Το PEEK αντικαθιστά το μέταλλο και χρησιμοποιείται για πρώτη φορά στο Mercedes-Benz Gears Gears

Το Peek αντικαθιστά το μέταλλο και χρησιμοποιείται για πρώτη φορά στο Mercedes-Benz Gears Gears

Τα πλαστικά υψηλής απόδοσης, όπως η πολυαιθυκεθκετόνη (PEEK) προσφέρουν πολλές χρήσιμες ευκαιρίες για βελτίωση των εργαλείων. Τα εργαλεία Peek χρησιμοποιούνται για πρώτη φορά σε κιβώτια ταχυτήτων Mercedes-Benz.

Τα εργαλεία μάζας εξισορρόπησης που κατασκευάζονται από Vestakeep 5000 g είναι τα πρώτα πλαστικά γρανάζια που θα χρησιμοποιηθούν σε μεταδόσεις Mercedes-Benz. Αντικαθιστά τα προηγουμένως χρησιμοποιούμενα μεταλλικά εργαλεία

Τα πλαστικά γρανάζια αντικαθιστούν σταδιακά τις παραδοσιακές μεταλλικές ταχύτητες σε πολλές τεχνικές εφαρμογές επειδή είναι ελαφρύτερες, πιο ήσυχοι, έχουν καλές ιδιότητες ξηρής λειτουργίας, έχουν χαμηλή τριβή και φθορά και μπορούν να κατασκευαστούν αποτελεσματικά. Τα προϊόντα που κατασκευάζονται από πλαστικά υψηλής απόδοσης, όπως η πολυαιθυκεθκετόνη (PEEK) είναι γενικά πιο σταθερά μηχανικά, θερμικά και χημικά από τα γρανάζια κατασκευασμένα από μηχανικά πλαστικά και έτσι επιτρέπουν τις εκτεταμένες οριακές τιμές φορτίου. Μια σημαντική προϋπόθεση για αυτό είναι η αξιολόγηση συμμόρφωσης και η κατάλληλη σχεδίαση εξαρτημάτων για τον τύπο του πλαστικού.

Το 2018, ιδρύθηκε ένα Κέντρο Αρμοδιών για το Darmstadt της Γερμανίας για την ανάπτυξη πλαστικών υψηλής απόδοσης για την παραγωγή συστατικών που υπόκεινται σε άγχος τριβής, όπως: PEEK, Polyamide 12 (PA12) και πολυϊμίδιο (PI). Εκτός από τις συμβατικές μεθόδους, όπως οι δοκιμές Pin-on-Disk και Ball-on-Disk (μέσω μίνι ελκυστήρων), εγκατέστησαν ένα νέο τύπο δοκιμής (Σχήμα 1).

Εικόνα 1: Το Κέντρο Ικανότητας Tribology στο Darmstadt της Γερμανίας έχει εγκαταστήσει μια εξέδρα δοκιμής γραναζιών για τη δοκιμή πλαστικών εργαλείων: επιτρέπει τη σχεδίαση εργαλείων με τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών χαρακτηριστικών ειδικών στοιχείων

Δοκιμή πάγκου για αξιολόγηση πλαστικών εργαλείων

Η συμπεριφορά τριβής και φθοράς των γραναζιών είναι πολύπλοκη και εξαρτάται από τις συγκεκριμένες τοπικές πιέσεις που έρχονται σε επαφή με το χάλυβα και τις περιβαλλοντικές συνθήκες κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Μέχρι σήμερα, ούτε οι δοκιμές μοντέλων, όπως οι δοκιμές PIN-on-δίσκου ούτε οι παραδοσιακοί συνδυασμοί στατικών και δυναμικών μηχανικών δοκιμών σε τυπικά δείγματα ήταν σε θέση να αξιολογήσουν επαρκώς τη συμπεριφορά των πλαστικών γραναζιών σε λειτουργία λόγω των ειδικών συνθηκών εμπλοκής των γραναζιών. Αντ 'αυτού, οι χαρακτηριστικές τιμές για το σχεδιασμό μπορούν να προσδιοριστούν σε πλαστικά γρανάζια σε δοκιμές εξαρτημάτων στη νέα εξέδρα δοκιμής γραναζιών. Δυναμική τριβή και μηχανικά εναλλασσόμενα φορτία εφαρμόζονται μέσω του μεταλλικού οδοντωτού τροχού στα δ Τα πλαστικά γρανάζια λιπαντικά με λάδι ή λίπος κ.λπ. μπορούν να συγκριθούν με τα ξηρά πλαστικά γρανάζια.



Η δοκιμή διεξάγεται σύμφωνα με το γερμανικό πρότυπο VDI 2736-4 ("Θερμοπλαστικά εργαλεία: προσδιορισμός των χαρακτηριστικών χωρητικότητας φορτίου ταχύτητας") για τον προσδιορισμό της χωρητικότητας φορτίου των δοντιών και του συντελεστή φθοράς διαφορετικών συνόλων φορτίου. Αυτά τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται ως ακατέργαστα δεδομένα σε προγράμματα προσομοίωσης σχεδιασμού επαγγελματικών εργαλείων για να βοηθήσουν τους πελάτες να βελτιστοποιήσουν τα σχέδια. Η δοκιμή συνήθως συνεχίζεται μέχρι να αποτύχει το γρανάζι λόγω κατάγματος φθοράς ή ρίζας δοντιών. Η θερμοκρασία της ρίζας των δοντιών επηρεάζει την παραλλαγή του φορτίου που μπορεί να αντέξει, έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί και να ελεγχθεί με αισθητήρες υπέρυθρων (IR) σε υπάρχοντα στάδια δοκιμής.

Πειστικές μηχανικές ιδιότητες και χημική αντίσταση της PEEK

Κατά την ανάπτυξη πολυμερών υψηλής απόδοσης για τα εργαλεία, οι διαφορετικές μηχανικές, θερμικές και τριβολογικές απαιτήσεις θα πρέπει να εναρμονίζονται όσο το δυνατόν περισσότερο ανάλογα με τις τάσεις που εμπλέκονται. Ορισμένες τροποποιήσεις υλικών μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς την απόδοση των εργαλείων. Για παράδειγμα, τα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται μερικές φορές για τη βελτίωση των αντι-φθοράς ή τη μείωση της τριβής μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά τη δυναμική μηχανική συμπεριφορά ενός γραναζιού (ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων και την προσκόλλησή του στην πλαστική μήτρα) ).

Σε σύγκριση με τα πλαστικά μηχανικών όπως το πολυοξυμεθυλενίου (POM), το PA6 και το PA66, το πλαστικό PEEK υψηλής απόδοσης έχει πολλά πλεονεκτήματα όταν χρησιμοποιείται ως υλικό εργαλείων. Συγκεκριμένα, μπορεί επίσης να μεταφέρει υψηλά φορτία σε υψηλές θερμοκρασίες. Λόγω της αμελητέως απορρόφησης του νερού και της χαμηλής συρρίκνωσης και της μετα-συρρίκνωσης, τα διαμορφωμένα μέρη είναι διαστασιακά σταθερά και με βάση τη μοριακή δομή των θερμοπλαστικών υλικών, είναι επίσης εξαιρετικά χημικά ανθεκτικό. Αυτές οι ιδιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν τα γρανάζια λιπαίνονται με λάδι κινητήρα ή υγρό μετάδοσης, το οποίο είναι ένα διαβρωτικό περιβάλλον για πολλά πλαστικά.

Η αποθήκευση σε λάδι παραμένει αμετάβλητη

Λαμβάνοντας το ποσοστό επιμήκυνσης μετά από πλήρη αποθήκευση επαφής στο λάδι ταχύτητας ως παράδειγμα (Εικόνα 2), μπορούμε να δούμε ότι η PEEK (μάρκα: Evonik Vestakeep 4000 g) είναι καλύτερη από την πολυφωνική (PPA, μάρκα: Vestamid Htplus, κερδίστε το πιο ανθεκτικό μοντέλο) είναι ένα μερικώς αρωματικό πολυαμίδιο με σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας. Η επιμήκυνση κατά την απόδοση της PEEK δεν άλλαξε, αλλά η επιμήκυνση σε διάλειμμα του PPA μειώθηκε σημαντικά μετά την αποθήκευση για 500 ώρες. Τα εύθραυστα χαρακτηριστικά της PEEK αντικατοπτρίζονται στην επιμήκυνση κατά την απόδοση, ενώ η PPA αντικατοπτρίζεται στην επιμήκυνση κατά το διάλειμμα λόγω της έλλειψης επιμήκυνσης με απόδοση. Οι πρόσθετες δοκιμές αντοχής αντίκτυπου καταδεικνύουν περαιτέρω τη μηχανική συμπεριφορά του.

Εικόνα 2: Η επιμήκυνση της PEEK και η επιμήκυνση του PPA μετά από πλήρη αποθήκευση επαφής σε λάδι ταχύτητας στους 150 ° C: Η επιμήκυνση του ΡΠΑ μειώνεται σημαντικά σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ η επιμήκυνση του ρυθμού PEEK παραμένει ο ίδιος.

Σε σύγκριση με άλλα πλαστικά μηχανικής, η εξαιρετικά υψηλή μηχανική και θερμική σταθερότητα της Peek έχει καταστήσει επιτυχία σε εφαρμογές εργαλείων. Αυτό απεικονίζεται με δοκιμή γραναζιών κατασκευασμένα από όρμο υψηλού μοριακού βάρους και συνθήκες με ξηρές και πετρελαιοκινητήρες στους 80 ° C και 130 ° C, αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας την περιγραφόμενη δοκιμαστική εξέδρα (Εικόνα 3). Το πλαστικό γρανάζι οδηγείται στις 650rpm από ένα πινιόν με συγκεκριμένη σκληρότητα και τραχύτητα επιφάνειας. Το αποτέλεσμα είναι ότι η λυγισμένη ματιά σε πετρέλαιο μπορεί να μεταδώσει εξαιρετικά υψηλά φορτία σε μια εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής. Κάτω από συνθήκες ξηράς, τα γρανάζια συνήθως αποτυγχάνουν λόγω φθοράς, ενώ υπό συνθήκες λαδιού, τα γρανάζια συνήθως αποτυγχάνουν λόγω κάταγμα ρίζας που προκαλείται από κόπωση.

Εικόνα 3: Μηχανική δοκιμή γραναζιών κατασκευασμένα από Vestakeep 5000 G: Τα εργαλεία PEEK που έχουν λυγίσει με πετρέλαιο μπορούν να μεταδώσουν υψηλότερα φορτία σε πολλαπλούς κύκλους

Μειώστε την τριβή με ματιά

Τα πρόσθετα πλεονεκτήματα της PEEK περιλαμβάνουν εξαιρετικές ιδιότητες και ιδιότητες φθοράς, ιδιαίτερα χαμηλή φθορά και συντελεστή τριβής. Το τελευταίο εξασφαλίζει εξοικονόμηση ενέργειας είτε τρέχει ξηρό είτε λιπασμένο. Αυτό επιβεβαιώθηκε σε ένα άλλο πείραμα (Εικ. 4). Οι συντελεστές τριβής των συνδυασμών χάλυβα και χάλυβα σε δοκιμές σφαιρών σε λάδι κινητήρα στους 23 ° C και 130 ° C περνώντας μια χαλύβδινη σφαίρα με ακτίνα 9,5 mm και χάλυβα και δίσκο PEEK CIRCH μελετημένος. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η χαλύβδινη σφαίρα φορτώθηκε με 30n και λειτούργησε με αναλογία διαφάνειας 25%, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δοκιμαστεί η κίνηση διαφάνειας δύο συνδυασμών υλικών.

Σχήμα 4: Συντελεστές τριβής από συνδυασμούς χάλυβα και χάλυβα σε κινητήρια έλαια: Οι συντελεστές είναι σημαντικά χαμηλότεροι με τη χρήση του πλαστικού Vestakeep 5000 g υψηλής απόδοσης

Η λεγόμενη καμπύλη Stribeck δείχνει ότι η χρήση συνδυασμών χάλυβα Peek σε συστήματα λυγισμένου πετρελαίου επιτρέπει εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικές λύσεις. Ο συντελεστής τριβής του συνδυασμού χάλυβα χάλυβα αυξάνεται στο αρχικό 4-7 φορές. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ιξωδοελαστική συμπεριφορά της PEEK και την προκύπτουσα χαμηλότερη πίεση Hertzian μεταξύ των επιφανειών επαφής.

Η ιξωδοελαστική συμπεριφορά και η καλή επίδραση απόσβεσης της PEEK αποτελούν επίσης λόγους για τα ευχάριστα χαρακτηριστικά του θορύβου. Με την εξάλειψη του θορύβου του κινητήρα εσωτερικής καύσης, οι σιωπηλές μεταδόσεις γίνονται όλο και πιο σημαντικές, ειδικά για τα ηλεκτρικά οχήματα. Στις μονάδες ελικοειδούς ταχυτήτων με λίπανση, ο συνδυασμός Peek Steel μειώνει σημαντικά τον αερομεταφερόμενο θόρυβο, σε ορισμένες περιπτώσεις κατά περισσότερο από 10dB (Εικόνα 5). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στην πλατφόρμα συνεργασίας τεχνολογίας βιομηχανικής και αυτοκινητοβιομηχανίας (IFA) στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών στο Ruhr-University Bochum της Γερμανίας.

Εικόνα 5: Μετρήσεις θορύβου αέρα των συνδυασμών λιπασμάτων με λίπανση και χάλυβα χάλυβα σε μονάδα ελικοειδούς γραναζιού στις 3000 σ.α.λ.

Mercedes-Benz: Πλαστικό αντί για μέταλλο

Τα πλεονεκτήματα που περιγράφηκαν παραπάνω επιτρέπουν τη σειρά εφαρμογής των εργαλείων PEEK σε μεταδόσεις μαζικής εξισορρόπησης από τη Mercedes-Benz (εικόνα κεφαλίδας). Αυτό είναι το πρώτο πλαστικό εργαλείο PEEK που χρησιμοποιείται σε αυτή την δύσκολη εφαρμογή κινητήρα, αντικαθιστώντας προηγουμένως αφιερωμένα μεταλλικά γρανάζια. Μετά από μια σειρά δοκιμών και αξιολογήσεων από τους συνεργάτες της κατασκευής, η PEEK είναι έτοιμη για χρήση σε αυτό το σκληρό περιβάλλον. Τα γρανάζια κατασκευάζονται με χύτευση με έγχυση, η οποία είναι οικονομικά αποδοτική και ακριβής και δεν απαιτεί εκτεταμένη μετα-επεξεργασία όπως συνέβαινε προηγουμένως με μέταλλο. Επιπλέον, η χαμηλότερη μάζα της αδράνειας κατά τη διάρκεια της οδήγησης εξοικονομεί ενέργεια και επιτρέπει την ομαλή λειτουργία και τη συμπεριφορά χαμηλού θορύβου.

Περίληψη και προοπτική

Από την παραδοσιακή αυτοκινητοβιομηχανία έως τη ρομποτική μέχρι τα αεροσκάφη, οι πιθανές εφαρμογές για τα πλαστικά εργαλεία είναι εξαιρετικά διαφορετικές. Τα πλαστικά υψηλής απόδοσης, όπως η PEEK, η χρήση της χρήσης πλαστικών γραναζιών σε μεταδόσεις σε υψηλότερες περιοχές ροπής, ταχύτητας και θερμοκρασίας. Για να επιτευχθεί αυτό, πρέπει να σχεδιαστούν με πνεύμα πλαστικά, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μικρότερες, ελαφρύτερες και πιο ενεργειακές συσκευές. Αυτές οι εξαιρετικές ιδιότητες θα προωθήσουν την εφαρμογή των εργαλείων Peek σε ηλεκτρικά οχήματα και θα αντικαταστήσουν περαιτέρω τα μεταλλικά γρανάζια. Η τρισδιάστατη εκτύπωση θα βοηθήσει σε αυτή την περίπτωση. Θα ανοίξει επίσης νέες δυνατότητες εφαρμογής. Η εφαρμογή περισσότερων υβριδικών λύσεων και η ενσωμάτωση πρόσθετων λειτουργιών, όπως τα κανάλια ψύξης και λίπανσης, φέρνουν επίσης περισσότερες επιλογές.

Συνολικά, η πολύπλοκη τεχνολογία χύτευσης με έγχυση πολλαπλών συστατικών φέρνει την τεράστια σχεδίαση του σχεδιασμού του σχεδιασμού. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση προϊόντων κατασκευασμένα από πλαστικά βελτιστοποιημένα με φθορά στην περιοχή των δοντιών, τα πλαστικά τροποποιημένα με σκληρότητα στην περιοχή των δοντιών, το μέταλλο ή το πολύ άγχος πλαστικά ενισχυμένα με ίνες στην περιοχή γύρω από την κορυφή φορτίου κ.λπ. -αποτελεσματική και ακριβής παραγωγή, π.χ. μέσω περιστροφικών καλουπιών. Επιπλέον, τα προϊόντα έξυπνης υλικού που βασίζονται σε PEEK επιτρέπουν το σχεδιασμό των τριβολογικών συστημάτων χωρίς εξωτερικά λιπαντικά με ενεργειακά αποδοτικό και εξοικονόμηση υλικών (μέσω ενίσχυσης και πρόσθετων).