本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，特別涉及骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪及其增材-注塑成型工藝。

背景技術(shù)：

1、隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷提高，高端裝備對(duì)傳動(dòng)部件綜合性能的要求越來(lái)越高，齒輪是機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件之一，其生產(chǎn)質(zhì)量會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)的性能、穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生巨大影響。然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的金屬齒輪存在振動(dòng)大、噪聲大、潤(rùn)滑要求較高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了高端裝備機(jī)械傳動(dòng)的高質(zhì)量發(fā)展。

2、塑料齒輪具有減振降噪、自潤(rùn)滑等特點(diǎn)，隨著新型聚合物類材料的開發(fā)與利用，當(dāng)前的工程塑料具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，已初步在航空航天、汽車、能源、武器裝備、電氣、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展開應(yīng)用。

3、值得注意的是，當(dāng)前工程塑料齒輪在長(zhǎng)時(shí)間高轉(zhuǎn)速傳動(dòng)服役過程中的韌性不佳，易發(fā)生變形，且塑料的導(dǎo)熱系數(shù)低，齒輪的散熱性較差，高溫下易發(fā)生軟化效應(yīng)，無(wú)法滿足高性能傳動(dòng)部件的需求。

4、為解決這一問題，金屬-聚合物復(fù)合型齒輪這一概念被提出，并逐漸展示了一定的應(yīng)用潛力。然而，復(fù)合型齒輪的設(shè)計(jì)需要綜合考慮材料的力學(xué)性能、散熱及齒輪與傳動(dòng)部件的連接等，目前還沒有較系統(tǒng)且成熟的設(shè)計(jì)制造方法。

5、因此，開發(fā)骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪及其增材-注塑成型工藝具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪及其增材-注塑成型工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，包括齒輪外殼，以及嵌設(shè)于齒輪外殼內(nèi)的齒輪骨架。

3、所述齒輪骨架具有齒輪齒形。所述齒輪骨架基于拓?fù)鋬?yōu)化或仿生設(shè)計(jì)構(gòu)建為多孔結(jié)構(gòu)。在齒輪骨架內(nèi)部和表面形成一系列微小孔洞通道。所述齒輪骨架的材質(zhì)采用金屬粉末材料。所述齒輪骨架通過激光粉末床熔融增材制造技術(shù)打印。

4、所述齒輪外殼具有與齒輪骨架相適配的齒輪外形。所述齒輪外殼采用聚合物材料。所述齒輪外殼通過注塑工藝制得。所述聚合物材料包覆齒輪骨架，與齒輪骨架無(wú)縫粘接為一體。

5、進(jìn)一步，所述齒輪外殼具有環(huán)狀中空部。所述環(huán)狀中空部外圓周具有若干向齒輪外殼的齒外端延伸的嵌槽。所述齒輪骨架嵌入環(huán)狀中空部?jī)?nèi)。所述齒輪骨架的齒形嵌入嵌槽中。

6、進(jìn)一步，所述齒輪骨架的齒形向外延伸出加強(qiáng)筋。所述加強(qiáng)筋與齒輪外殼的端面相齊平。

7、進(jìn)一步，所述齒輪外殼的體積分?jǐn)?shù)為25～50％，齒輪骨架的體積分?jǐn)?shù)為50～75％。

8、進(jìn)一步，所述金屬粉末材料選用鋁合金粉末、鈦合金粉末或不銹鋼粉末。

9、進(jìn)一步，所述聚合物材料選用聚醚醚酮、聚酰胺酰亞胺或聚甲醛。

10、本發(fā)明還公開復(fù)合型齒輪的增材-注塑成型工藝，包括以下步驟：

11、1)建立齒輪骨架結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)包絡(luò)體?；诜律蛲?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，將齒輪骨架構(gòu)建為多孔結(jié)構(gòu)。

12、2)確定齒輪骨架的三維模型。對(duì)模型進(jìn)行切片預(yù)處理及成型過程掃面路徑規(guī)劃。

13、3)通過激光粉末床熔融增材制造技術(shù)打印齒輪骨架。

14、4)根據(jù)齒輪三維模型、齒輪骨架的三維模型及注塑機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)制造注塑模具。

15、5)將金屬骨架固定在注塑模具中心位置，進(jìn)行齒輪外殼注塑。

16、進(jìn)一步，步驟3)中，粉末床熔融設(shè)備工作時(shí)，系統(tǒng)控制送粉腔進(jìn)料活塞上移，粉末上移，然后在鋪粉輥的帶動(dòng)下，均勻的在燒結(jié)平臺(tái)上鋪一層粉末，多余粉末隨鋪粉輥運(yùn)動(dòng)落入回收腔中?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)二維圖層精準(zhǔn)地引導(dǎo)激光束對(duì)鋪粉層進(jìn)行掃描燒結(jié)，被掃描到的粉體融化后凝固成成型件的一個(gè)層面，其余粉末保持狀態(tài)不變，并對(duì)成型件起支撐作用。燒結(jié)完一層后，控制系統(tǒng)控制成型臺(tái)下移一個(gè)鋪粉層厚度，完成一次燒結(jié)。如此往復(fù)，層層疊加，直到金屬骨架成型件打印完成為止。燒結(jié)完成后，升起成型臺(tái)取出金屬骨架，清理表面的殘余粉末。

17、進(jìn)一步，步驟5)中，在注塑成型機(jī)中加入聚合物顆粒，通過加熱使其塑化，螺桿將塑化后的物料以一定的速度向前輸送。隨著注射機(jī)背壓的增加，螺桿會(huì)不斷后退。當(dāng)注射開始時(shí)，螺桿向前移動(dòng)。注射機(jī)通過背壓的作用將材料注射到模具中。隨著材料溫度的不斷降低，模具型腔內(nèi)的壓力開始降低。當(dāng)注射的材料可以安全成型而不受損壞時(shí)，注射模具打開，產(chǎn)品通過模具結(jié)構(gòu)頂出。

18、進(jìn)一步，步驟1)中，仿生動(dòng)物骨架、樹葉葉脈、皮皮蝦雙叉肢節(jié)表面結(jié)構(gòu)或貝殼多級(jí)層狀有序結(jié)構(gòu)。

19、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的：

20、a.基于激光粉末床熔融工藝制備的金屬骨架嵌件，具有復(fù)雜多孔骨架結(jié)構(gòu)，在不同工況下能夠按需調(diào)整齒輪的綜合性能，滿足個(gè)性化生產(chǎn)需求，同時(shí)，金屬骨架結(jié)構(gòu)可以抑制注塑時(shí)縮孔、翹曲變形等缺陷的產(chǎn)生；

21、b.金屬骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了復(fù)合齒輪的散熱性能，將齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱量及時(shí)傳導(dǎo)至外部環(huán)境，降低齒輪表面的最高溫度及齒輪內(nèi)部的溫度梯度，提高齒輪使用壽命及運(yùn)行穩(wěn)定性；

22、c.金屬骨架結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)齒輪的強(qiáng)度和韌性，確保聚合物齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不易脆列及變形。同時(shí)，基于增材制造制備的骨架表面粗糙結(jié)構(gòu)能夠使金屬與聚合物材料界面結(jié)合的更加牢固；

23、d.齒輪外殼使用聚合物材料，可實(shí)現(xiàn)齒輪輕量化設(shè)計(jì)，減小慣性負(fù)載，具有抗振降噪，自潤(rùn)滑、耐磨損、耐腐蝕等特性。

技術(shù)特征：

1.骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：包括齒輪外殼(1)，以及嵌設(shè)于齒輪外殼(1)內(nèi)的齒輪骨架(2)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：所述齒輪外殼(1)具有環(huán)狀中空部；所述環(huán)狀中空部外圓周具有若干向齒輪外殼(1)的齒外端延伸的嵌槽；所述齒輪骨架(2)嵌入環(huán)狀中空部?jī)?nèi)；所述齒輪骨架(2)的齒形嵌入嵌槽中。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：所述齒輪骨架(2)的齒形向外延伸出加強(qiáng)筋(202)；所述加強(qiáng)筋(202)與齒輪外殼(1)的端面相齊平。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：所述齒輪外殼(1)的體積分?jǐn)?shù)為25～50％，齒輪骨架(2)的體積分?jǐn)?shù)為50～75％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：所述金屬粉末材料選用鋁合金粉末、鈦合金粉末或不銹鋼粉末。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨架內(nèi)嵌式金屬-聚合物復(fù)合型齒輪，其特征在于：所述聚合物材料選用聚醚醚酮、聚酰胺酰亞胺或聚甲醛。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合型齒輪的增材-注塑成型工藝，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合型齒輪的增材-注塑成型工藝，其特征在于：步驟3)中，粉末床熔融設(shè)備工作時(shí)，系統(tǒng)控制送粉腔進(jìn)料活塞上移，粉末上移，然后在鋪粉輥的帶動(dòng)下，均勻的在燒結(jié)平臺(tái)上鋪一層粉末，多余粉末隨鋪粉輥運(yùn)動(dòng)落入回收腔中；控制系統(tǒng)根據(jù)二維圖層精準(zhǔn)地引導(dǎo)激光束對(duì)鋪粉層進(jìn)行掃描燒結(jié)，被掃描到的粉體融化后凝固成成型件的一個(gè)層面，其余粉末保持狀態(tài)不變，并對(duì)成型件起支撐作用；燒結(jié)完一層后，控制系統(tǒng)控制成型臺(tái)下移一個(gè)鋪粉層厚度，完成一次燒結(jié)；如此往復(fù)，層層疊加，直到金屬骨架成型件打印完成為止；燒結(jié)完成后，升起成型臺(tái)取出金屬骨架，清理表面的殘余粉末。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合型齒輪的增材-注塑成型工藝，其特征在于：步驟5)中，在注塑成型機(jī)中加入聚合物顆粒，通過加熱使其塑化，螺桿將塑化后的物料以一定的速度向前輸送；隨著注射機(jī)背壓的增加，螺桿會(huì)不斷后退；當(dāng)注射開始時(shí)，螺桿向前移動(dòng)；注射機(jī)通過背壓的作用將材料注射到模具中；隨著材料溫度的不斷降低，模具型腔內(nèi)的壓力開始降低；當(dāng)注射的材料可以安全成型而不受損壞時(shí)，注射模具打開，產(chǎn)品通過模具結(jié)構(gòu)頂出。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合型齒輪的增材-注塑成型工藝，其特征在于：步驟1)中，仿生動(dòng)物骨架、樹葉葉脈、皮皮蝦雙叉肢節(jié)表面結(jié)構(gòu)或貝殼多級(jí)層狀有序結(jié)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)
發(fā)明提供骨架內(nèi)嵌式金屬?聚合物復(fù)合型齒輪及其增材?注塑成型工藝。復(fù)合型齒輪包括基于拓?fù)?仿生構(gòu)型理念的骨架內(nèi)嵌式金屬?聚合物復(fù)合型齒輪。增材?注塑成型工藝提出了內(nèi)嵌式金屬骨架仿生?拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)理念，內(nèi)嵌金屬骨架通過粉末床熔融技術(shù)制造而成，其制造靈活度較高，這種方法可以針對(duì)不同傳動(dòng)工況對(duì)齒輪內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造，以滿足不同熱力學(xué)性能需求。結(jié)合金屬增材制造和聚合物注塑成形兩種制造工藝的優(yōu)勢(shì)，建立該類復(fù)合型齒輪的制造方法，以實(shí)現(xiàn)兼具減震降噪、自潤(rùn)滑、散熱及抗沖擊性能的金屬?聚合物復(fù)合型齒輪設(shè)計(jì)制造。

技術(shù)研發(fā)人員：伊浩,金宇鋒,曹華軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29