以传递运动和动力为主要功能的齿轮在机械装备中具有举足轻重的作用。与金属齿轮相比，塑料齿轮具有质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等诸多优点，而且具有易成型、制造成本低、设计灵活等特点。与传统金属齿轮的成型制造方法相比，塑料齿轮因为塑料原料种类及性能差别较大，成型制造方法也有很大差异。通过查阅塑料齿轮相关文献资料，总结了不同塑料齿轮的特点、性能及应用，分析了注塑成型、3D 打印和机加工成型等塑料齿轮的主要制造方法。

齿轮是机械设备中用来传递运动和动力的关键零件。随着机械制造技术的快速发展，金属齿轮在制造和应用方面的适用性逐渐跟不上现代制造业的发展速度。金属齿轮是由切削、磨削等成形技术加工而成，存在机加工误差、造价高，且制作安装难度很大。随着新材料的不断涌现，塑料齿轮的应用越来越广泛。

在玩具、医疗器械、电子电器、国防军事、航空航天等领域，均能见到塑料齿轮的身影。相对于金属齿轮，塑料齿轮质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好，可通过模塑成型、增材制造和机加工等多种途径进行加工和批量生产，这些优点都是金属齿轮所不具备的。

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构成塑料齿轮的塑料本身就具有润滑的功能，可降低啮合齿轮间齿面的摩擦系数，达到润滑的效果，以此可节省成本，降低维修费用。另外，一些尺寸较小的塑料齿轮，相比于金属齿轮装备更为方便，但是塑料齿轮同时也有很多缺点。

它会受塑料性能的限制，塑料齿轮的齿面强度差，在齿轮啮合的过程中会发生不同程度的失效，甚至断齿；塑料齿轮的抵抗变形能力会随着温度的升高而变化；由于塑料齿轮的热导性比金属齿轮的差，在两齿轮聚合物-金属齿轮或者聚合物-聚合物齿轮啮合的过程，会因为摩擦等原因产生大量的热，但是热量却无法从聚合物齿轮齿面快速消散，齿轮会因为温度升高而发生永久的变形。

从“以塑代钢”的角度出发，就需要使用合适的材料来代替金属，减少产品的质量，但不减弱其强度，并能提高其耐腐蚀性、介电性能等，并能充分发挥塑料齿轮的可设计性、自润滑性能。为提高齿轮的强度性能，可以在塑料齿轮中添加提高强度和热性能的增强材料——玻璃纤维和碳纤维。

添加纤维后的塑料齿轮的力学性能得到显著增强，可提升塑料齿轮在啮合过程中的使用寿命。本文通过对塑料齿轮材料的发展、成型技术和失效检测与评价等方面的研究进行调研和综述，旨在为塑料齿轮的更新发展和研究提供可用的技术参考。

塑料齿轮分类

塑料齿轮的成型材料可以分为通用塑料、工程塑料和特种工程塑料及以其为基体的纤维增强塑料复合材料等。随着新材的不断涌现，塑料齿轮相比于金属齿轮的优势更为明显，还可以往齿轮中加入不同填料改变纯塑料齿轮的属性，提高齿轮的使用性能和寿命。

通用塑料齿轮

用于齿轮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。它们产量大，价格低，用途广泛，但是同时也有很多的缺点，比如表面硬度低，容易被划伤；在环境应力的作用下发生开裂，导致失效；在齿轮啮合的过程中，由于热膨胀系数大，会产生大量的热，更容易发生蠕变，发生永久变形。因此，通用塑料齿轮不适合于承载能力高的场合，但适合制造用于玩具和医疗器件的齿轮。

工程塑料齿轮

工程聚合物是一种特殊的、高性能的合成塑料，具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，机械强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在环境苛刻的场合下长期使用。

聚酰胺齿轮

聚酰胺（PA）材料具有热塑性材料的硬度，有良好的抗冲击性能和冲击韧性。某些情况下比金属性能更好，已经广泛应用于齿轮、凸轮和轴承的制作。但是它的热变形温度相对较低；制品在放置后有较大的吸水性，产生的残余应力会造成制品表面缺陷，改变表面的厚度，使屈服强度增大，造成韧性降低；使用过程中也会产生蠕变性。因此，为提升PA 的性能，可进行共混改性生成不同性能的共聚PA。 PA 齿轮在结晶度方面，属于半结晶材料，可实现从固体到熔体的急剧转变。PA 在注塑成型时会受到结晶度的影响。PA 齿轮在啮合磨损过程中存在热应力的问题，决定齿轮寿命的关键因素在于齿轮齿侧的热聚集，需要对齿轮的热应力进行预测，并将聚集的热消散出去，从而降低齿轮的啮合温度。

不同驱动材料的齿轮与PA 齿轮啮合时，会对PA 齿轮齿面产生不同形式磨损，当乙醛材料作为驱动轮时，PA 齿轮齿面会有高热磨损，导致齿轮压力角增大，磨损加重，因此驱动齿轮材料在磨损失效中有关键的作用。

PA齿轮具有良好的润滑性，但在高负载情况下，齿轮的寿命会减少、失效会增多。因此，仅凭借PA齿轮自身润滑性是不够的。为减少齿轮间的啮合磨损，以聚四氟乙烯（PTFE）作为润滑剂会显著降低啮合摩擦系数，将PTFE添加到PA后，观察到摩擦明显减少，并实现60%以上的摩擦系数降低和41%的工作温度降低，可在提高寿命的同时获得更大的扭矩动力，而在PTFE与聚甲醛的结合应用中，却发现其不能显著提高齿轮的摩擦学性能。

聚甲醛齿轮

聚甲醛（POM）材料良好的力学性能，可以集精度和承载为一身应用到齿轮的注塑成型。作为高结晶的线型聚合物，它是耐热塑胶的典范。通过注塑成型，POM 材料可以制成坚硬致密的抗疲劳、抗磨损齿轮，具有冲击性好，摩擦系数小，自润滑性能好的优势，因此，POM 是聚合物齿轮的首选工程材料。其缺点是成型制品时有收缩的趋势，并且容易产生缺陷。

在POM 齿轮的成型工艺条件方面，注塑过程中的注射速度、模具温度、锁模压力和冷却时间对POM 齿轮的注塑成型有着重要的影响。在POM 齿轮的磨损失效方面，齿轮磨损会影响到齿轮的寿命，磨损与齿轮间的磨损系数有着紧密的联系，但磨损系数的评估的影响因素有很多需综合考虑。

聚碳酸酯齿轮

PC 制成的齿轮，由于材料无色透明，齿轮外观会十分精美，并且可安装在精密仪器仪表中，进行齿轮传动或者作为工艺装饰品，但其制成的齿轮会存在径向的齿形变，对于此种缺陷，需要进行精确地齿轮模拟仿真才可获得。

聚醚醚酮齿轮

聚醚醚酮（PEEK）具有优异的机械、化学和热性能，它比其他特种工程塑料更有优势[24-26]。高温下的PEEK 材料拉伸强度和弯曲模量依旧很高，并表现出可靠的耐蠕变和抗疲劳的性能，可以长期在200 ℃的高温下使用。PEEK 齿轮也可在较大负载条件下实现动力传输，是当今模塑齿轮中的顶级工程材料。

PEEK 齿轮在性能方面表现优良，在牙科中也有许多潜在的用途，PEEK 具有较低的杨氏（弹性）模量和优良拉伸性能都接近人体骨骼，适合作为牙齿的替代物。但仍需对磨损失效进行探究分析，需要考虑载荷大小、环境条件以及滑移率等条件，并针对性地开展实验分析，如Fig.2 所示。

路博润、迈图、艾曼斯、塞拉尼斯、3M和埃万特等知名医用橡塑材料的头部企业们将继续参展苏州医疗器械展Medtec China。迈图的伤口护理用硅凝胶和自润滑液态硅胶等新产品会在现场展示。

医用材料企业展商

聚苯硫醚齿轮

聚苯硫醚（PPS）具有硬度高，尺寸稳定性好，耐疲劳和耐化学性能的优点，是高温、腐蚀性环境中齿轮的首选材料，现在PPS 齿轮已应用到汽车、特殊流体泵等苛刻的工作条件下。PPS 可以与其他聚合物相互结合，从而达到良好的机械和摩擦性能，齿轮的磨损和传动性能也可得到提升。

纤维增强塑料齿轮

塑料齿轮具有质量轻、易成型、噪音小的优点，但它同时也有强度低、耐磨性差等缺点，因此制造塑料齿轮需要更高性能的材料，可以通过向材料中加入不同的添加物的方式来提高其强度。塑料齿轮的添加物一般分为2 类，一类是减少摩擦，另一类是提高耐热性和力学性能。

使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以减少齿轮啮合时的摩擦；添加碳纤维和玻璃纤维可以提升齿轮的强度和热性能；提升耐磨性、降低齿轮的摩擦系数，可以使用芳族聚酰胺纤维。纤维具有拉伸强度高和吸收冲击能量好的优点，是一种简单有效提高齿轮强度的方法，为聚合物齿轮代替金属齿轮提供坚实的基础。

碳纤维增强塑料齿轮

苏州医疗器械展Medtec China了解到碳纤维（CF）的拉伸强度和模量高，具备优异的拉伸性能、低密度、高热稳定性以及良好的导热和导电性，设计自由度高，可根据要求进行设计。碳纤维广泛应用于各个领域，将碳纤维的加入塑料齿轮中，由于碳纤维自身的刚性，可以改善齿轮的摩擦性能，在实现齿轮轻量化的基础上，提高齿轮的齿轮稳定性和耐磨性。

玻璃纤维增强塑料齿轮

由于玻璃纤维（GF）的直径小，在与基体材料结合后，表现出强度高、性能优良和产品设计自由度大的特点。在特定的应力水平和转速条件下，GF 填充增强齿轮与未填充增强齿轮相比，GF 填充齿轮强度、模量和导热性均表现优良，疲劳寿命延长。注塑制品内部纤维分布均匀，拉伸性能和抗弯强度均有较大提高，在汽车，航空航天和采矿等领域，被广泛应用在各种机械部件中。

芳纶纤维增强塑料齿轮

芳纶纤维是一种合成纤维，具有超高的强度、高模量、质量轻等优点，可在高温下不分解，不融化，是很好的绝缘和抗老化材料。芳纶纤维填充齿轮可以减少齿轮的质量，使得齿轮朝小型化和高性能方向发展。

来源： 科学大注塑