機(jī)器人關(guān)節(jié)軸螺紋自動(dòng)脫模注塑模設(shè)計(jì)

張維合

(廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083)

機(jī)器人關(guān)節(jié)軸螺紋自動(dòng)脫模注塑模設(shè)計(jì)

張維合

(廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083)

給出了機(jī)器人關(guān)節(jié)軸液壓油缸自動(dòng)脫螺紋的注射模具詳細(xì)結(jié)構(gòu)，該模具采用點(diǎn)澆口轉(zhuǎn)側(cè)澆口澆注系統(tǒng)，通過(guò)采用“液壓油缸+齒條+齒輪”的組合傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)螺紋自動(dòng)脫模，通過(guò)采用斜滑塊內(nèi)側(cè)抽芯和外側(cè)抽芯實(shí)現(xiàn)成型塑料件的側(cè)向抽芯。通過(guò)采用小拉桿、彈簧和限位螺釘?shù)膬?nèi)置定距分型機(jī)構(gòu)保證模具的開模順序和開模距離。模具在定模板、動(dòng)模板和斜滑塊上均設(shè)計(jì)了冷卻水道。模具成型零件均采用活動(dòng)式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)采用12支導(dǎo)柱，成型塑料件最后由推板推出。模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)作繁多，投產(chǎn)后各機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，成型塑料件質(zhì)量穩(wěn)定。

機(jī)器人關(guān)節(jié)軸；注塑模；螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)；側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)；定距分型機(jī)構(gòu)

螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)是塑料注塑模具中最復(fù)雜的脫模機(jī)構(gòu)之一，它是通過(guò)螺紋型芯的轉(zhuǎn)動(dòng)而使塑料件脫離模具。因其適合各種螺紋牙型，生產(chǎn)效率高，且易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)而被廣泛使用。螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)很多，動(dòng)力來(lái)源包括液壓油缸、電動(dòng)馬達(dá)和注塑機(jī)開模的力量[1]。筆者設(shè)計(jì)了一副通過(guò)液壓油缸推動(dòng)齒條，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)螺紋型芯旋轉(zhuǎn)脫離塑料件的塑料注塑模具。

1 塑料件結(jié)構(gòu)分析

塑料件為某機(jī)器人關(guān)節(jié)軸，屬于叉架類零件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。塑料件所用材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，收縮率取0.5%[2]。塑料件外觀要求高，不允許有推桿痕跡，塑料件內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，脫模相當(dāng)困難，主要表現(xiàn)在兩處：(1)頭部?jī)?nèi)側(cè)有兩處?7.00 mm×2.50 mm的盲孔，側(cè)向抽芯困難；(2)尾部有一段M10的梯形螺紋孔，深度12 mm。

圖1 機(jī)器人關(guān)節(jié)軸零件圖

2 模具結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)產(chǎn)品訂單，客戶要求模具一模成型八件，模具結(jié)構(gòu)詳見圖2和圖3。塑料件尾部?jī)?nèi)螺紋孔采用螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，將其設(shè)置于動(dòng)模一側(cè)，型腔縱向布置。塑料件頭部?jī)?nèi)側(cè)兩盲孔采用定模內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。由于頭部較大，且曲面復(fù)雜，塑料件外形由哈夫斜滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)成型。模具采用點(diǎn)澆口轉(zhuǎn)側(cè)澆口的澆注系統(tǒng)，模架采用三板模模架。塑料熔體最后由兩哈夫滑塊之間進(jìn)入型腔。

圖2 機(jī)器人關(guān)節(jié)軸注塑模結(jié)構(gòu)圖

2.1 成型零件設(shè)計(jì)

鑒于塑料件的特殊結(jié)構(gòu)，型腔采用縱向布置的形式，成型零件包括兩個(gè)定模哈夫外斜滑塊26，定模內(nèi)斜滑塊2，5以及螺紋型芯30等零件(見圖2和圖3)。所有成型零件都是活動(dòng)的，故存在摩擦和磨損，為提高模具壽命，其材料全部采用瑞典一勝百公司的鋼材S136H，并做調(diào)質(zhì)處理[3]。

圖3 模具外側(cè)抽芯及螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)圖

2.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)是該模具最重要也是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，它主要包括兩部分：第一部分是內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)見圖2b，包括成型零件定模內(nèi)滑塊2，5，動(dòng)力零件斜導(dǎo)柱3，定位零件彈簧1，以及集導(dǎo)向、限位和鎖緊功能于一身的T型槽導(dǎo)向楔緊塊4等零件。第二部分是外側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，主要由成型零件定模哈夫外斜滑塊26、動(dòng)力零件彈簧23、導(dǎo)銷24、限位和導(dǎo)向零件導(dǎo)向限位擋塊27組成，兩塊定模哈夫外斜滑塊26對(duì)稱布置于成型塑料件的兩側(cè)面，成型塑料件的外表面(詳見圖3)。在側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)各參數(shù)中，最重要的是傾斜角度的設(shè)計(jì)，傾斜角度取決于垂直于開模方向的側(cè)向抽芯距離和平行于開模方向的運(yùn)動(dòng)距離[4]。由于側(cè)向抽芯距離較小，該模具外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)斜滑塊傾斜角度為10°，內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)斜滑塊傾斜角度為8°。

2.3 螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑料件尾部的M10的梯形螺紋孔不能強(qiáng)制脫模，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)必須保證螺紋型芯在塑料件脫離模具之前通過(guò)自身轉(zhuǎn)動(dòng)先行脫離塑料件[5]。在此過(guò)程中塑料件必須保證不轉(zhuǎn)動(dòng)，所以首先要解決塑料件的防轉(zhuǎn)問(wèn)題。機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的端面沒(méi)有止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，故只能采用外形止轉(zhuǎn)，而外形由定模斜滑塊成型，因此必須保證在開模之前就完成螺紋脫模。鑒于此，螺紋型芯在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中必須是一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊后退。為保證螺紋型芯后退平穩(wěn)可靠，模具設(shè)計(jì)了導(dǎo)向螺母37，導(dǎo)向螺母37螺紋的螺距和升角必須保證和塑料件螺紋完全一致[6]。

由于開模之前必須完成螺紋脫模，因此螺紋型芯轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源只有兩種選擇：一是液壓油缸，二是電動(dòng)馬達(dá)。經(jīng)與客戶商討，決定采用液壓油缸。液壓油缸安裝在模具外側(cè)面，通過(guò)齒條和齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到螺紋型芯。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)的核心，設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括齒條的運(yùn)動(dòng)距離、齒輪模數(shù)的確定、齒輪分度圓直徑的確定及齒數(shù)的確定等[7]。該模具齒輪的模數(shù)采用1.5 mm，再根據(jù)模具大小和型腔排位確定齒輪的齒數(shù)，齒輪的傳動(dòng)圖詳見圖2、圖3和圖4。齒條14 (或油缸活塞)的運(yùn)動(dòng)距離取決于塑料件上螺紋的圈數(shù)，機(jī)器人關(guān)節(jié)軸內(nèi)螺紋共6圈，螺紋型芯和齒條嚙合的齒輪是相同的，齒數(shù)都是15，模數(shù)都是1.5 mm，因此齒條的最小直線運(yùn)動(dòng)距離為：6×1.5×15=135 mm，加上安全系數(shù)，液壓油缸活塞行程取150 mm。最終確定選用奧佳靈液壓油缸HOB–FA?60–150L。

圖4 模具齒輪傳動(dòng)圖

2.4 脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上面設(shè)計(jì)的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)和自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)是塑料注塑模中最復(fù)雜、最特殊的脫模機(jī)構(gòu)，也是該模具脫模系統(tǒng)的一部分。當(dāng)塑料件外側(cè)凹和內(nèi)側(cè)凹完成側(cè)向抽芯以及內(nèi)螺紋完成脫模后，塑料件還在螺紋型芯30上，由于端面面積小，只能采用推板32推出成型塑料件。該模具沒(méi)有推件板，注塑機(jī)無(wú)法通過(guò)復(fù)位桿推動(dòng)推板。為此模具設(shè)計(jì)了4支?25 mm×210 mm的推桿48，注塑機(jī)頂棍推動(dòng)推桿48，推桿48推動(dòng)推板32，推板32將塑料件推離模具。

2.5 定距分型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于澆注系統(tǒng)是點(diǎn)澆口轉(zhuǎn)側(cè)澆口，流道凝料在定模內(nèi)必須自動(dòng)脫落，定模側(cè)需要2個(gè)分型面[8]。動(dòng)模側(cè)是推板脫模，也有一個(gè)分型面，加上動(dòng)、定模之間的分型面，該模具共有4個(gè)分型面。這4個(gè)分型面的開模順序及開模距離有嚴(yán)格的要求。為了控制各分型面的開模順序和開模距離，模具設(shè)計(jì)了內(nèi)置式定距分型機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括限位釘8和51，彈簧9和52，彈簧壓塊53以及小拉桿10(詳見圖2和圖3)。

2.6 導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該模具共有8塊模板，4個(gè)分型面，細(xì)長(zhǎng)的螺紋型芯30先后穿過(guò)5塊模板，為保證各活動(dòng)零件在工作過(guò)程中安全、穩(wěn)定和可靠，必須有堅(jiān)強(qiáng)可靠的導(dǎo)向定位系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)型的三板模通常只有8根導(dǎo)柱，包括4支短導(dǎo)柱22 (用于保證動(dòng)模和定模在開合過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和復(fù)位精度)，四支長(zhǎng)導(dǎo)柱49 (用于保證定模側(cè)各活動(dòng)模板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的精度)[9]。該模具在動(dòng)模側(cè)還增設(shè)了4支動(dòng)模導(dǎo)柱15，其作用是保證齒輪傳動(dòng)各零件和螺紋型芯在傳動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)精度。這12支導(dǎo)柱配以24支導(dǎo)套，使這副結(jié)構(gòu)復(fù)雜、活動(dòng)零件多的模具在頻繁的開合過(guò)程中順暢自如。

3 模具工作原理

(1)注射填充。

熔體經(jīng)過(guò)主流道、分流道，最后從兩定模哈夫外斜滑塊26之間進(jìn)入模具型腔。

(2)冷卻固化。

熔體充滿型腔后，保壓、冷卻。

(3)螺紋自動(dòng)脫模。

當(dāng)成型塑料件固化到具有足夠的剛性后，液壓油缸13啟動(dòng)，油缸活塞推動(dòng)齒條14直線運(yùn)動(dòng)，齒條14推動(dòng)齒輪軸46轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鍵槽中的齒輪軸46再推動(dòng)齒輪47轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)齒輪44轉(zhuǎn)動(dòng)，最后推動(dòng)螺紋型芯30一邊轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊在導(dǎo)向螺母37的導(dǎo)引下后退脫離成型塑料件。

(4)開模。

①當(dāng)油缸活塞直線運(yùn)動(dòng)距離達(dá)150 mm后停止，此時(shí)螺紋型芯的螺紋部分已完全脫離了塑料件。模具在彈簧52和注塑機(jī)的拉動(dòng)下首先從分型面Ⅰ處開模。此時(shí)點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)凝料和側(cè)澆口澆注系統(tǒng)凝料分離。

②動(dòng)模繼續(xù)后退，模具再?gòu)姆中兔姊蛱幋蜷_，此時(shí)點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)凝料被脫料板19強(qiáng)行從拉料桿6上推落。

③接著模具再?gòu)姆中兔姊筇幋蜷_，定模哈夫外斜滑塊26在彈簧23的推動(dòng)下沿著斜向?qū)虿弁瓿赏鈧?cè)向抽芯。

④最后注塑機(jī)頂棍通過(guò)推桿48推動(dòng)推板32，模具從分型面Ⅳ處打開。在此過(guò)程中成型塑料件被推板32推離螺紋型芯30。

(5)復(fù)位合模。

首先液壓油缸拉動(dòng)齒條14使螺紋型芯30復(fù)位，接著注塑機(jī)推動(dòng)動(dòng)模底板40合模，在合模過(guò)程中，推板32推動(dòng)定模哈夫外斜滑塊26復(fù)位。

模具接著下一次注塑成型。

4 自動(dòng)脫螺紋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與技巧

(1)傳動(dòng)齒輪模數(shù)m的設(shè)計(jì)。

模數(shù)決定齒輪的厚度[10]，該模具模數(shù)m設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是塑料件的螺紋圈數(shù)、模具的大小、齒輪的尺寸和齒條的尺寸等因素，并GB／T 1357–2008。在設(shè)計(jì)過(guò)程中筆者先后采用了1，1.5，2 mm三種模數(shù)，根據(jù)它們對(duì)模具結(jié)構(gòu)和尺寸的影響，并綜合考慮其它因素，最后該模具齒輪模數(shù)m確定采用1.5 mm。

(2)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i的設(shè)計(jì)。確定傳動(dòng)比大小之前必須先確定齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。當(dāng)動(dòng)力來(lái)源為電機(jī)時(shí)，因轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)沒(méi)有限制，為保證傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，降低電機(jī)瞬間啟動(dòng)力，減慢螺紋型芯旋轉(zhuǎn)速度，傳動(dòng)比i一般取小一些，在0.25～1之間。當(dāng)動(dòng)力來(lái)源為液壓油缸或來(lái)福線螺桿時(shí)，因傳動(dòng)受行程限制，傳動(dòng)比i必須取大一點(diǎn)，通常在1～4之間選取[11]。該模具動(dòng)力來(lái)源為液壓油缸，傳動(dòng)方式是“油缸+齒條+齒輪”，齒輪傳動(dòng)比i設(shè)計(jì)為4。這樣不但減小了油缸推動(dòng)齒條的行程，而且減小了油缸的長(zhǎng)度。

(3)各傳動(dòng)齒數(shù)Z的設(shè)計(jì)。齒輪的齒數(shù)取決于其模數(shù)m和齒輪分度圓直徑D (因?yàn)閆=D÷m)，而分度圓直徑D又與傳動(dòng)比i及型腔排位有關(guān)[12]。除此之外，筆者在設(shè)計(jì)齒輪齒數(shù)Z時(shí)還考慮了以下幾點(diǎn)：①為避免因頻繁接觸、摩擦、撞擊而導(dǎo)致的疲勞失效集中在幾個(gè)齒輪上，相互嚙合的齒輪其齒數(shù)盡量采用質(zhì)數(shù)關(guān)系[10]。②當(dāng)齒輪中心距一定時(shí)，齒數(shù)越多，傳動(dòng)越平穩(wěn)，噪音越低；但齒數(shù)越多，模數(shù)就越小，齒厚也越小，致使其彎曲強(qiáng)度降低，因此在滿足齒輪彎曲強(qiáng)度條件下，應(yīng)盡量取較多的齒數(shù)和較小的模數(shù)。

基于以上理由，根據(jù)公式D=m×Z，確定各傳動(dòng)齒輪齒數(shù)如下：齒條14推動(dòng)的齒輪47齒數(shù)：Z1=50。大齒輪44齒數(shù)：Z2=60。螺紋型芯30上的齒輪齒數(shù)：Z3=15。此時(shí)的傳動(dòng)比i=60÷15=4，設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)語(yǔ)

螺紋自動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)是該模具的核心機(jī)構(gòu)，難度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)的失敗。該模具試模一次成功，投產(chǎn)后各機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，成型塑料件質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均符合客戶要求。注塑周期控制在25 s以內(nèi)，生產(chǎn)效率比同類型模具提高10%左右。充分說(shuō)明模具結(jié)構(gòu)先進(jìn)，各項(xiàng)參數(shù)選取合理，是自動(dòng)脫螺紋塑料注射模具的一個(gè)經(jīng)典實(shí)例。它的成功經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧可供同行參考。

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Design of Injection Mold of Automatic Thread Demoulding for Robot Joint Rod

Zhang Weihe
(Guangdong University of Science & Technology， Dongguan 523083， China)

The structure of injection mold for robot joint rod with hydraulic automatic screw feed system was given. The gate system uses pin-point gate to side gate. Through the use of “hydraulic cylinder +rack +gear”combination of transmission to achieve automatic thread stripping. The lateral core pulling of the molded plastic parts is realized by using the inner slide core and outer core. By built in fixed distance parting mechanism using a small pull rod，spring and set screws to ensure the mold opening sequence and mold opening distance. The fixed template，moving template and slant slide block are designed with the cooling channel. Molded plastic parts are movable structure and the guide positioning mechanism adopts 12 guide posts. Molding plastic parts are finally pushed out by the push plate. The mold structure is complex，the movement is various，after the operation，the operation of each mechanism is smooth，and the quality of the molding plastic parts is stable.

robot joint rod；injection mold；automatic thread off mechanism；the side core pulling mechanism；fixed distance parting mechanism

TQ320.66+2

A

1001-3539(2016)12-0072-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.014

聯(lián)系人：張維合，副教授，從事模具教學(xué)與研究

2016-09-12