李回庭，趙桂花

(東莞市機電工程學(xué)校， 廣東 東莞 523846)

0 引言

模具設(shè)計工程師經(jīng)常會遇到一些帶螺紋特征的產(chǎn)品，對于這類模具的設(shè)計，需要運用一些復(fù)雜的機械原理。通常設(shè)計的機構(gòu)，比如滑塊、斜頂機構(gòu)，都是做直線運動，模具結(jié)構(gòu)相對簡單。但是有彎管、螺紋特征的產(chǎn)品，都會做旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)加直線運動，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造維護成本較高[1]。本文作者經(jīng)過長期的實踐，摸索出一套螺紋模具，巧用凸輪、滑塊定位機構(gòu)實現(xiàn)精確脫模，能簡化模具結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)精度及模具穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品報廢率，節(jié)省成本，從而提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競爭力及經(jīng)濟效益。

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,材料為食用聚丙烯(polypropylene, PP)。要求一模四腔，有較高的耐沖擊性，機械性質(zhì)強韌[2]，3D外觀和剖面圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 保溫杯蓋外觀圖

圖2 保溫杯蓋剖面圖

從產(chǎn)品外形及結(jié)構(gòu)上分析： 外形有兩處滑塊倒扣，后模有一圈牙需要自動脫螺紋。

因為產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的原因，牙的起始位置對每一次生產(chǎn)出來的螺紋都要在同一位置，以保證杯蓋扭緊后與杯身手柄對齊。

因日用品市場需求很大，模具使用壽命要求在10年以上。所以模具設(shè)計針對螺紋制品牙的起始位置，要求相同的結(jié)構(gòu)有牙套退牙機構(gòu)(見圖3)。但是牙套與螺紋軸摩擦容易磨損，導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率高，生產(chǎn)約5萬次就需要下機修模，更換牙套，這樣既影響生產(chǎn)效率，又浪費成本。本套模具，客戶要求不使用牙套退牙，而要利用產(chǎn)品本身的液壓馬達推板邊頂邊退牙，自動生產(chǎn)[3]。這樣生產(chǎn)穩(wěn)定，不用經(jīng)常從注塑機卸模、修模，保證了生產(chǎn)進度，節(jié)省了因模具維修消耗的時間和材料。但是液壓馬達推板退牙結(jié)構(gòu)是液壓馬達驅(qū)動的，不能保證馬達每次都轉(zhuǎn)同樣的圈數(shù)，每一次不一樣的角度使產(chǎn)品的起始牙都不在同一位置，產(chǎn)品容易報廢。因此需要增加定位機構(gòu)來解決這一問題。如果螺紋軸定位都旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈，則有很多方案可以參考，但很多模具脫模圈數(shù)不是整數(shù)圈，這給設(shè)計帶來一定難度。下面對螺紋起始牙定位方案進行分析比較。

圖3 牙套退牙結(jié)構(gòu)

2 螺紋起始牙定位方案

1) 齒條的往復(fù)直線運動就可以實現(xiàn)起始牙定位[4]。但是如果產(chǎn)品牙的圈數(shù)太多，則齒條油缸太長，模具與齒條不成比例，模具整體不美觀，同時也需要增加很多加速輪組來減短齒條行程，這樣模具非常復(fù)雜，也很容易斷齒。即便這樣,齒條油缸還是很長，所以這種結(jié)構(gòu)并不理想。

2) 步進電機也可以準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度，但步進電機扭矩太小，成本相對較高[5]。

3) 用液壓馬達驅(qū)動凸輪滑塊定位機構(gòu)定位，也就是可以不計圈數(shù)地正轉(zhuǎn)，但反轉(zhuǎn)最多只能轉(zhuǎn)一圈就會停止。

以上3種定位方法都能解決往復(fù)直線運動產(chǎn)品的定位，但是對于有彎管、螺紋特征的產(chǎn)品，需要旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)加直線運動來實現(xiàn)定位脫模，這3種方法顯然無法實現(xiàn)順利脫模[6]。但如果設(shè)計成凸輪滑塊機構(gòu)，就可以很好解決螺紋模具脫模不是整數(shù)圈問題。凸輪滑塊定位原理： 齒輪向模具需要的方向旋轉(zhuǎn)，漸開線慢慢壓縮滑塊彈簧使滑塊直線運動，從而實現(xiàn)無障礙旋轉(zhuǎn)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時最多一圈就會被滑塊擋住，保證每次都在同一位置，為了防止齒輪損壞滑塊，要求生產(chǎn)時，注塑機參數(shù)設(shè)定馬達反轉(zhuǎn)時壓力不要太大、時間不能太長，以免長時間生產(chǎn)損壞滑塊。現(xiàn)巧用凸輪定位機構(gòu)進行螺紋模具設(shè)計，包含凸輪結(jié)合滑塊定位機構(gòu)設(shè)計，液壓馬達驅(qū)動、凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)設(shè)計，液壓馬達推板脫牙機構(gòu)設(shè)計，定位凸輪設(shè)計注意事項4個部分。

3 凸輪結(jié)合滑塊定位機構(gòu)設(shè)計

凸輪結(jié)合滑塊定位機構(gòu)設(shè)計如圖4所示，機構(gòu)處于自由狀態(tài)，由齒輪、漸開線凸輪、滑塊組件、彈簧組成。將凸輪與漸開線齒輪疊加安裝，安裝要求同軸度小于0.06 mm，齒輪逆時針轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動頂桿向右移動，滑塊壓縮彈簧帶動模具實現(xiàn)脫模，利用凸輪定位機構(gòu)可以精確地控制脫模速度和長度，可以解決螺紋脫模不是整數(shù)圈問題。

圖4 凸輪、滑塊定位機構(gòu)

4 液壓馬達驅(qū)動、凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓馬達驅(qū)動，凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)如圖5所示，一模四腔，主動輪通過液壓馬達驅(qū)動，驅(qū)動兩個惰輪，保持方向與主動輪一致。然后驅(qū)動滑塊結(jié)構(gòu)、凸輪機構(gòu)運動。

圖5 液壓馬達驅(qū)動，凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)

5 液壓馬達推板脫牙機構(gòu)設(shè)計

液壓馬達推板脫牙機構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體設(shè)計零件組成及標(biāo)注如圖7所示。

圖6 液壓馬達推板脫牙結(jié)構(gòu)圖

由圖7可知： 推板脫牙機構(gòu)由滑塊1、滑塊2、后模、限位螺絲、推板、彈簧、圓錐滾子軸承、齒輪、螺紋軸、后模鑲件組成。

圖7 液壓馬達推板牙機構(gòu)設(shè)計

液壓馬達推板脫牙結(jié)構(gòu)動作原理為： 開模后，滑塊側(cè)向打開，液壓馬達轉(zhuǎn)動帶動齒輪螺紋軸原地旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)品在牙及推板(彈簧)的作用下只能向上移動，慢慢與螺紋軸及后模分離，直到全部牙脫離螺紋軸限螺位，螺絲限位，使推板不能向上彈，機械手取產(chǎn)品完成整個動作。要求彈簧力度大小要合適，力度大了會破壞產(chǎn)品牙型形狀；小了彈不動推板，因此要設(shè)計成可調(diào)節(jié)長度的彈簧，并且可以根據(jù)彈簧力的大小，由小到大調(diào)試模具。

6 定位凸輪設(shè)計注意事項

1) 定位凸輪無論模具出多少腔，都只需要一個定位，因為螺紋軸上的齒輪都是同步的，可以保證脫模方向和脫模速度一致。

2) 定位凸輪最好放在螺紋軸齒輪上，這樣就不用考慮傳動比問題[7]。如果定位凸輪只能放在中間惰輪或主動輪上，則要把惰輪的齒數(shù)設(shè)計成跟螺紋軸上的齒輪齒數(shù)一樣，以保證傳動比(1∶1)，惰輪與螺紋軸上的齒輪才能同步。定位凸輪放在螺紋軸齒輪也是本設(shè)計的獨特之處。

7 凸輪定位機構(gòu)在螺紋模具設(shè)計的試模效果

使用本設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計，分別注塑加工50件零件，試模效果如表1所示。

表1 本設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計試模效果比較

8 結(jié)論

采用液壓馬達推板自動退牙加上凸輪滑塊定位機構(gòu)，簡化了模具結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性，從而降低了生產(chǎn)成本。本設(shè)計操作簡便，降低了廢品率，為其他類似螺紋產(chǎn)品模具設(shè)計提供了參考。