速度、模具溫度、鎖模壓力和冷卻時間對 POM 齒輪的注塑成型有著重要的影響。Postawa 等對注塑過程中各個參數的分析發現鎖模壓力對于 POM 齒輪的成型質量和加工收縮率的變化有很大的影響，并會反映在結晶度上。Kamal 等對 POM 的微注射制品分析中，同樣得出注射速度、模具溫度和冷卻時間都會對 POM 制品的結晶產生影響，造成的制品缺陷和結晶行為會影響齒輪的力學性能，因此，良好的工藝組合可提高 POM 齒輪成型質量。
在 POM 齒輪的磨損失效方面，齒輪磨損會影響到齒輪的壽命，磨損與齒輪間的磨損系數有著緊密的聯系，但磨損系數的評估的影響因素有很多需綜合考慮。Matkovi?等對 POM 齒輪磨損系數的研究中，獲得了齒輪磨損系數的評估方法，并對 7 種基于實際齒輪確定磨損系數的測試方法進行總結，但是在實驗進程中存在評估誤差，主要是因為實際磨損的不確定性。因此，確定聚合物齒輪的磨損系數需要從實際的齒輪實驗中摸索。
不同材料的齒輪的磨損機制不同，為探究不同材料齒輪嚙合過程中的磨損機制，Evans 等獲得 POM 直齒輪與鋼齒輪副嚙合時的磨損機制，較軟的聚合物必然是材料磨損的一方。該研究使用涂片的方式開展實驗，涂片的作用是檢測齒輪間產生的扭矩，即產生的扭矩超過其彈性極限便會發生永久變形，從而獲得磨損機制特征，提出基于聚合物非線性特性的迭代模型來描述 POM 齒輪的磨損機制，該模型可以獲得每個負載下的永久和塑性變形。此外，通過磨損預測模型來確定磨損過程中的去除材料量。
聚碳酸酯齒輪：聚碳酸酯(PC)材料屬于無色的玻璃態無定型聚合物，具有高沖擊強度、尺寸穩定性好、蠕變小和良好的加工成型性能等優點。但是在較高溫度的影響下 PC 易發生老化，因此在較高溫度下使用此種材料需要對制品表面進行保護，進而延長 PC 的使用壽命。PC 制成的齒輪，由于材料無色透明，齒輪外觀會十分精美，并且可安裝在精密儀器儀表中，進行齒輪傳動或者作為工藝裝飾品，但其制成的齒輪會存在徑向的齒形變，對于此種缺陷，需要進行精確地齒輪模擬仿真才可獲得。Tang 等在不同材料、不同測量力和不同材料彈性形變的條件下，進行 MATLAB 的仿真計算，獲得齒輪的齒徑向形變算法和齒輪幾何傳動誤差值。由于仿真過程沒有考慮齒輪工況的，因此其效果相對理想化，實際中要對 PC 材料的齒輪進行表面處理，以減少齒面磨損。
聚醚醚酮齒輪：由于對聚合物齒輪的要求越來越高，就需要使用工程塑料達到齒輪工況要求，聚醚醚酮(PEEK)具有優異的力學、化學和熱性能，比其他特種工程塑料更有優勢。高溫下的 PEEK 材料拉伸強度和彎曲模量依舊很高，并表現出可靠的耐蠕變和抗疲勞的性能，可以長期在 200 ℃的高溫下使用。PEEK 齒輪也可在較大負載條件下實現動力傳輸，是當今模塑齒輪中的頂級工程材料。
PEEK 齒輪在性能方面表現優良，在牙科中也有許多潛在的用途，PEEK 所具有較低的彈性模量和優良拉伸性能都接近人體骨骼，適合作為牙齒的替代物。但仍需對磨損失效進行探究分析，需要考慮載荷大小、環境條件以及滑移率等條件，并針對性地開展實驗分析，如 Fig.2 所示。Hoskins 等在使用雙盤模擬 PEEK 齒輪的滾動滑動接觸研究中，獲得一種齒輪的動態響應方法。將 2 個 PEEK 圓盤相互接觸碰撞，隨著載荷和滑移率的增加，PEEK 圓盤的磨損、摩擦和溫度也會增加(其磨損率明顯低于其他聚合物的磨損)，發現在高滑移率和高負載條件下的失效主要是表面熔化和接觸疲勞失效，因此，為設計出高性能的齒輪接觸條件，需要將獲得的結果與實際齒輪嚙合過程聯系起來。
Fig.2 Wear test and failure detection
聚苯硫醚齒輪：聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸穩定性好，耐疲勞和耐化學性能的優點， 是高溫、腐蝕性環境中齒輪的首選材料，現在 PPS 齒輪已應用到汽車、特殊流體泵等苛刻的工作條件 下。PPS 可以與其他聚合物相互結合，從而達到良好的力學和摩擦性能，齒輪的磨損和傳動性能也可得到提升。Chen 等使用注塑機將 PA66 與 PPS 共混物注塑成型圓柱形摩擦副，進行磨損實驗。獲得了最優力學性能的共混物比例是 PA66/PPS(70/ 30)，最小磨損的共混物比例是 PA66/PPS(80/20)，并且磨損量會隨著混合物中 PPS 含量的增多而增加。進一步開展了碳纖維(CF)增強 PA66/PPS 共混物的磨損性能實驗，研究發現，當 CF 含量低于 30%時，CF 會導致摩擦副的耐磨性變差，而當 CF 含量高于 30%時，會顯著改善了摩擦副的磨損性能。另外，將聚四氟乙烯(PTFE)加入到 PA66/PPS 共混物中，發現共混物的力學性能下降，耐磨性卻有很大的提高。Kim 等研究發現，在 PPS 中加入乙烯丙烯酸丁酯(EBA)混合物，在齒輪接觸表面 PPS 少的條件下，摩擦系數會隨著 EBA 的含量增加而降低，磨損機制從黏附磨損模式轉變為磨料磨損模式，從而提高齒輪的壽命。
纖維增強塑料齒輪
塑料齒輪具有質量輕、易成型、噪音小的優點，但同時也有強度低、耐磨性差等缺點，因此制造塑料齒輪需要更高性能的材料，可以通過向材料中加入不同添加物的方式來提高其強度。塑料齒輪的 添加物一般分為 2 類，一類是減少摩擦，另一類是提高耐熱性和力學性能。使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以減少齒輪嚙合時的摩擦;添加碳纖維和玻璃纖維可以提升齒輪的強度和熱性能;提升耐磨性、降低齒輪的摩擦系數，可以使用芳族聚酰胺纖維。纖維具有拉伸強度高和吸收沖擊能量好的優點，是一種簡單有效提高齒輪強度的方法，為聚合物齒輪代替金屬齒輪提供堅實的基礎。
碳纖維增強塑料齒輪：碳纖維(CF)的拉伸強度和模量高，具備優異的拉伸性能、低密度、高熱穩定性以及良好的導熱和導電性，設計自由度高，可根據要求進行設計。碳纖維廣泛應用于各個領域，將碳纖維加入塑料齒輪中，由于碳纖維自身的剛性，可以改善齒輪的摩擦性能，在實現齒輪輕量化的基礎上，提高齒輪的齒輪穩定性和耐磨性。
根據碳纖維含量和種類的不同，對齒輪的增強效果和磨損失效表現不同。Kurokawa 等對不同 CF 增強的 PEEK 齒輪進行研究和評價，CF 增強齒輪會因配對齒輪的種類、有無潤滑劑等因素導致齒面產生不同磨損。干燥的穩定狀態下，齒輪的磨損率很小;涂抹潤滑劑后，也會因為嚙合齒輪的不同而產生不同的磨損，研究人員推測是 PEEK 與 CF 的親和性、CF 磨屑在嚙合區介入的差異以及 CF 的特性對齒輪影響，但仍需進一步驗證分析。
Kurokawa 等在另一篇文章的研究表明，使用 PEEK 與 3 種聚丙烯腈(PAN)型 CF 和 2 種瀝青型 CF 共混而成的 5 種不同的 PEEK/CF 齒輪，對比 2 種 CF 增強齒輪中，發現在最初涂抹潤滑脂時，相同類型的 PEEK/CF 齒輪組合，其磨損性會因 CF 種類的不同而有不同失效表現，磨損會因為 CF 的密度增加而減少。
在齒輪中填充材料方面，不同纖維和物質加入聚合物齒輪中會有不同的效果。Schroeder 等在對 PEEK、CF 增強 PEEK 和填充石墨、PTFE 和 CF 增強 PEEK 進行摩擦學測試，發現未填充 PEEK 齒輪在實驗中表現出較大的磨損;CF 增強 PEEK 齒輪也表現出很低的耐磨性，具有更高的滑動和微磨料耐磨性;往 CF 增強的 PEEK 齒輪中再添加 PTFE 齒輪和石墨后，齒輪的摩擦系數急劇下降，表現出高擦傷性和幾乎沒有磨損的耐磨性，主要是因為填充有石墨和 PTFE 的碳纖維 PEEK 齒輪的保護性摩擦層，從復合材料轉移到另一個齒輪上導致的。因此，CF 增強齒輪的性能雖然有所提高，但是在嚙合過程中的磨損失效仍然存在著不可預知性，需要對齒輪的磨損失效形式、溫度和潤滑條件等進行全面的研究。
玻璃纖維增強塑料齒輪：由于玻璃纖維(GF)的直徑小，在與基體材料結合后，表現出強度高、性能優良和產品設計自由度大的特點。在特定的應力水平和轉速條件下，GF 填充增強齒輪與未填充增強齒輪相比，GF 填充齒輪強度、模量和導熱性均表現優良，疲勞壽命延長。注塑制品內部纖維分布均勻，拉伸性能和抗彎強度均有較大提高，在汽車，航空航天和采礦等領域，被廣泛應用在各種機械部件中。
GF 的填充含量對齒輪性能提升有不同效果。Mao 等發現 28%的 GF 增強 POM 齒輪與未填充 GF 的 POM 齒輪相比性能顯著增強，在負載能力方面，齒輪的承載提高 50%;在表面結晶度方面，POM 齒輪的結晶度會下降 20%，并從 SEM 圖像中獲得 GF 增強 POM 齒輪的結晶度沒有變化。實驗測試后，POM 齒輪內部纖維長度會減小，這是高負載情況下纖維斷裂所致，導致局部彎曲阻力顯著下降和齒輪齒面快速熱失效。
不同 GF 取向會影響到齒輪的嚙合磨損。為獲得最佳性能的纖維填充齒輪，Kunishima 等對 GF 增強 PA66 進行摩擦學研究，在高接觸壓力下、滑動和潤滑條件下，GF 沿垂直取向時，在對應鋼嚙合的材料上，觀察到較大的侵蝕，造成纖維剝落和齒面劃傷，這主要是摩擦和蠕變增加的原因;當纖維平行滑動方向排列時磨損增加;在潤滑油存在的情況下，磨損產生的碎屑導致的磨損會明顯少于接觸溫度升高而產生的磨損。
芳綸纖維增強塑料齒輪：芳綸纖維是一種合成纖維，具有超高的強度、高模量、質量輕等優點，可在高溫下不分解，不融化，是很好的絕緣和抗老化材料。芳綸纖維填充齒輪可以使齒輪的質量減少，使得齒輪朝小型化和高性能方向發展。
在芳綸纖維的效果方面，可以在與 GF 和 CF 的比較中得到，在 Kukureka 等對芳綸纖維、GF 和 CF 增強 PA66 的雙盤機試驗中，GF 和 CF 增強的材料可以使摩擦系數顯著下降，而芳綸纖維不會改變 PA66 材料的摩擦性。芳綸纖維的磨損與時間呈線性關系，這導致增強 PA 材料制得制品的磨損率會隨時間的變化而不斷提高。在兩圓盤接觸表面上，芳綸纖維會迅速地從接觸表面移除，只留下基體材料，這種效果與提高材料的摩擦系數相似，造成磨損率顯著高于未填充增強的材料，可能芳綸纖維只是抑制某些部位的裂紋擴展，導致磨損的碎片是大而薄的薄片。
齒輪的磨損特性決定著齒輪的應用工況。Gordon 等對 PA46 和 PA46/芳綸纖維復合材料進行滑動滾動接觸試驗，在 2%滑移率的條件下，PA46+15%芳綸纖維的摩擦系數最低，但在較高的負載和速度下卻有著穩定的磨損率。實驗發現，在任何載荷和速率條件下，PA46+芳綸纖維復合材料都會出現點蝕和大裂縫，最終斷裂而失效。因此，PA46+芳 綸纖維齒輪適合在低載荷和低速的工況下使用。
二、塑料齒輪的成型加工
注塑成型
塑料齒輪正朝著更大尺寸、更復雜的形狀和更高強度的方向發展，注塑加工的優勢就可以體現出來。在保證齒輪制造精度的情況下，可以通過“ 一模多腔”，實現快速大批量生產，還可對注塑齒輪進行優化設計，得到質量優化的齒輪，還可不考慮加工工具的選擇切換。在注塑成型齒輪中，由于模具的設計成本較高，需要保證模具設計的合理性。如果要改變齒輪形貌，需對注塑模具進行重新設計，如 Fig.3 所示。Mao 等設計了鋁制齒輪模具，嵌件采用弧形澆口設計，并將頂針機構用于輪廓的設計，可有助于減少制品壁厚、縮短冷卻時間。
Fig.3 Injection molded gear
在注塑工藝條件方面，不同的工藝條件決定了制品的成品率和重復率。由于齒輪大小和注射材料的不同，需要對注塑條件(模具溫度、注射溫度、注射速度和注射壓力等)進行設計和實驗調試，以獲得最佳的熔體流動過程和充分的熔體對流換熱。在各注射工藝參數下，彭亞運等在對 PEEK 材料微型齒輪注塑成型時，發現模具內部溫度對制品有影響，并獲得影響成型的主次因素順序——模具溫度、熔體溫度、注射速度和注射壓力。注塑工藝的調試不僅只有溫度的單一條件影響，注射速度 和保壓壓力也是需要考慮的因素，Lee 等使用微注射成型的方法制造聚合物制品，通過控制保壓壓力和注射速度，可以獲得高質量制品，并提高制品的重復精度。在 DSC 分析中，將碳納米管加入制品中可以促進 PLA 的晶體轉變，使制品表面模量和硬度提高。
在 Berer 等研究注塑 PEEK 輥的點蝕磨損中，潤滑劑存在的條件下，點蝕量會增加，這與先前的研究有所沖突。因此，通過使用拉曼光譜進行的化學分析發現，潤滑劑對 PEEK 的特性沒有影響，并指出PEEK 可以抵抗所有常見的化學影響。通過詳細的微觀分析，發現注塑輥表面存在預裂紋。在采用合適的注塑成型工藝后，PEEK 輥的表面質量得到改善，輥的疲勞壽命增加了 2~3 倍，可看出注塑工藝對成型齒輪的重要性。
3D 打印
對于 3D 打印的齒輪，不再需要傳統的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀進行打印，不受設備大小的限制。在加工的過程中，也不會有材料的浪費，不需要剔除邊角料，并充分提升材料的利用率。但是對于 3D 打印的齒輪需要研究其在設定負載條件下表現出來的性能、復雜的熱機械行為和超彈性和黏彈性行為等。
目前，用于 3D 打印的材料遠遠不夠，一些材料雖然能進行 3D 打印，但并不具有環保性，這些材料的使用也就受到限制。在未來仍需要進行多種材料的開發利用，以獲得更好性能的齒輪。現在的高精度 3D 打印機比較貴、打印時間較慢，不能實現大批量生產制造，這些技術缺陷在 3D 打印齒輪方面，仍然需要進行針對性的研究開發。
在 3D 打印齒輪的磨損性能方面，3D 打印材料不同對磨損失效有不同的影響，Zhang 等使用 5 種尼龍材料(尼龍 618、尼龍 645、合金 910、Onyx 和 Markforged 尼龍)制備 3D 打印尼龍正齒輪，與尼龍 66 注塑齒輪作比較。磨損實驗發現，3D 打印齒輪的磨損行為大多發生在齒輪節線上，大多是齒面的熔化，但并沒有材料脫落。在中低扭矩條件下，尼龍 618 打印制造的齒輪具有最佳的耐磨性能，這可能是熱力學行為和每層之間的燒結效果導致的。為提升齒輪強度，可在打印材料中添加不同的共混物進行打印成型齒輪。Gbadeyan 等通過在丙烯腈丁二烯苯乙烯層上引入不同質量百分比的納米黏土逐層打印齒輪，如 Fig.4 所示。納米黏土質量分數為 2%的直齒圓柱齒輪的抗沖擊性、抗拉伸、抗彎曲性和 DMA 的力學性能較好，對于添加納米黏土和未添加納米黏土的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯相比，柔韌性高、存儲模量低，這種復合材料可以在短時間內生產不同類型的直齒圓柱齒輪。
Fig.4 3D printed gear
機加工成型
機加工生產的齒輪需要按照公差要求進行切削加工，加工過程中不僅要對齒輪進行設計，還需要切換刀具進行切割。從經濟方面考慮，注塑成型適合大批量生產齒輪，機加工適合小批量生產齒輪。Mao 等對機加工和注塑成型齒輪進行對比分析發現，在小批量生產中，使用機加工成型乙縮醛齒輪，生產成本要比注塑生產齒輪低得多。在失效實驗的結果中，機加工齒輪與注塑成型的乙縮醛齒輪的失效是一致的，因此，磨損率與制作過程無關。雖然在后續實驗中，由于工作溫度達到臨界值的原因，注塑齒輪磨損加快，但是也不能說明使用機切成型乙縮醛齒輪更好。因此，為了經濟性和對將來大批量生產做準備，可以使用注塑成型來代替機加工制造齒輪。
三、結語
隨著從通用塑料到工程塑料的發展，塑料齒輪在質量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好、耐腐蝕等多方面的優勢得到體現。纖維增強塑料齒輪在保證輕量化的同時，強度和耐磨性得到進一步提升，塑料齒輪的應用場所和使用工況得到進一步拓展。塑料齒輪材質的發展也對成型加工技術提出了更高的要求。注塑成型仍是塑料齒輪最主要的成型方式，主要在模具設計和注塑工藝參數調節方面保證成型齒輪的完整性、尺寸精度及表面質量。3D 打印也逐漸發展成為塑料齒輪的成型技術，但成型周期較長，成型精度和表面質量均需改進，制品缺陷的解決主要依賴 3D 打印的過程控制調整。機加工塑料齒輪的方法則主要受到經濟性方面的限制，適用于小批量塑料齒輪的加工成型。
參考文獻略