馬如遠(yuǎn)

(嘉興南湖學(xué)院，浙江嘉興 314001)

在精密斜齒輪塑件的注射成型中，單一斜齒輪塑件的成型難點(diǎn)在于斜齒輪塑件斜齒的脫模，對(duì)于此類(lèi)斜齒一般使用斜齒成型件自潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)抽芯方式進(jìn)行脫模[1–3]。而對(duì)于具有雙層異向斜齒輪的雙聯(lián)斜齒輪塑件，采用常規(guī)的單層斜齒脫模方法難以實(shí)現(xiàn)雙層異向斜齒的自動(dòng)脫模，需要從模腔結(jié)構(gòu)、斜齒脫模方式及模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上尋找新方法來(lái)解決此難題[4–7]。

筆者結(jié)合某船用儀表塑件中雙聯(lián)斜齒輪和單斜齒輪兩個(gè)塑件同腔注射成型的要求，設(shè)計(jì)了一副一模兩腔改進(jìn)型三板模具，為解決雙層異向斜齒的脫模難題提供借鑒。

1 斜齒輪產(chǎn)品分析

圖1 所示的兩個(gè)塑件是船用儀表指示器中的兩個(gè)塑料斜齒輪零件，其中第一個(gè)是雙聯(lián)斜齒輪，第二個(gè)是單斜齒輪。第一個(gè)雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒輪與第二個(gè)單斜齒輪為嚙合關(guān)系。兩個(gè)斜齒輪塑件尺寸精度要求為MT3，兩者材料均選用PC+ABS，材料收縮率為0.53%～0.59%。

圖1 斜齒輪塑件

本例的兩個(gè)斜齒輪中，就第一個(gè)雙聯(lián)斜齒輪而言，其由上斜齒輪和下斜齒輪組合而成，故該塑件的成型需要克服兩個(gè)難題：①由于上、下斜齒輪的外徑尺寸不同，塑件在注塑冷卻后，上、下斜齒輪的收縮量不同，塑件脫模后將會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)殘余內(nèi)應(yīng)力，該殘余應(yīng)力須得到有效消除；②上斜齒輪和下斜齒輪的斜齒方向不同，兩者的斜齒從模具中脫出的方向不同，塑件難以從模具中一次性取出，需要采用分次脫模的辦法進(jìn)行脫模。就第二個(gè)單斜齒輪而言，其成型難度比雙聯(lián)斜齒輪成型難度小，成型后塑件的結(jié)構(gòu)殘余內(nèi)應(yīng)力也比較小，但模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要解決該塑件斜齒的脫模問(wèn)題。

由于兩個(gè)斜齒輪為配合組件，也是精密傳動(dòng)件，注塑生產(chǎn)時(shí)，為保證兩者傳動(dòng)嚙合精度、強(qiáng)度相當(dāng)且具有相同的使用壽命，兩者必須使用相同的材料，同時(shí)最好采用同模注塑。為保證斜齒成型精度，設(shè)計(jì)模腔時(shí)，針對(duì)上斜齒輪、下斜齒輪、單斜齒輪須設(shè)置不同的收縮率，分別為0.58%，0.51%，0.54%。

2 成型件設(shè)計(jì)方案

兩個(gè)斜齒輪的同模注塑成型件設(shè)計(jì)方案由圖2所示兩個(gè)方案組成。圖2a為第一個(gè)雙聯(lián)斜齒輪成型件設(shè)計(jì)方案。為減小雙聯(lián)斜齒輪中上、下斜齒輪的收縮差異，使用3個(gè)點(diǎn)澆口對(duì)該斜齒輪模腔進(jìn)行澆注。斜齒輪的脫模，一般采用斜齒成型件轉(zhuǎn)動(dòng)+軸向滑動(dòng)的抽芯方式進(jìn)行抽芯脫模，但針對(duì)本雙聯(lián)斜齒輪而言，由于上、下斜齒輪的斜齒方向不同，因而需要設(shè)置上、下兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的斜齒成型件進(jìn)行成型和脫模。因此在圖2a中，設(shè)置了上斜齒輪型腔用于成型雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒輪斜齒，設(shè)置了下斜齒輪型腔用于成型雙聯(lián)斜齒輪的下斜齒輪斜齒，這兩個(gè)斜齒輪型腔可以繞雙聯(lián)斜齒輪中心線轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 塑件成型方案

為便于雙聯(lián)斜齒輪模腔的澆注，上斜齒輪的上端面使用一個(gè)流道鑲件，該流道鑲件的作用有三點(diǎn)：第一是成型上斜齒輪端面；第二是在上斜齒輪型腔轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯前流道鑲件必須先抽芯，以避免其阻礙上斜齒輪型腔轉(zhuǎn)動(dòng)；第三是便于雙聯(lián)斜齒輪模腔點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)所需3條垂直流道和3個(gè)點(diǎn)澆口的開(kāi)設(shè)。雙聯(lián)斜齒輪模腔的分型面A設(shè)置在上斜齒輪的下端面所在平面，在此分型設(shè)置下，雙聯(lián)斜齒輪的中心孔使用第一中心型芯進(jìn)行成型。第一中心型芯的外圓上套裝一根下斜齒輪推管，該推管的作用有兩個(gè)：一是參與下斜齒輪下端面的成型，二是推動(dòng)雙聯(lián)斜齒輪塑件從下斜齒輪型腔中脫模。通過(guò)上述設(shè)置，雙聯(lián)斜齒輪的成型可以按下述方式實(shí)現(xiàn)：第一，模腔使用3點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注，塑件脫模時(shí)，點(diǎn)澆口可以與塑件自動(dòng)分離；第二，上斜齒輪型腔可以轉(zhuǎn)動(dòng)，因而在分型面A打開(kāi)時(shí)，通過(guò)上斜齒輪型腔的轉(zhuǎn)動(dòng)，雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯脫模；第三，通過(guò)下斜齒輪推管的向上頂出，在雙聯(lián)斜齒輪塑件斜齒輪斜齒的驅(qū)動(dòng)下，雙聯(lián)斜齒輪的下斜齒輪型腔能繞雙聯(lián)斜齒輪塑件中心孔的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)下斜齒輪斜齒的轉(zhuǎn)動(dòng)抽芯脫模，同時(shí)，雙聯(lián)斜齒輪塑件的中心孔內(nèi)壁與第一中心型芯分離從而實(shí)現(xiàn)該塑件的完全脫模。

圖2 b為單斜齒輪的成型件設(shè)計(jì)方案。針對(duì)該單斜齒輪，使用2個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注即能滿足其成型要求。單斜齒輪的脫模也采用旋轉(zhuǎn)抽芯的辦法實(shí)施脫模。圖2b中單斜齒輪塑件的成型件中，單斜齒輪上型腔用于成型單斜齒輪的上端面，單斜齒輪下型腔用于成型外周斜齒，第二中心型芯用于成型單斜齒輪中心孔，單斜齒輪推管用于成型單斜齒輪的下端。單斜齒輪推管可將塑件從單斜齒輪下型腔內(nèi)頂出，頂出時(shí)，在單斜齒輪塑件斜齒的驅(qū)動(dòng)下，單斜齒輪下型腔能繞單斜齒輪中心孔的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)上述設(shè)置，單斜齒輪塑件的成型可以通過(guò)以下兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)：第一，兩點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注；第二，在分型面B打開(kāi)后，通過(guò)單斜齒輪推管將塑件從第二中心型芯上頂出而實(shí)現(xiàn)塑件中心孔內(nèi)壁的頂出脫模，同時(shí)，隨著單斜齒輪塑件的頂出，其外周的斜齒將推動(dòng)單斜齒下型腔轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)斜齒的旋轉(zhuǎn)抽芯脫模。

綜合兩個(gè)斜齒輪塑件的脫模情況可以看出，兩者斜齒的脫模都要使斜齒成型件在塑件斜齒的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)塑件的自動(dòng)脫模。

3 模具總體結(jié)構(gòu)和動(dòng)作設(shè)計(jì)

3.1 模具整體方案

綜合前述兩個(gè)塑件的成型件設(shè)計(jì)方案，兩個(gè)塑件同模注塑模具結(jié)構(gòu)采用如圖3所示的四次開(kāi)模三板模結(jié)構(gòu)。模具中，雙聯(lián)斜齒輪與單斜齒輪兩個(gè)塑件成型件的一個(gè)重要差別為：雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒輪型腔3需要轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證上斜齒輪型腔3的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，需要先將位于該成型件中心部位的流道鑲件2抽芯，因而導(dǎo)致兩個(gè)塑件成型所需的三板模具結(jié)構(gòu)稍有不同。針對(duì)單斜齒輪塑件的成型模具設(shè)計(jì)，采用通用型三次開(kāi)模三板模結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。但是，鑒于雙聯(lián)斜齒輪模腔流道鑲件2先抽芯的需要，為保證兩個(gè)塑件能同模注塑，顯然需要對(duì)常用的點(diǎn)澆口三次開(kāi)模三板模進(jìn)行改造，需要增加一次模板打開(kāi)動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)流道鑲件2完成先抽芯動(dòng)作。因而，模具的整體結(jié)構(gòu)使用如圖3所示的四次開(kāi)模三板模結(jié)構(gòu)，開(kāi)模面為K1，K2，K3，K4面。

圖3 改進(jìn)型三板模結(jié)構(gòu)

3.2 模架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在通用型三板模架的基礎(chǔ)上針對(duì)模具模架增加了兩塊模板，一塊是流道板5，一塊是動(dòng)模墊板11。增加流道板5的作用是使流道板5與定模板7之間有一次分離打開(kāi)(K3面)，從而，使安裝在流道板5上的流道鑲件2與安裝在定模板7內(nèi)的上斜齒輪型腔3之間能分離，進(jìn)而保證上斜齒輪型腔3能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。增加動(dòng)模墊板11的作用是便于下斜齒輪型腔12套裝三個(gè)滾珠軸承9后在動(dòng)模板10內(nèi)安裝。

經(jīng)此改進(jìn)，模架能滿足雙聯(lián)斜齒輪和單斜齒輪兩個(gè)塑件同模注塑的動(dòng)作要求，動(dòng)作分析如下：模具的K1面打開(kāi)時(shí)，能同步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模腔流道廢料與塑件的分離；K2面打開(kāi)時(shí)，流道廢料能被刮料板4從拉料桿1上推出而脫模；K3面打開(kāi)時(shí)，流道板5能將流道鑲件2從上斜齒輪型腔3內(nèi)抽出；K4面打開(kāi)時(shí)，雙聯(lián)斜齒輪塑件和單斜齒輪塑件跟隨模具動(dòng)模下行，雙聯(lián)斜齒輪塑件上斜齒輪的斜齒將驅(qū)動(dòng)上斜齒輪型腔3轉(zhuǎn)動(dòng)而與之分離，單斜齒輪塑件與單斜齒輪上型腔24則直接分離；K4面打開(kāi)后，推板18可以推動(dòng)下斜齒輪推管13和單斜齒輪推管19同步上行，從而推動(dòng)兩個(gè)斜齒輪塑件上行，兩個(gè)斜齒輪塑件的斜齒將分別驅(qū)動(dòng)下斜齒輪型腔12和單斜齒輪下型腔23轉(zhuǎn)動(dòng)而逐步與塑件分離。

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)置

雙聯(lián)斜齒輪模腔使用如圖4中所示P1，P2，P3三個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注，單斜齒輪模腔使用P4，P5兩個(gè)點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注。對(duì)于為兩個(gè)模腔供料的“S”型水平流道末端及各分流道末端，必須設(shè)置冷料井，以防前鋒冷料堵死各點(diǎn)澆口。

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4 模腔機(jī)構(gòu)零件裝配設(shè)計(jì)

模腔成型零件的加工精度控制和模腔成型零件之間的裝配間隙設(shè)計(jì)是保證塑件能實(shí)現(xiàn)精密成型的關(guān)鍵[8–12]。模腔成型零件的加工精度由零件加工工藝進(jìn)行控制而獲得，而模腔成型零件之間的裝配間隙設(shè)計(jì)需要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，第一是各成型零件之間的定位，第二是各成型零件之間間隙控制。如圖5所示，各成型零件之間的定位及間隙控制分別如下所述。

圖5 模腔機(jī)構(gòu)零件裝配設(shè)計(jì)

(1)雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔各零件定位設(shè)計(jì)與間隙控制。

圖5 a為雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔各零件的定位設(shè)計(jì)。為保證上斜齒輪和下斜齒輪兩個(gè)齒輪中心的同軸度，模腔處于閉合狀態(tài)時(shí)，流道鑲件2和第一中心型芯14的中心采用錐臺(tái)T1進(jìn)行定位，流道鑲件2與上斜齒輪型腔3采用錐臺(tái)Z1進(jìn)行定位，上斜齒輪型腔3與下斜齒輪型腔12采用錐臺(tái)Z2進(jìn)行定位，下斜齒輪型腔12與第一中心型芯14通過(guò)調(diào)整下斜齒輪推管13的徑向公差來(lái)進(jìn)行定位，以上為雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔成型件之間的定位閉環(huán)鏈。如圖5a所示，裝配時(shí)，閉環(huán)鏈上各間隙控制為：δ3=1 mm，δ4=0 mm，δ5=0 mm，δ7=0.015 mm，δ8=0 mm，δ9=0.5 mm，δ10=0.015 mm，δ11=0.015 mm；為 保證成型零件運(yùn)動(dòng)的可靠性，零件間的間隙設(shè)置為：δ1=1 mm，δ2=0.5 mm，δ6=0.5 mm，δ12=0.5 mm，δ13=0.5 mm；另外，為保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)靈活性，間隙δ11的配合長(zhǎng)度d1=12 mm，避空長(zhǎng)度d2=18 mm。

(2)單斜齒輪塑件模腔各零件定位設(shè)計(jì)與間隙控制。

圖5 b為單斜齒輪塑件模腔各零件的定位設(shè)計(jì)。為保證同軸度，模腔處于閉合狀態(tài)時(shí)，單斜齒輪上型腔24與第二中心型芯20采用錐臺(tái)T2進(jìn)行定位，單斜齒輪上型腔24與單斜齒輪下型腔23采用錐臺(tái)Z3進(jìn)行定位，單斜齒輪下型腔23與第二中心型芯20通過(guò)調(diào)整單斜齒輪推管19的徑向公差來(lái)進(jìn)行定位，以上為單斜齒輪塑件模腔成型件之間的定位閉環(huán)鏈。裝配時(shí)，閉環(huán)鏈上各間隙控制為：δ14=1 mm，δ15=0 mm，δ16=0.015 mm，δ17=0 mm，δ18=0.5 mm，δ19=0.015 mm，δ20=0.015 mm，δ21=0.5 mm；為保證單斜齒輪下型腔23運(yùn)動(dòng)的可靠性，δ22=0.5 mm；另外，為保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)靈活性，間隙δ19的配合長(zhǎng)度d3=12 mm，避空長(zhǎng)度d4=18 mm。

(3)排氣間隙控制。

錐臺(tái)Z1、錐臺(tái)Z2、錐臺(tái)Z3配合面上均須開(kāi)設(shè)排氣槽，排氣槽深度0.01 mm。分型面A、分型面B須開(kāi)設(shè)排氣槽，排氣槽深度0.01 mm。

(4)機(jī)構(gòu)件間隙控制與零件選材。

機(jī)構(gòu)零件之間的間隙控制是本模具能夠成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)鍵之一。模腔成型零件間隙的動(dòng)態(tài)變化與兩個(gè)因素相關(guān)，第一是零件材料的熱膨脹，第二個(gè)是零件的磨損。

模腔成型零件的熱膨脹影響到零件裝配間隙的變化，為保證工作狀態(tài)下零件間動(dòng)態(tài)間隙在設(shè)計(jì)控制的范圍內(nèi)，本模具中，針對(duì)兩個(gè)模腔，從兩個(gè)方面控制熱膨脹：第一，針對(duì)模腔的成型件使用同種材料保證熱脹冷縮的一致性，零件材料均選用738H制作，硬度為HRC42；第二，雖然各成型件上無(wú)法開(kāi)設(shè)冷卻水路，但通過(guò)在模板上增設(shè)水路用于加強(qiáng)冷卻[13–16]。

為減少零件磨損帶來(lái)的變化，間隙δ3，δ5，δ7，δ8，δ10，δ11，δ15，δ16，δ17，δ19，δ20的碰合面處須做表面硬化處理，表面硬度HRC48～52。

(5)軸承選擇。

軸承8，9，21選用圓錐滾子軸承，以保證上斜齒輪型腔3、下斜齒輪型腔12、單斜齒輪下型腔23軸向和周向定位的準(zhǔn)確性。

3.5 模具開(kāi)?？刂茩C(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)

圖6 為模具開(kāi)閉順序控制機(jī)構(gòu)件。圖6中，模具的開(kāi)模順序?yàn)镵1→K2→K3→K4，閉模順序?yàn)镵4→K3→K1→K2。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)開(kāi)閉模順序，使用了如圖6所示的件26、件27、件28、件29、件30進(jìn)行控制，這些機(jī)構(gòu)件為常用型三板?？刂茩C(jī)構(gòu)件，其控制動(dòng)作原理此處不再展開(kāi)論述。

圖6 模具開(kāi)閉順序控制機(jī)構(gòu)件

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在雙聯(lián)斜齒輪和單斜齒輪同模注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先以雙聯(lián)斜齒輪的成型設(shè)計(jì)方案為中心，針對(duì)雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔的澆注、上/下斜齒輪的脫模而展開(kāi)模腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在優(yōu)先實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)斜齒輪模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，將單斜齒輪塑件的結(jié)構(gòu)融入雙聯(lián)斜齒輪塑件模具結(jié)構(gòu)中，所形成的模具結(jié)構(gòu)為一模兩腔、4次開(kāi)模三板模模具。

(2)針對(duì)兩個(gè)塑件模腔的澆注，都使用點(diǎn)澆口進(jìn)行澆注，雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔使用三點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注，單斜齒輪模腔使用兩點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注，保證了塑件成型后內(nèi)應(yīng)力趨小化。

(3)針對(duì)雙聯(lián)斜齒輪塑件的脫模，采用成型件旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行脫模。塑件上斜齒輪斜齒的脫模由上斜齒成型件的被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)；下斜齒輪斜齒的脫模由推管推動(dòng)塑件頂出時(shí)下斜齒成型件的被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。單斜齒輪的脫模與下斜齒輪斜齒脫模方法相同。