姜伯軍

（江蘇常州明順電器有限公司，江蘇常州213015）

1 引言

正、斜兩種不同齒形的齒輪注射成型，模具結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：正齒輪一般在注射成型后，大都采用推桿或推管頂出脫模的形式；斜齒輪在成型后的脫模，塑件是無(wú)法“轉(zhuǎn)動(dòng)”的，而只有通過(guò)齒片的逆向“轉(zhuǎn)動(dòng)”，來(lái)推出塑件實(shí)現(xiàn)齒輪的脫模。該塑件為正、斜兩種不同齒形組合的雙聯(lián)齒輪，成形上部的正齒輪，齒片不需“轉(zhuǎn)動(dòng)”，可直接推出脫模，而下部的斜齒輪則必須逆向“轉(zhuǎn)動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)脫模。因此，針對(duì)該塑件的注射成型，必須設(shè)計(jì)出完全適合成型要求的注射模具結(jié)構(gòu)。

2 正、斜組合雙聯(lián)齒輪的工藝性分析

圖1 所示為一小型減速器齒輪組中的力矩傳遞用中間齒輪，該齒輪下部為正齒輪，上部為斜齒輪的組合雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)。

2.1 塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）正、斜雙聯(lián)組合齒輪為兩不同直徑漸開(kāi)線圓柱正齒輪與斜齒輪的組合體，兩齒輪的齒間無(wú)相對(duì)位置關(guān)系要求。

（2）兩齒輪精度均為9級(jí)（GB2363-80），上部齒輪的螺旋角為右旋12°，下部為正齒輪，由于是雙聯(lián)組合齒輪，必須保證兩齒輪與中心軸孔φ6mm的同軸度。

（3）兩種齒型的齒輪為達(dá)到塑料成型所需的工藝要求，避免和減少注射成型時(shí)的收縮變形，在進(jìn)行具體塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩齒輪內(nèi)、外圈均為輪輻式加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式（均為8細(xì)片加強(qiáng)筋），同時(shí)充分考慮到了整體壁厚的均勻性和所需的脫模斜度。

2.2 塑件的成型工藝性分析

（1）塑件材料的正確選擇。在工程塑料中PA（尼龍）和POM（聚甲醛）是制作齒輪的最佳材料，這兩類(lèi)塑料均具良好的成型特性，自潤(rùn)性好，又有較好的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)具有較好的剛性與強(qiáng)度。其中PA塑料吸濕性較大，又因其流動(dòng)性好而溢料間隙較小，約為0.02mm。POM塑料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度和剛性，抗沖擊尤其是抗蠕變性?xún)?yōu)于PA塑料，而其耐疲勞性在所有熱塑性塑料中最佳，而流動(dòng)性一般，溢料間隙約為0.04mm。而本塑件注射成型后的脫模，尤其是斜齒輪的脫模是通過(guò)成型齒片的“轉(zhuǎn)動(dòng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該“轉(zhuǎn)動(dòng)”就必須在模具中的相關(guān)成型零件間留有間隙。而PA塑料的0.02mm溢料間隙值必定對(duì)模具中的留置間隙有直接影響。綜合以上因素，最終確定選用POM（聚甲醛）塑料。

（2）塑件的尺寸精度、表面質(zhì)量分析。該塑件的關(guān)鍵尺寸：中心軸孔φ6+0.06+0.02mm，兩斜齒輪的中心軸線與中心軸孔φ6mm基準(zhǔn)軸線的同軸度≤φ0.08mm。主要尺寸：斜齒輪的外圓直徑分別為φ350-0.20mm及φ430-0.20mm。雖該塑件的關(guān)鍵尺寸精度要求較高，但與之對(duì)應(yīng)的模具相關(guān)零件的尺寸加工可以保證。同時(shí)在注射成型過(guò)程中對(duì)各工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)、合理的調(diào)整，完全能達(dá)到圖示的技術(shù)要求。而主要尺寸部分的精度要求更能得到保證。中心軸孔φ6mm內(nèi)表面及兩個(gè)齒輪的工作齒面粗糙度要求可以通過(guò)提高成型φ6mm軸孔的模具型芯表面和齒圈的齒面2～3個(gè)精度等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 正、斜組合雙聯(lián)齒輪的成型工藝特點(diǎn)

（1）本塑件材料確定為POM（聚甲醛白），體積收縮率較大為2%～3%。在模具設(shè)計(jì)的成型尺寸計(jì)算中應(yīng)充分考慮到塑件尺寸收縮的不均勻性。因齒廓部分與其他結(jié)構(gòu)部位的形狀存在一定的差異，對(duì)成型收縮率的選取也應(yīng)有相應(yīng)的變動(dòng)。由于POM塑料在注射成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的分解氣體，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)模具型芯φ6mm軸與軸孔的配制間隙，推管與φ6mm芯軸之間的間隙，成型齒片與相關(guān)模具的其他成型零件間的間隙（共有3處模具工作零件的配置件間隙）來(lái)實(shí)現(xiàn)模具的排氣。

（2）由該塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與模具注射成型的過(guò)程要求所限定，采用一模一腔的模具結(jié)構(gòu)形式較為合理。

（3）分型面的選擇。φ43mm斜齒輪大端面為塑件的最大輪廓，以該端面為動(dòng)、定模間的分型面。兩成型齒形的齒圈必須同時(shí)設(shè)置在動(dòng)模部分，也只能設(shè)置在動(dòng)模部分。否則，組合齒輪間的同軸度無(wú)法保證，而注射成型后的塑件亦無(wú)法脫模，如圖2所示。

（4）塑件澆注系統(tǒng)進(jìn)料口的選擇。

圖1 正、斜組合雙聯(lián)齒輪

a.澆口形式的選擇。齒輪注射成型的澆注系統(tǒng)進(jìn)料口，一般可供選擇的形式主要有：爪式澆口、環(huán)形澆口、點(diǎn)澆口3種。經(jīng)分析、比較，如采用在φ6mm端面設(shè)置爪式澆口、環(huán)形澆口等進(jìn)料形式，因塑料融體的流程較長(zhǎng)，遠(yuǎn)離所需成型的齒輪齒形部位。在對(duì)兩端共4處8條窄形加強(qiáng)筋的充盈過(guò)程中也需相應(yīng)增大注射壓力。在輪廓與各加強(qiáng)筋之間及齒形的成型部位都可能產(chǎn)生融接痕或熔接不良，從而直接影響到塑件的成型質(zhì)量。注射成型后，澆口的去除也較為困難，留有的澆口痕跡也影響到塑件的外觀。采用在塑件的“某一”合理部位設(shè)置多“點(diǎn)”點(diǎn)澆口的結(jié)構(gòu)形式，使塑料融體到達(dá)各成型部位的流程更趨均衡，塑件產(chǎn)生融接痕或融熔接不良的狀態(tài)大大降低，甚至不會(huì)有融接痕的產(chǎn)生。同時(shí)也可減少進(jìn)料口附近的成型收縮對(duì)齒輪成型精度的影響。所以確定點(diǎn)澆口采用“3點(diǎn)”在同一圓半徑的圓周上120°均分設(shè)置，以保證注射成型時(shí)料流的均衡性。

圖2 模具分型面的選擇

b.澆口位置的選擇。澆口位置的選擇與確定如圖3所示。進(jìn)料口部位的設(shè)計(jì)選擇方案主要有兩種：一是進(jìn)料口設(shè)置在內(nèi)圈凸緣的端部；另一種是進(jìn)料口設(shè)置在兩齒面結(jié)合面的內(nèi)側(cè)中間部位。這兩種方案的點(diǎn)澆口進(jìn)料雖然都遠(yuǎn)離成型的齒形部位，但采用設(shè)置在內(nèi)圈凸緣端部的形式，因澆道的流程較長(zhǎng)，又由于內(nèi)、外圈間的凸筋成型所產(chǎn)生的阻力較大，易產(chǎn)生料流不均衡，塑件的成型質(zhì)量不穩(wěn)定。采用設(shè)置在兩齒面結(jié)合面的內(nèi)側(cè)中間部位的形式，澆道的流程較均衡，料流至各成型部位的距離相近，成型時(shí)所產(chǎn)生的阻力亦較小，有利于在注射成型時(shí)各工藝參數(shù)的調(diào)整，如圖4所示。為防止點(diǎn)澆口與塑件分離時(shí)，可能對(duì)塑件產(chǎn)生后變形及實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)的自動(dòng)脫落，動(dòng)、定模未打開(kāi)前，設(shè)置在點(diǎn)澆口分流道對(duì)應(yīng)部位的Z型拉料桿使?jié)部谂c塑件先行分離。

（5）塑件成型后的脫模是在頂出過(guò)程中，通過(guò)斜齒輪型腔（即斜齒輪齒片）的“逆向旋轉(zhuǎn)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即塑模注射完成后，塑件在脫模過(guò)程，向模外被垂直推出，而同時(shí)設(shè)置在動(dòng)模部分的斜齒輪齒片慢慢逆向轉(zhuǎn)動(dòng)（塑件只是向模外移動(dòng)）。斜齒輪脫模阻力過(guò)大易造成塑件變形將直接影響斜齒輪的螺旋角精度。因此，成型斜齒輪齒片的“旋轉(zhuǎn)”精度與減小斜齒輪的脫模阻力保證齒輪成型精度的關(guān)鍵所在，如圖5所示。正確的頂出方式對(duì)模具在分型過(guò)程中及動(dòng)、定模完全打開(kāi)后已成型塑件的脫模所應(yīng)采用的合理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

圖3 澆注系統(tǒng)進(jìn)料口部位的設(shè)計(jì)選擇方案比較

圖5 塑件成型后的推出脫模設(shè)計(jì)

（6）為避免塑件在頂出過(guò)程中產(chǎn)生后變形及實(shí)現(xiàn)成型斜齒輪齒片的順暢“旋轉(zhuǎn)”，應(yīng)采用慢速頂出的脫模方式。

（7）在模具總裝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮模溫控制的結(jié)構(gòu)設(shè)置。

4 注射模總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）注射?？傃b結(jié)構(gòu)如圖6所示。兩成型齒輪的型腔均設(shè)置在動(dòng)模部分，以?xún)?nèi)齒輪齒片18、19的形式與動(dòng)模活動(dòng)定位圈22以定位銷(xiāo)釘17聯(lián)接，只是斜齒輪齒片需在塑件脫模時(shí)必須逆向“轉(zhuǎn)動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)脫模。而正齒輪齒片不可轉(zhuǎn)動(dòng)，正、斜成型的兩個(gè)齒片不能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在正齒輪齒片上必須加工出避讓定位銷(xiāo)釘柱17的空域。如圖6中的中間標(biāo)注的部位。

（2）對(duì)應(yīng)的定位銷(xiāo)柱孔部位加工成15°滑動(dòng)用圓弧槽，避免斜齒輪片轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力。為減小齒輪型腔在脫模時(shí)的“旋轉(zhuǎn)”阻力，提高模具工作零件的減摩耐磨作用，在動(dòng)模成型鑲套37和動(dòng)?；顒?dòng)定位圈之間設(shè)置了向心推力球軸承23。在動(dòng)?；顒?dòng)定位圈的側(cè)面和與動(dòng)模成型鑲套相接觸的部位分別設(shè)置了平面推力球軸承21、24。為方便模具組裝時(shí)，調(diào)整兩平面推力球軸承的配合尺寸高度，在其底面部分分別設(shè)置了高度調(diào)整圈25等。

圖6 模具總裝結(jié)構(gòu)圖

（3）充分考慮到各模具成型零件的工作強(qiáng)度，定模部分的成型以定模型腔鑲套11的形式固定在定模板51上。而動(dòng)模部分的成型也只分解成兩個(gè)部分,即動(dòng)模成型鑲套37和動(dòng)模成型鑲套38組合體。

（4）按塑料成型模具的設(shè)計(jì)原則，成型后的塑件應(yīng)盡可能的留在動(dòng)模部分。本塑件的齒圈及各內(nèi)圈間均分別設(shè)有8片加強(qiáng)筋（總計(jì)32片加強(qiáng)筋），雖在每1片加強(qiáng)筋處設(shè)計(jì)了脫模斜度，注射成型后由于塑料的收縮，對(duì)模具型芯及鑲件、鑲套的包緊力仍然較大。為保證開(kāi)模時(shí)，定模部分的型腔鑲套能順利脫模及防止塑件產(chǎn)生后變形，在定模型腔鑲套上對(duì)應(yīng)內(nèi)圈的端面部位設(shè)計(jì)了3個(gè)等圓軸線均分的氣動(dòng)頂出桿10。合模注射時(shí)，由于注射壓力頂桿退入型腔鑲套。注射結(jié)束，開(kāi)模時(shí)氣動(dòng)通道打開(kāi)，氣壓通過(guò)頂桿頂住塑件使之留在動(dòng)模內(nèi)。當(dāng)模具打開(kāi)一定距離后，氣動(dòng)通道及時(shí)關(guān)閉。

（5）為保證動(dòng)、定模間的定位精度。在模具內(nèi)設(shè)置了兩錐形導(dǎo)柱、導(dǎo)套49、50的精定位裝置。同時(shí)，為保證雙聯(lián)斜齒輪同軸度的技術(shù)要求，中心軸孔φ6mm的成型型芯必須與定模對(duì)應(yīng)的定模型腔鑲套φ6mm型孔對(duì)插。

（6）由于澆注系統(tǒng)采用了三等分點(diǎn)澆口的進(jìn)料形式，為防止點(diǎn)澆口與塑件分離時(shí)，拉動(dòng)塑件而使之產(chǎn)生變形。在每一點(diǎn)澆口的定模相對(duì)應(yīng)部位設(shè)置了點(diǎn)澆口拉料桿8。在開(kāi)模時(shí)，動(dòng)、定模間尚未分型前實(shí)現(xiàn)點(diǎn)澆口拉料桿先拉動(dòng)點(diǎn)澆口，使之與塑件分離。澆口套7與脫澆口板2為間隙配合，以保證主澆道、分流道等澆注系統(tǒng)在開(kāi)模后的自動(dòng)脫落。如圖所示，這既可實(shí)現(xiàn)模具的自動(dòng)化生產(chǎn)又避免了澆口的后工序切除。

（7）為防止塑件在頂出過(guò)程中產(chǎn)生后變形，應(yīng)盡可能使塑件在頂出時(shí)受力均衡。本模具采用了在塑件外圈設(shè)置推桿與在中心部位設(shè)置推管相結(jié)合的推出形式，12支推桿35均勻分布設(shè)置在靠近齒形的內(nèi)側(cè)部位。同時(shí)，為保證推桿的導(dǎo)向精度和模具的及時(shí)復(fù)位，在推桿固定板31與動(dòng)模墊板46間內(nèi)導(dǎo)柱、導(dǎo)套29、30和矩形截面彈簧26。

（8）為充分利用模具內(nèi)的使用空間，3個(gè)分型面的定距套13、定距拉桿4、15全部設(shè)置在模具內(nèi)。為配合推管結(jié)構(gòu)的使用，模具的推出機(jī)構(gòu)采用了二級(jí)頂出的結(jié)構(gòu)形式。

（9）為便于模具的制造和零部件的加工、維修、更換，應(yīng)盡可能的采用標(biāo)準(zhǔn)件。

（10）為配合注射工藝對(duì)模溫控制的調(diào)節(jié)需要，在動(dòng)、定模板內(nèi)均設(shè)有水管通道。

5 模具工作過(guò)程

如圖7、圖8所示，安裝在注塑機(jī)移動(dòng)模板上的動(dòng)模部分隨注塑機(jī)模板向后移動(dòng)，模具的第Ⅰ分型面因圓形截面彈簧12彈力恢復(fù)的作用，首先被打開(kāi)。這時(shí)，定模座板1內(nèi)的定距套13內(nèi)側(cè)端面與定模座板孔的臺(tái)階接觸。點(diǎn)澆口拉料桿拉動(dòng)點(diǎn)澆道進(jìn)料口與塑件分離：同時(shí)，澆口套7退入脫澆口板2內(nèi)，主澆道與澆口套分離（Ⅰ分型面間的移動(dòng)距離L1一般取5～6mm，以脫澆口板保持與澆口套不脫離為佳）。

動(dòng)模部分繼續(xù)向后移動(dòng)，因拉料桿1和拉料桿2的作用，分型面Ⅱ、Ⅲ被先后逐步打開(kāi)（Ⅱ、Ⅲ分型面的分型順序的先后有時(shí)可能有差異）。注塑機(jī)移動(dòng)模板帶動(dòng)動(dòng)模部分繼續(xù)向后移動(dòng)，直至定距套、定距拉桿把各分型面各模板全部拉緊，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)分型面全部打開(kāi)。為使整個(gè)澆注系統(tǒng)完全自動(dòng)脫落，Ⅱ分型面L2的移動(dòng)距離尺寸一般取大于整個(gè)澆注系統(tǒng)長(zhǎng)度6～8mm的有效空間。當(dāng)模具處于完全開(kāi)模狀態(tài)時(shí)，注塑機(jī)后部的液壓頂出系統(tǒng)頂動(dòng)模具內(nèi)的頂柱34，頂柱再頂動(dòng)推管、推桿組成的推出機(jī)構(gòu)，推動(dòng)塑件向模外移動(dòng)。塑件移動(dòng)時(shí)，兩齒片“被逆向”轉(zhuǎn)動(dòng)直至塑件被完全推出動(dòng)模。Ⅲ分型面L3的移動(dòng)距離尺寸一般取塑件最大輪廓尺寸的1.2～1.5倍，以使塑件無(wú)阻滯自動(dòng)脫落。

6 斜齒輪齒片成型型腔的加工工藝

本斜齒輪塑件為標(biāo)準(zhǔn)圓柱斜齒輪，由于塑料注射成型后的收縮特性，在齒輪型腔尺寸計(jì)算時(shí)，除按成型收縮率的要求計(jì)算外，還應(yīng)預(yù)留一定的整修余量，又由于塑件的結(jié)構(gòu)形式不同，塑件收縮存在一定的差異，因此，加了成型收縮量的齒輪型腔是一個(gè)非標(biāo)內(nèi)齒齒圈。由此可以看出，模具加工的關(guān)鍵是齒輪型腔的加工。目前齒輪型腔的加工方法有電鑄、擠壓、電火花、慢走絲線切割、磨料流擠壓研磨、電拋光等。

圖7 開(kāi)模狀態(tài)

圖8 塑件頂出狀態(tài)

斜齒輪型腔主要的技術(shù)參數(shù)，齒形的精度及表面的粗糙度能否達(dá)到要求，合理的加工工藝是關(guān)鍵。同時(shí)由于塑件成型收縮變量的影響，斜齒輪型腔加工后必須經(jīng)一定的小批量試樣。各技術(shù)參數(shù)經(jīng)檢測(cè)符合要求時(shí)才能按確認(rèn)的加工工藝來(lái)制造齒輪型腔。

本模具的斜齒輪型腔的加工先后采用了兩種加工工藝方式。一是慢走絲線切割后再經(jīng)磨料擠壓研磨、拋光；另一種是粗、精加工都采用電火花成形后再經(jīng)磨料流擠壓研磨、電拋光。

（1）采用電火花加工齒輪型腔，其精度取決于電極的加工方式。根據(jù)齒輪型腔及所選擇電火花加工設(shè)備的成型參數(shù)設(shè)計(jì)出的斜齒輪電極是非標(biāo)準(zhǔn)的，所以按此非標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)齒輪滾刀加工斜齒輪電極。為使粗、精電極齒形螺旋角的初始位置一致，應(yīng)在兩電極中加工一個(gè)統(tǒng)一基準(zhǔn)的組裝工藝孔，使其組合成一體一次滾切成形。

（2）數(shù)控電火花加工設(shè)備上的數(shù)控功能可實(shí)現(xiàn)在垂直升降和旋轉(zhuǎn)（Z軸）的同時(shí)選擇平動(dòng)量。因此，數(shù)控電火花加工時(shí)的放電間隙、電極的上、下移動(dòng)、電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式、電極的平動(dòng)量等也必須經(jīng)多次試模修正確認(rèn)后的參數(shù)進(jìn)行齒輪型腔的電火花加工。

（3）線切割、電火花加工后應(yīng)預(yù)留的研磨量是不同的，這也應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。斜齒輪型腔采用擠壓珩磨機(jī)研磨、拋光的加工方法是在加工其他復(fù)雜型腔的基礎(chǔ)上移用過(guò)來(lái)的。一般高精度的慢走絲線切割及電火花加工后的型腔表面粗糙度值Ra3.2～1.6μm，經(jīng)研磨、拋光后可達(dá)Ra0.4μm。塑料斜齒輪模具的設(shè)計(jì)與制造綜合了齒輪加工、精密模具制造與塑料注射成型工藝等多方面的技術(shù)。因而要獲得理想的、符合質(zhì)量要求的塑料斜齒輪必需經(jīng)試?！拚嚹！傩拚僭嚹＃罱K達(dá)到加工出合格制品的目的。