馬如遠

(嘉興南湖學院，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在于斜齒輪塑件斜齒的脫模，對于此類斜齒一般使用斜齒成型件自潤滑旋轉(zhuǎn)抽芯方式進行脫模[1–3]。而對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現(xiàn)雙層異向斜齒的自動脫模，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)計上尋找新方法來解決此難題[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塑件同腔注射成型的要求，設(shè)計了一副一模兩腔改進型三板模具，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 所示的兩個塑件是船用儀表指示器中的兩個塑料斜齒輪零件，其中第一個是雙聯(lián)斜齒輪，第二個是單斜齒輪。第一個雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒輪與第二個單斜齒輪為嚙合關(guān)系。兩個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

本例的兩個斜齒輪中，就第一個雙聯(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，塑件脫模后將會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)殘余內(nèi)應力，該殘余應力須得到有效消除；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行脫模。就第二個單斜齒輪而言，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)應力也比較小，但模具結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要解決該塑件斜齒的脫模問題。

由于兩個斜齒輪為配合組件，也是精密傳動件，注塑生產(chǎn)時，為保證兩者傳動嚙合精度、強度相當且具有相同的使用壽命，兩者必須使用相同的材料，同時最好采用同模注塑。為保證斜齒成型精度，設(shè)計模腔時，針對上斜齒輪、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)計方案

兩個斜齒輪的同模注塑成型件設(shè)計方案由圖2所示兩個方案組成。圖2a為第一個雙聯(lián)斜齒輪成型件設(shè)計方案。為減小雙聯(lián)斜齒輪中上、下斜齒輪的收縮差異，使用3個點澆口對該斜齒輪模腔進行澆注。斜齒輪的脫模，一般采用斜齒成型件轉(zhuǎn)動+軸向滑動的抽芯方式進行抽芯脫模，但針對本雙聯(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、下兩個轉(zhuǎn)動的斜齒成型件進行成型和脫模。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，這兩個斜齒輪型腔可以繞雙聯(lián)斜齒輪中心線轉(zhuǎn)動。

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流道鑲件，該流道鑲件的作用有三點：第一是成型上斜齒輪端面；第二是在上斜齒輪型腔轉(zhuǎn)動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；第三是便于雙聯(lián)斜齒輪模腔點澆口澆注系統(tǒng)所需3條垂直流道和3個點澆口的開設(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：一是參與下斜齒輪下端面的成型，二是推動雙聯(lián)斜齒輪塑件從下斜齒輪型腔中脫模。通過上述設(shè)置，雙聯(lián)斜齒輪的成型可以按下述方式實現(xiàn)：第一，模腔使用3點點澆口澆注，塑件脫模時，點澆口可以與塑件自動分離；第二，上斜齒輪型腔可以轉(zhuǎn)動，因而在分型面A打開時，通過上斜齒輪型腔的轉(zhuǎn)動，雙聯(lián)斜齒輪的上斜齒可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動抽芯脫模；第三，通過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)動進而實現(xiàn)下斜齒輪斜齒的轉(zhuǎn)動抽芯脫模，同時，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)計方案。針對該單斜齒輪，使用2個點澆口進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，在單斜齒輪塑件斜齒的驅(qū)動下，單斜齒輪下型腔能繞單斜齒輪中心孔的中心線轉(zhuǎn)動。通過上述設(shè)置，單斜齒輪塑件的成型可以通過以下兩點實現(xiàn)：第一，兩點點澆口澆注；第二，在分型面B打開后，通過單斜齒輪推管將塑件從第二中心型芯上頂出而實現(xiàn)塑件中心孔內(nèi)壁的頂出脫模，同時，隨著單斜齒輪塑件的頂出，其外周的斜齒將推動單斜齒下型腔轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)斜齒的旋轉(zhuǎn)抽芯脫模。

綜合兩個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)動下轉(zhuǎn)動，才能實現(xiàn)兩個塑件的自動脫模。

3 模具總體結(jié)構(gòu)和動作設(shè)計

3.1 模具整體方案

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

圖3 改進型三板模結(jié)構(gòu)

3.2 模架結(jié)構(gòu)改進

在通用型三板模架的基礎(chǔ)上針對模具模架增加了兩塊模板，一塊是流道板5，一塊是動模墊板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(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，進而保證上斜齒輪型腔3能自由轉(zhuǎn)動。增加動模墊板11的作用是便于下斜齒輪型腔12套裝三個滾珠軸承9后在動模板10內(nèi)安裝。

經(jīng)此改進，模架能滿足雙聯(lián)斜齒輪和單斜齒輪兩個塑件同模注塑的動作要求，動作分析如下：模具的K1面打開時，能同步實現(xiàn)兩個模腔流道廢料與塑件的分離；K2面打開時，流道廢料能被刮料板4從拉料桿1上推出而脫模；K3面打開時，流道板5能將流道鑲件2從上斜齒輪型腔3內(nèi)抽出；K4面打開時，雙聯(lián)斜齒輪塑件和單斜齒輪塑件跟隨模具動模下行，雙聯(lián)斜齒輪塑件上斜齒輪的斜齒將驅(qū)動上斜齒輪型腔3轉(zhuǎn)動而與之分離，單斜齒輪塑件與單斜齒輪上型腔24則直接分離；K4面打開后，推板18可以推動下斜齒輪推管13和單斜齒輪推管19同步上行，從而推動兩個斜齒輪塑件上行，兩個斜齒輪塑件的斜齒將分別驅(qū)動下斜齒輪型腔12和單斜齒輪下型腔23轉(zhuǎn)動而逐步與塑件分離。

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，P3三個點澆口進行澆注，單斜齒輪模腔使用P4，P5兩個點澆口進行澆注。對于為兩個模腔供料的“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澆口。

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計

3.4 模腔機構(gòu)零件裝配設(shè)計

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)計是保證塑件能實現(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行控制而獲得，而模腔成型零件之間的裝配間隙設(shè)計需要從兩個方面進行考慮，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 模腔機構(gòu)零件裝配設(shè)計

(1)雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔各零件定位設(shè)計與間隙控制。

圖5 a為雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔各零件的定位設(shè)計。為保證上斜齒輪和下斜齒輪兩個齒輪中心的同軸度，模腔處于閉合狀態(tài)時，流道鑲件2和第一中心型芯14的中心采用錐臺T1進行定位，流道鑲件2與上斜齒輪型腔3采用錐臺Z1進行定位，上斜齒輪型腔3與下斜齒輪型腔12采用錐臺Z2進行定位，下斜齒輪型腔12與第一中心型芯14通過調(diào)整下斜齒輪推管13的徑向公差來進行定位，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，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 保證成型零件運動的可靠性，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，為保證相對運動零件的運動靈活性，間隙δ11的配合長度d1=12 mm，避空長度d2=18 mm。

(2)單斜齒輪塑件模腔各零件定位設(shè)計與間隙控制。

圖5 b為單斜齒輪塑件模腔各零件的定位設(shè)計。為保證同軸度，模腔處于閉合狀態(tài)時，單斜齒輪上型腔24與第二中心型芯20采用錐臺T2進行定位，單斜齒輪上型腔24與單斜齒輪下型腔23采用錐臺Z3進行定位，單斜齒輪下型腔23與第二中心型芯20通過調(diào)整單斜齒輪推管19的徑向公差來進行定位，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，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運動的可靠性，δ22=0.5 mm；另外，為保證相對運動零件的運動靈活性，間隙δ19的配合長度d3=12 mm，避空長度d4=18 mm。

(3)排氣間隙控制。

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

(4)機構(gòu)件間隙控制與零件選材。

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

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)下零件間動態(tài)間隙在設(shè)計控制的范圍內(nèi)，本模具中，針對兩個模腔，從兩個方面控制熱膨脹：第一，針對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，雖然各成型件上無法開設(shè)冷卻水路，但通過在模板上增設(shè)水路用于加強冷卻[13–16]。

為減少零件磨損帶來的變化，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確性。

3.5 模具開模控制機構(gòu)件設(shè)計

圖6 為模具開閉順序控制機構(gòu)件。圖6中，模具的開模順序為K1→K2→K3→K4，閉模順序為K4→K3→K1→K2。要實現(xiàn)這個開閉模順序，使用了如圖6所示的件26、件27、件28、件29、件30進行控制，這些機構(gòu)件為常用型三板?？刂茩C構(gòu)件，其控制動作原理此處不再展開論述。

圖6 模具開閉順序控制機構(gòu)件

4 結(jié)語

(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)計中，首先以雙聯(lián)斜齒輪的成型設(shè)計方案為中心，針對雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔的澆注、上/下斜齒輪的脫模而展開模腔結(jié)構(gòu)設(shè)計及模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計；在優(yōu)先實現(xiàn)雙聯(lián)斜齒輪模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下，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次開模三板模模具。

(2)針對兩個塑件模腔的澆注，都使用點澆口進行澆注，雙聯(lián)斜齒輪塑件模腔使用三點點澆口澆注，單斜齒輪模腔使用兩點點澆口澆注，保證了塑件成型后內(nèi)應力趨小化。

(3)針對雙聯(lián)斜齒輪塑件的脫模，采用成型件旋轉(zhuǎn)的方式進行脫模。塑件上斜齒輪斜齒的脫模由上斜齒成型件的被動轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)；下斜齒輪斜齒的脫模由推管推動塑件頂出時下斜齒成型件的被動轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)。單斜齒輪的脫模與下斜齒輪斜齒脫模方法相同。