工程塑料在机械工程中的应用

工程塑料及其应用

青岛科技大学

塑料工程教研室第一章工程塑料性能一第二章工程塑料成型加工二第三章工程塑料改性三第四章工程塑料在机械工程中的应用四目录

机械传动中许多齿轮、轴承、涡轮和轴承保持架是由工程塑料制造的。4工程塑料在机械工程中的应用

4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材

塑料齿轮具有质轻、自润滑、吸振、低噪、耐腐蚀、易加工等优点；

与金属齿轮相比，工程塑料的强度低、导热性差、热变形大、承载能力低，并且材料性能容易受温度、湿度、加载方式等外界条件的影响。

塑料齿轮属于小模数齿轮，在精密机械和精密仪器中应用较为广泛，现已在纺织、印染、造纸、食品等轻工机械中应用。

注：“模数”是指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距p与圆周率π的比值(m=p/π)，以毫米为单位。模数越大，轮齿越高也越厚，如果齿轮的齿数一定，则轮的径向尺寸也越大。

4.1工程塑料齿轮

塑料齿轮采用模具注塑，同轴度较难保证，虽然齿的精度高于金属齿轮，但是会有收缩，应考虑加以补偿。塑料齿轮的直径公差大于金属齿轮，强度小于金属齿轮。

塑料齿轮的失效形式为折损，强度计算应按弯曲强度来进行。4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材

4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材聚甲醛提供设计所要求的强度，硬度，尺寸稳定性，润滑性。

4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材精密齿轮为高质量打印提供平稳、如一的运转，打印机中使用的齿轮组包含11个由聚甲醛树脂注塑成型的齿轮。

用塑料制作齿轮时应注意以下几个问题：(1)啮合齿轮的选材一种是塑料与塑料，另一种是金属材料和塑料。前一种啮合齿轮应用不多。这是因为塑料导热性差，容易因发热而“咬死”。后一种啮合齿轮应用较多。这是因为其导热性好(主要靠金属齿轮传热)、摩擦小和磨损小，并能弥补塑料齿轮精度低等缺点。这种啮合形式能充分发挥塑料齿轮的特点。

在蜗轮和蜗杆啮合传动中．一般蜗轮为塑料，蜗杆为金属材料。4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材

(2)直齿轮和斜齿轮的选择：载荷较小时用直齿轮，载荷较大时，尽可能采用斜齿轮。这样可以提高齿轮的强度和受力的均匀性，但相应地增大了轴向力。

(3)塑料齿轮所能达到的精度：齿形直接成型的精度为8～10级。齿形机械加工的精度为7～8级。由于塑料的弹性变形，塑料齿轮可以满足高一级精度的金属齿轮的使用要求。4.1.1工程塑料齿轮的特点与选材

MC尼龙具有优良的耐磨性、自润滑性，加工方便。最大的MC尼龙齿轮，直径达4.27m，由长约45cm的28个MC尼龙扇面体组成．用于水力发电站，每小时可过滤10000m3水。

3M4730钢球研磨机的主传动齿轮是模数为8，齿数为47，螺旋角为350的弧齿锥齿轮。采用MC尼龙后，经7000kg以上钢球4000h以上的运转，使用情况良好。4.1.2工程塑料齿轮应用

汽车起重吊索绞盘传动蜗轮的直径为240mm，模数为8，齿数为28，螺旋角为35042′38″，齿宽为56mm，最大起重质量为（60～70）t。该齿轮原用磷青铜，寿命2年，改用MC尼龙后，质量减轻83％，使用2年后磨损很小。4.1.2工程塑料齿轮应用

造纸厂干燥机齿轮，外径近2m，以前用金属材料或酚醛布基板制成。为了实现高速化、无油润滑和降低噪声，改用了尼龙齿轮。与金属齿轮相比，质量只是原来的1/6～1/7，并且可以吸收启动和停车时的冲击，防止了缺齿，降低了驱动功率。速度由原来的3.3m/s提高到9m/s，寿命比金属齿轮高5倍，比酚醛布基齿轮高4倍，噪声小。4.1.2工程塑料齿轮应用

塑料取代金属作为轴承材料的优点：1）摩擦系数小；2）耐磨性好，具有自润滑性能和良好的耐腐蚀性能，可以在润滑条件恶劣的情况下工作；3）噪声小；4）生产效率高。其缺点是：1）受热、受冷以及吸水、吸油后尺寸变化大（蠕变大）；2）耐热性差，散热慢，变形后易引起“抱轴咬死”现象。4.2工程塑料轴承

4.2.1工程塑料轴承选材

塑料轴承使用时载荷越小，轴速度越低，它的优越性也就越明显。用作轴承材料的耐磨塑料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚砜(PSU)、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺(PI)及酚醛树脂(PF)等。

塑料轴承所用的材料，主要应根据各种塑料的摩擦磨损特性和PV极限值（密封达到失效时的极限值。用以表示密封的水平，单位为MPa.m/s）等进行选择。塑料轴承的PV值为速度与载荷的乘积，是衡量塑料轴承性能的重要指标。4.2.1工程塑料轴承选材

速度与载荷实际上通过摩擦功转变成热能，导致材料软化熔融、炭化。塑料轴承的PV值随滑动速度的变化而异，当滑动速度逐渐增大时，PV值下降。但PPTFE的情况比较特殊，由于摩擦因数极低，而承载能力也很小，对滑动速度的变化不敏感，因此，一定范围内随滑动速度的增快，PV值反而增大。

工程塑料轴承设计时，轴承的长径比与壁厚、润滑与密封、间隙量与配合是几个主要参数。

注：工程塑料轴承的长度与轴径比(L／D)一般不得超过1.5；1，以1：1为好，此时摩擦因数最小，利于热量的散发。如果长度过长，可以分成几段。塑料轴承壁厚不宜过大，壁厚过大不易散热，而且易于蠕变。在保证强度和成型工艺许可的情况下，壁越薄越好，但壁厚过小，压配时易引起变形，同时在轴承座中的张紧力也不够。4.2.1工程塑料轴承选材

由于工程塑料的线膨胀系数比金属大，由摩擦热引起的内径收缩也较大，所以工程塑料轴承与轴的配合间隙，一般比金属轴承与轴的配合间隙大。4.2.1工程塑料轴承选材

a．PTFE轴承

PTFE是一种摩擦因数极低、耐腐蚀性优异、使用温度范围很宽的自润滑材料，是制作自润滑轴承的理想材料。

氟塑料摩擦因数小，是现有材料中摩擦因数最小的，它对钢的干静摩擦因数仅为0.04，干动摩擦因数为0.12-0.20。

4.2.2几种常用的工程塑料轴承

氟塑料和钢之间在大载荷、低速下干滑动不会产生颤动、爬行、振动现象，这是目前己知材料中绝无仅有的。其原因就是氟塑料本身的分子结构是特殊的大聚合螺旋性直链结构，分子链之间容易产生螺旋滑动，因而具有自润滑性、它的表面总是像有一层油蜡似的滑溜特性。这种特性使之成为无油轴承的理想材料，已经被广泛地应用于机床、汽车、吊车、纺织机中的无油轴套、铰链、关节套、转向套、导轨、齿轮轴套、滑轮吊钩套等低速于摩擦的轴承之中。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE

氟塑料在有油脂存在的情况下，使滑动轴承的摩擦因数大大降低。根据润滑的状态，摩擦因数约为0.00012-0.0087。这一特性大大降低了设备的起动功率和拖动电动机的起动电流。因而也减少了传动机械的冲击磨损和功率损耗，尤其对大型设备更为突出。

例如，大型水轮发电机的转子载荷常在几百吨到几千吨。用了弹塑瓦之后不用顶起就直接起动、停止。现在用了弹塑瓦的电站均取消了油顶系统，既简化了操作程序又避免了事故的发生。某电站原巴氏轴瓦转子盘车时，需15人坚持10min后才能将670t重的转于转动，而换上了弹塑瓦之后，仅用2人就能推动转子，完成盘车任务。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE

PTFE轴承可用于热电厂、陶瓷厂大型球磨设备的导轴承和托轮轴承。这种轴承往往由于粉尘污染而导致巴氏合金瓦或铜瓦产生烧瓦事故。弹塑瓦由于质地软，具有镶藏性，当粉尘进入后，塑料瓦面能镶藏硬质点，从而减轻对轴的磨损，也延缓了事故的发生。

水泥厂的托轮轴承由于环境温度高、粉尘大和润滑不良，往往导致烧瓦而造成很大损失；弹塑瓦具有自润滑性和包容粉尘的能力，能延长运行周期，创造良好的经济效益。

4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE

水轮机导叶轴套是水轮机控制传动系统的摩擦部件。国内外水轮机导叶轴套一般采用优质锡青铜作为结构材料，没有润滑装置，要定期注入润滑油。随着水轮机容量日益增大，维护水平不断提高，锡青铜轴套机械制造加工困难，还常因润滑油泄入河中造成污染。虽然已有将导叶轴套改用桦木结构，制造工艺不仅复杂，而且易吸水膨胀，挤磨性能差。选用尼龙1010作轴套，发现尼龙1010和铜套有脱壳现象，尺寸稳定性也差。

填充15％碳纤维的PTFE材料具有自润滑性、摩擦因数小、不吸水、尺寸稳定、耐磨的特点，能较好地满足用作水轮机导叫轴的要求。根据试验测试结果计算表明，轴套在工作压力不大于19.6MPa时．可以在6-7年内不必拆卸维修。该材料已在5.15×104kw混流式水轮机上用作导叶轴套。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PTFE

b.PA轴承

PA轴承广泛应用于汽车、玩具及非电机领域等方面，其耐磨性好，摩擦因数小，易于模塑和车削。以玻璃纤维、芳纶纤维、PTFE和MoS2等为填料的复合尼龙轴承的工作温度为300℃。芳纶纤维对提高PA66的耐磨性起到重要的作用，是目前耐磨材料领域性能最佳的材料之一。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PA

c.POM轴承

在POM中填充PTFE制备的POM轴承，在速度为12m／min时，可使PV极限值从7.2MPa·m／min提高到13MPa·m/min。当速度为120m/min时，PV极限值会从4.6MPa·m／min提高到8MPa·m／min。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-POM

dPI轴承

PI具有突出的耐磨性、耐高温性、尺寸稳定性和高强度。它在所有工程塑料中拉伸强度最高，这一点对于在真空中和高温或低温下工作的轴承是十分必要的。值得提出的是，PI在惰性介质中，在高载荷和高转速下的磨损率非常小。聚酰亚胺常用的填料为石墨、PTFE和铜丝等。在速度为15m/min时，其典型PV极限值为10MPa·m／min；在速度为60m/min时，其PV极限值为20MPa·m／minn。从PI在真空中挥发物少和摩擦因数低来看，已经作为在空间使用设备的耐磨材料。4.2.2几种常用的工程塑料轴承-PI

4.3.1滚动轴承保持架特点：

滚动轴承一般出内圈、外圈、滚动体和保持架组成。内圈通常装配在轴上，并与轴一起旋转；外圈通常装配在轴承座内或机械部件壳体中起支承作用。滚动体(钢球或滚子)在内圈和外圈之间滚动，它们的大小和数量直接影响轴承的载荷能力。保持架将轴承中的一组滚动体均匀地相互隔开，改善轴承内部载荷分配，引导滚动体运动，促进轴承平稳运转。4.3工程塑料轴承（滚动）保持架

保持架是轴承中承受各种复杂应力的动态摩擦磨损零件。工程塑料保持架能够提高轴承承载能力，降低噪声振动，运行可靠性提高，使用寿命长，生产成本低。4.3.1滚动轴承保持架特点：

4.3.1滚动轴承保持架特点：与金属保持架相比，主要优点如下：(1)产品设计的灵活性大。塑料保持架可以直接注射成型外形复杂的结构形式，便于轴承的优化设计。塑料保持架在窗孔处可带有油槽，便于贮油，从而大大改善了轴承的润滑条件。2）保持架离心力小。

工程塑料的密度低，质量小。在高速旋转的轴承中，保持架离心力小，起动力矩小，轴承旋转灵活。

3）耐摩擦磨损，轴承温升低。

由于钢和尼龙之间的摩擦因数为0.05，远远小于钢-钢之间的0.20和钢-铜之间的0.15，因此，塑料保持架轴承起动力矩要比金属保持架轴承起动力矩小，有利于减少摩擦热的产生。特别在边界润滑条件下，在轴承贫油或断油时，塑料保持架轴承有较好的自润滑性能，轴承不易突然卡死。4）自润滑性能优异，可简化主机的润滑系统。

多孔含油聚酰亚胺保持架、多孔酚醛层压布管保持架，都是利用塑料自身中的微孔能贮存一定数量的润滑油，使保持架起到了贮存和供应轴承油源的作用，保证了轴承自润滑、长寿命的使用要求，从而大大简化了主机的供油系统。4.3.1滚动轴承保持架特点：

5）保持架易装配拆卸，塑料保持架有较好的弹性，可承受滚动体作用于保持架的加速冲击载荷。

保持架兜孔或窗孔都设计有锁具，利用塑料的弹性，可锁住滚动体，也便于拆卸塑料保持架。尤其是深沟球轴承采用一件塑料冠形保持架，可取代原来的两片由铆钉铆合的钢板冲压浪形保持架，简化了保持架结构，更便于轴承装配的自动化。6）保持架的韧性好，耐冲击，抗断裂性好。

金属保持架受到严重撞击时，会产生永久变形或断裂；而塑料保持架受外力暂时变形后，则可靠其弹性恢复原状。因此，塑料保持架更不容易损坏。

4.3.1滚动轴承保持架特点：

7）保持架的缓振性好，轴承噪声低。

塑料保持架与滚动体接触时，运转平稳、灵活、没有金属保持架与滚动体接触时产生的响声，可明显地降低噪声3～7dB。8）耐酸、耐腐蚀。

工程塑料耐酸、耐腐蚀的性能明显优于金属，适合在化工机械上应用。9）成本低、经济性好。

塑料保持架只需一副模具，直接注射成型即可生产出合格的产品，比冲压钢板保持架和机加工黄铜保持架可减少7～12道工序。与钢板冲压保持架相比，可节约5副模具，材料利用率可提高50％左右。4.3.1滚动轴承保持架特点：

轴承保持架用工程塑料有聚酰胺(PAl010、PA66、玻璃纤维增强PA66)，聚酰亚胶，聚四氟乙烯等。其中25％玻璃纤维增强聚酰胺66具有密度低、耐摩擦、耐腐蚀、弹性好、滑动性能好、抗振、能嵌埋固体异物的特点，且易于直接注射成型复杂的结构形式和较精密的产品，在轴承保持架中应用较多。4.3.2轴承保持架材料

4.3.2轴承保持架材料之聚酰胺

PA66是由美国杜邦公司于1939年实现工业化生产，其在较宽的温度范围内仍有较高的强度、韧性、刚性、耐蠕变、耐疲劳、耐磨、自润滑性能优良，耐油性突出。但吸水性较高，制品尺寸稳定性较差。PA66用玻璃纤维增强后，力学强度和刚性提高2倍左右，耐磨性更好，热变形温度提高到观宅以上，长期使用温度可达到120℃，吸湿性和模塑收缩率大为降低。

4.3.2轴承保持架材料之聚酰胺

大量实践证明，用25％玻璃纤维增强的PA66是制作工程塑料保持架的最佳材料，适于制作各类轴承塑料保持架。其材料用量占塑料保持架材料用量的90％以上。

PAl010主要原料是蓖麻油，是我国独有的产品，1958年开始生产。PA1010是半透明、轻而硬、表面光亮的结晶形白色或微黄色颗粒，相对粘度和吸水性比PA66低。带式输送机托辊轴承尼龙保持架和部分纺织轴承尼龙保持架，其材料选用PA1010。4.3.2轴承保持架材料之聚酰胺

PI具有优异的综合性能。单醚酐型聚酰亚胺可在-180℃～230℃下长期使用，在高温下具有突出的力学性能和耐磨性能，制品尺寸稳定性好。

高速、高精度、长寿命的精密微型仪器轴承塑料保持架采用单醚酐型聚酰亚胺材料制造，获得了满意的使用效果。4.3.2轴承保持架材料之PI

以聚酰亚胺为基料，填充PTFE和MOS2的多孔含油聚酰亚胺制造的保持架，用于高精度长寿命陀螺仪轴承上，使该种轴承达到了自润滑长期使用的要求。

但是原料成本高，一般采用模压加工，生产效率低，适于小批量生产。4.3.2轴承保持架材料之PI

工程塑料轴承保持架的成型工艺主要有浇注、浸渍烧结、注射成型三种。浇注主要针对MC尼龙浇，将原料聚合成环状或棒形毛坯，然后机械加工成型(以车削速度小于1100r/min钻孔速度为200r/min左右为宜)。采用这种方法制作的保持架尺寸可不受设备限制，适用于小批量的大型或特大型轴承保持架(Φ200mm以上)，以及大型机器的轴瓦毛坯成型。4.3.3轴承保持架材料成型4.3.3轴承保持架材料举例轴承名称轴承型号原用材料现用材料张力盘轴承铁皮PA1010、PA66深沟轴承6000、6001、6002-6204钢PA1010、PA66深沟球轴承6206、63系列钢、黄铜PA1010、POM、MC、PA6、PA66圆柱滚子轴承NU216、NU1008黄铜PA1010、PA66汽车转向节轴承轴承钢PA1010、PA66推力球轴承51104、51106钢PA1010、PA66滚针轴承2245、2247黄铜PA1010、PA66

浸渍烧结成型（适合于金属表面涂氟）是先用粉末冶金方法做出保持架基体，然后用真空法抽出孔隙中的空气，将氟塑料乳液吸入基体内，最后烘干烧结。轴承运转时，氟塑料受热，由内向外膨胀，使基体内的氟塑料在金属表面形成一层薄膜，借以自润滑。4.3.3轴承保持架材料成型

注射成型（主要适合于PA66）。工艺过程：原料干燥、注射成型和后处理。后处理（热处理和调湿处理）：

热处理（消除内应力、完善结晶、提高强度、尺寸稳定）：将塑料保持架在175℃的矿物油中保温。壁厚小于3mm时，保温20min，壁厚大于3mm时，保温45min。处理后应缓慢地冷却至室温。

调湿（增韧和消除内应力和稳定尺寸）：将塑料保持架放人沸水中煮5h．然后，缓慢冷却至室温再取出。4.3.3轴承保持架材料成型

MC尼龙分子量在(7～l0)万左右，结晶度可超过50％，在强度、刚度、耐磨损性能和耐化学性能方向，均优于普通尼龙6产品。铸型尼龙成型制品的尺寸不受限制．从理论上讲，只要模具允许，制品的尺寸大小不受限制，而且无方向性（无内应力），大型的制品可达几百千克。

MC尼龙是一种在重载低速，中载中速．温度在-40℃～110℃环境下工作的理想减磨材料。铸型尼龙产品被广泛地用于各种机械零件，尤其在工程机械中作为耐磨减摩材料而代替铜，其耐磨性也比铜好，使用寿命比铜提高1～4倍，与它相配合的轴磨损情况也大为改善。已用其取代铜、巴氏合金和不锈钢材质制作套、瓦、衬块等各类零部件。4.4MC尼龙在机械工程中应用

MC尼龙螺旋桨:推动船舶前进，船舶上使用的传统螺旋桨都是采用铸铁或铜等金属铸造而成，质量大，空泡剥蚀严重，易腐蚀，制造周期长，生产效率低。英国于1962年用MC尼龙铸成直径1800mm的螺旋桨。我国也先后研制了玻璃钢和MC尼龙的螺旋桨。

4.4MC尼龙在机械工程中应用-螺旋桨

尼龙螺旋桨能获得比铸铁螺旋桨较高的航速。在常用转速范围内(1350～150