李回庭，趙桂花

(東莞市機(jī)電工程學(xué)校，廣東 東莞 523846)

0 引言

帶螺紋特征的產(chǎn)品，要求旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)加直線運(yùn)動(dòng)，模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、維護(hù)成本較高。本文作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，摸索出一套內(nèi)螺紋模具的設(shè)計(jì)方法，能夠快速地完成模具的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品精度及模具穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品報(bào)廢率，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省成本，從而能顯著提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)品要求及工藝性分析

現(xiàn)有某公司產(chǎn)品：保溫杯杯蓋,材料味食用PP，PP縮水系數(shù)為：1.016。要求一模二腔，有較高的耐沖擊性，機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)韌。產(chǎn)品外觀如圖1和2所示。

圖1 瓶蓋截面圖

圖2 瓶蓋軸測(cè)圖

經(jīng)分析，產(chǎn)品為常見的瓶蓋，內(nèi)孔側(cè)壁上有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋只能采用退螺紋結(jié)構(gòu)。由圖1和2可知：產(chǎn)品外型有防轉(zhuǎn)槽，內(nèi)孔有一圈骨位為環(huán)形，不能防轉(zhuǎn)。 按正常分型分析，后模倒角半徑(R)0.2 mm可以防轉(zhuǎn)(圖1中1處)，產(chǎn)品螺紋線數(shù)為雙線，螺紋只有1.3圈牙，螺距4 mm，導(dǎo)程8 mm，螺紋軸行程11 mm。

方案一：當(dāng)螺紋圈數(shù)很少時(shí)，通常可以使用牙套退螺紋設(shè)計(jì)，齒條行程不長(zhǎng)，螺紋軸旋轉(zhuǎn)在牙套螺旋線的作用下退出產(chǎn)品，這樣相對(duì)而言防轉(zhuǎn)力不需要太大。 模具動(dòng)作：前、后模開模之后，油缸驅(qū)動(dòng)齒條直線運(yùn)動(dòng)，齒條的直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)螺紋軸旋轉(zhuǎn)， 螺紋軸在螺紋套作用下旋轉(zhuǎn)加直線運(yùn)動(dòng)，從而退出產(chǎn)品[1]。如果先退牙再開前、后模，產(chǎn)品可能會(huì)粘住前模。

方案二：利用產(chǎn)品牙結(jié)構(gòu)退螺紋，螺紋軸原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)品在防轉(zhuǎn)槽的作用下不能旋轉(zhuǎn)只能直線運(yùn)動(dòng)，但是如防轉(zhuǎn)槽太淺，產(chǎn)品只要退出微小距離就不能止轉(zhuǎn)，而是會(huì)跟著螺紋軸旋轉(zhuǎn)，這樣就不能自動(dòng)退牙。這種情況需要增加推板。推板在彈簧作用下跟著產(chǎn)品一起運(yùn)動(dòng)，起到定位作用，直到產(chǎn)品完全退出螺紋軸。推板也可以輔助退牙，減輕產(chǎn)品對(duì)螺紋軸的包緊力，避免損壞產(chǎn)品牙型。

對(duì)于該產(chǎn)品，后模防轉(zhuǎn)槽太淺，深度只有0.2 mm，不能保證轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程不損壞防轉(zhuǎn)槽，方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、制造成本低，方案二增加推板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，成本較高， 所以選擇方案一。另外為了減少螺紋套承受的注塑力，要把后模一圈環(huán)形骨位鑲出來(lái)，同時(shí)防止后模R為0.2 mm的防轉(zhuǎn)槽不反轉(zhuǎn)，可以在環(huán)形骨位內(nèi)圈上增加平位防轉(zhuǎn)(從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分板環(huán)形骨位內(nèi)圈只為美觀)，但這樣螺紋軸退出產(chǎn)品后，產(chǎn)品會(huì)留在后模鑲件上，需要增加頂針，頂出產(chǎn)品。

2 設(shè)計(jì)模具開模順序

根據(jù)方案一設(shè)計(jì)開模順序，開模順序如圖3所示。

圖3 開模順序

3 設(shè)計(jì)退牙機(jī)構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)品特征和開模順序，設(shè)計(jì)牙套退牙機(jī)構(gòu)，由頂針、鑲件、牙套、卡環(huán)、齒輪、導(dǎo)套、螺紋軸等零件組成，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.1 主要零件的作用和數(shù)值

(1) 導(dǎo)套，起導(dǎo)向定位作用。這個(gè)軸要旋轉(zhuǎn)加直線運(yùn)動(dòng)，所以不可以用軸承， 軸承會(huì)阻礙軸的直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)套壁厚3～6 mm，常用青銅或鈹銅(又稱青銅套)制作。

(2) 齒輪，起精密傳動(dòng)作用。齒輪模數(shù)根據(jù)包緊力確定，盡可能把螺紋軸上的齒輪做小，減少排位，從而減少流道。模數(shù)一般取1.00、1.25、1.50、2.00、2.50 mm。

(3) 卡環(huán)，用作齒輪的軸向定位?？ōh(huán)是標(biāo)準(zhǔn)件，所以設(shè)計(jì)軸時(shí)要按卡環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸來(lái)設(shè)計(jì)。齒輪與螺紋軸一體，不用設(shè)計(jì)卡環(huán)，還可以在齒輪上鉆螺絲孔，用無(wú)頭螺絲固定齒輪。

3.2 牙套退牙機(jī)構(gòu)關(guān)鍵數(shù)值

(1) 尺寸A，產(chǎn)品到模仁底的距離(20～35 mm)，要保證模仁的強(qiáng)度。

(2) 尺寸B，導(dǎo)套的長(zhǎng)度，盡可能與螺紋軸的直徑相同，太長(zhǎng)會(huì)增加模具尺寸，同時(shí)要保證螺紋軸退出產(chǎn)品后還有10 mm以上的管位。

(3) 尺寸C，根據(jù)產(chǎn)品的大小、材料和螺紋的長(zhǎng)度等對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的包緊力來(lái)確定，一般取10～25 mm，有些結(jié)構(gòu)也由螺紋軸的行程確定，使牙套退牙后與配合的齒輪不分離。

(4) 尺寸D，要大于螺紋軸行程1～3 mm。

(5) 尺寸E， 不能太短。螺紋套所承受的注塑壓力是靠這段螺紋來(lái)承受的。投影面積越大，螺紋的牙要越粗、越長(zhǎng)。太長(zhǎng)了會(huì)增加模厚，加大成型機(jī)臺(tái)的尺寸。所以面積大的產(chǎn)品盡量考慮讓中間鑲件來(lái)承受注塑壓力，同時(shí)減小摩擦力。

(6) 尺寸G， 定位凸臺(tái)，定位凸臺(tái)的作用是固定齒輪的位置。主要是固定螺紋軸在模具中的位置，防止螺紋軸錐度面與模仁卡死導(dǎo)致螺紋軸扭力過(guò)大，一般為3～6 mm。

(7) 尺寸H， 齒輪與模板及導(dǎo)套的避空，最小需1 mm。

(8) 尺寸K， 是開了卡環(huán)槽后的局部強(qiáng)度，最小2 mm，一定要大于卡環(huán)槽的深度。鑲件承受注塑壓力，便于運(yùn)冷卻水。

4 成型螺紋的設(shè)計(jì)

按照產(chǎn)品形狀特征、尺寸設(shè)計(jì)出成型螺紋，具體形狀如圖5所示。

圖5 成型螺紋

(1) 成型螺紋與動(dòng)力螺紋，螺距要一樣，牙型可以不同，主要是方便加工動(dòng)力螺紋，降低成本，保證精度。成型螺紋跟產(chǎn)品尺寸、形狀一樣。

(2) 當(dāng)成型螺紋是雙線或多線螺紋時(shí)，動(dòng)力螺紋也設(shè)計(jì)成單線螺紋，螺距跟成型螺紋的導(dǎo)程需一致，減少和優(yōu)化設(shè)計(jì)模具，降低成本。

(3) 動(dòng)力螺紋大徑要與牙套頂徑避空，單邊最少為0.1 mm。小徑過(guò)渡配合，螺旋面也過(guò)渡配合，如圖6所示。

(4) 螺紋軸與鑲件兩端留30 mm管位，中間避空，單邊0.2 mm，減小接觸面積(避空在螺紋軸上)，減少精加工的長(zhǎng)度。由圖6可知：鑲件既不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)也不影響外觀。如果結(jié)構(gòu)允許，還可以在兩頭增加青銅套，效果更好。

圖6 動(dòng)力螺紋配合

5 排位設(shè)計(jì)

產(chǎn)品與產(chǎn)品之間距離不能太小，也不能太大，否則浪費(fèi)流道也增加模具成本。從技術(shù)方面考慮以下3點(diǎn)：

(1) 要方便布流道澆口套;

(2) 兩齒輪之間不能影響傳動(dòng)，中間還有頂針，齒輪不能干涉到頂針，最少要有1 mm的間隙;

(3) 產(chǎn)品很小時(shí)，要考慮軸承與軸承之間最少還要有3 mm的安全鋼料。

綜合以上技術(shù)要點(diǎn)設(shè)計(jì)排位，如圖7所示。

圖7 排位圖

6 牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 齒輪齒條設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)

本產(chǎn)品齒輪配合的齒數(shù)都是40，如圖8所示。牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)如圖9所示。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈，螺紋軸上的齒輪也轉(zhuǎn)一圈，傳動(dòng)比為1∶1。但是牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)相對(duì)其他退牙機(jī)構(gòu)需要計(jì)算的地方較多，設(shè)計(jì)牙套齒條退牙結(jié)構(gòu)需要考慮以下4點(diǎn)：

圖8 齒輪配合

1-鑲件；2-導(dǎo)套；3-軸承；4-主動(dòng)齒輪；5-軸；6-齒條；7-螺釘；8-方塊；9-從動(dòng)齒輪；10-成型螺紋圖9 牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)

(1) 測(cè)量并計(jì)算螺距，螺紋冷卻后，縮水會(huì)導(dǎo)致螺距變化；

(2) 數(shù)清螺紋圈數(shù)，測(cè)量螺紋長(zhǎng)度，確定退牙圈數(shù)及螺紋軸行程；

(3) 根據(jù)螺紋圈數(shù)和產(chǎn)品大小，以及齒輪模數(shù)，確定與齒條配合的齒輪齒數(shù)，計(jì)算齒輪分度圓周長(zhǎng)；

(4) 根據(jù)螺紋圈數(shù)及分度圓周長(zhǎng)，選擇齒輪傳動(dòng)比。必須兼顧模坯大小，方便布置齒輪、齒條、油缸座等零件，需要不斷調(diào)整。

6.2 計(jì)算產(chǎn)品參數(shù)

螺距4 mm，雙線螺紋導(dǎo)程8 mm ，預(yù)估縮水，導(dǎo)程：8 mm×1.016=8.128 mm。螺紋有1.3圈，螺紋軸退1.35～1.50圈即可。產(chǎn)品直徑為62 mm，所以材料PP包緊力不大，但是為了減短油缸行程，一般情況都會(huì)設(shè)計(jì)成加速運(yùn)動(dòng)，如圖10所示。軸上齒輪輸入與輸出相反就是減速傳動(dòng)，如圖11所示。實(shí)踐證明，這種結(jié)構(gòu)比較容易斷齒。斷齒條上的齒會(huì)與齒條主動(dòng)齒輪上的齒配合，所以最好不要選擇太小的模數(shù)。據(jù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇模數(shù)2合適，最小齒輪齒數(shù)不能少于18個(gè)齒，一般選擇20個(gè)齒。故本套模具主動(dòng)輪齒數(shù)為20，經(jīng)計(jì)算分度圓直徑為40 mm，分度圓周長(zhǎng)125.66 mm，傳動(dòng)比為1∶1，增加系數(shù)為1.5以便于試模調(diào)機(jī)器，避免因行程太短撞壞模具，那么油缸行程最小應(yīng)為125.66 mm×1.5=188.49 mm ，取190 mm。

圖10 牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)加速輪組

圖11 軸輸入輸出減速傳動(dòng)

從受力以及齒數(shù)來(lái)計(jì)算，傳動(dòng)比為1∶2，螺紋軸上的齒數(shù)為40×1.50=60，而與齒條上配合的齒輪齒數(shù)為20×1.50=30。如果缺少那兩層加速輪組，齒條直接與螺紋軸上的齒輪配合，那么齒條行程為376.98 mm，行程太長(zhǎng)。分度圓直徑d=MZ=2×40 mm=80 mm ，周長(zhǎng)=dπn=80 mm×3.1415×1.50圈=376.98 mm，假設(shè)每個(gè)螺紋軸需要10 kN的力，那么兩模就需要20 kN ，扭矩=20 kN×40 mm=800 N·m，齒條需要的推力=800 N·m÷20 mm=40 kN。

計(jì)算傳動(dòng)比：主動(dòng)輪齒數(shù)Z1/從動(dòng)輪齒數(shù)Z2，80/28=2.857。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)1圈，從動(dòng)輪要轉(zhuǎn)2.857圈，轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)和線長(zhǎng)是一樣的。受力計(jì)算：假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)單個(gè)螺紋軸齒輪需要10 kN的力，那么轉(zhuǎn)2個(gè)就要20 kN，Z1齒輪所產(chǎn)生的扭矩就是20 kN×(80/2×1.5 mm)，Z1分度圓半徑=1 200 mm，1200 mm/(20/2×1.5 mm)分度圓半徑Z0=80 mm。力矩比計(jì)算：輸出Z1/輸入Z0=4倍，80/20=4，力矩比是4∶1。 齒輪與齒輪配合如圖12所示。

圖12 齒輪與齒輪嚙合

6.3 齒輪組的設(shè)計(jì)

相互配合的齒輪必須使分度圓相切才能工作，如圖13所示。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下3點(diǎn)：

圖13 齒輪組

(1) 首先用相切半徑畫圓，畫出齒輪位置，然后用外掛調(diào)齒輪；

(2) 齒輪的分布，齒輪盡可能少、小，要同時(shí)兼顧；

(3) 畫相切圓時(shí)一定要用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的尺寸，齒輪可以是單數(shù)齒，也可以是雙數(shù)齒。

6.4 齒輪齒條參數(shù)的設(shè)計(jì)

齒條與齒輪配合的前提條件指的是齒輪分度圓與齒條分度線相切，如圖14所示。

圖14 齒輪齒條(單位：mm)

齒條參數(shù)：齒頂高A等于1倍模數(shù)(M)，齒根高B等于1.25倍模數(shù)，齒距等于周節(jié)，周節(jié)等于分度圓周長(zhǎng)/齒數(shù)，C=D=1/2周節(jié)，C+D=周節(jié)，周節(jié)=M×3.1415,C=D=1/2×M×3.1415。

7 牙套定位方式以及注意事項(xiàng)

牙套要調(diào)試裝配，主要原因是螺紋加工時(shí)螺旋線相對(duì)于牙套外型不能如圖紙上設(shè)計(jì)那樣準(zhǔn)確。車床在旋轉(zhuǎn)加工螺紋時(shí)很難對(duì)準(zhǔn)外型基準(zhǔn)，可以采用環(huán)型槽定位，如圖15所示。環(huán)型槽可以先加工，多槽時(shí)可能調(diào)配角很大，而要加大環(huán)型角度，也可以設(shè)計(jì)2組環(huán)型槽。即使法蘭強(qiáng)度不好，環(huán)型槽也可以精準(zhǔn)定位，但是生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)松動(dòng)，需配合銷釘一起使用，當(dāng)牙套磨損后可以調(diào)整角度繼續(xù)使用。

圖15 環(huán)形槽

8 結(jié)論

本文以10多年的工作實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為依據(jù)，以某公司產(chǎn)品瓶蓋為例，提出設(shè)計(jì)思路。本產(chǎn)品螺紋模具設(shè)計(jì)采用牙套齒輪齒條退牙結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)退牙機(jī)構(gòu)、成型螺紋、排位、牙套齒條退牙機(jī)構(gòu)的原則及注意事項(xiàng)，并對(duì)牙套定位方式以及注意事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)試模證明：本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了生產(chǎn)流程，降低了制造成本，操作簡(jiǎn)便，提高了生產(chǎn)效率。