正斜組合雙聯(lián)齒輪注射模設計

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，模具結構的主要區(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，塑件是無法“轉動”的，而只有通過齒片的逆向“轉動”，來推出塑件實現齒輪的脫模。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“轉動”，可直接推出脫模，而下部的斜齒輪則必須逆向“轉動”，實現脫模。因此，針對該塑件的注射成型，必須設計出完全適合成型要求的注射模具結構。

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)齒輪結構。

2.1 塑件的結構特點

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

（2）兩齒輪精度均為9級（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到塑料成型所需的工藝要求，避免和減少注射成型時的收縮變形，在進行具體塑件的結構設計時，兩齒輪內、外圈均為輪輻式加強筋的結構形式（均為8細片加強筋），同時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，這兩類塑料均具良好的成型特性，自潤性好，又有較好的尺寸穩(wěn)定性，同時具有較好的剛性與強度。其中PA塑料吸濕性較大，又因其流動性好而溢料間隙較小，約為0.02mm。POM塑料具有較高的機械強度、硬度和剛性，抗沖擊尤其是抗蠕變性優(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成型齒片的“轉動”來實現的，該“轉動”就必須在模具中的相關成型零件間留有間隙。而PA塑料的0.02mm溢料間隙值必定對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、表面質量分析。該塑件的關鍵尺寸：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。雖該塑件的關鍵尺寸精度要求較高，但與之對應的模具相關零件的尺寸加工可以保證。同時在注射成型過程中對各工藝參數進行及時、合理的調整，完全能達到圖示的技術要求。而主要尺寸部分的精度要求更能得到保證。中心軸孔φ6mm內表面及兩個齒輪的工作齒面粗糙度要求可以通過提高成型φ6mm軸孔的模具型芯表面和齒圈的齒面2～3個精度等級來實現。

3 正、斜組合雙聯(lián)齒輪的成型工藝特點

（1）本塑件材料確定為POM（聚甲醛白），體積收縮率較大為2%～3%。在模具設計的成型尺寸計算中應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構部位的形狀存在一定的差異，對成型收縮率的選取也應有相應的變動。由于POM塑料在注射成型過程中會產生一定的分解氣體，在模具結構設計時，可通過模具型芯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）來實現模具的排氣。

（2）由該塑件的結構特點與模具注射成型的過程要求所限定，采用一模一腔的模具結構形式較為合理。

（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、定模間的分型面。兩成型齒形的齒圈必須同時設置在動模部分，也只能設置在動模部分。否則，組合齒輪間的同軸度無法保證，而注射成型后的塑件亦無法脫模，如圖2所示。

（4）塑件澆注系統(tǒng)進料口的選擇。

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)進料口，一般可供選擇的形式主要有：爪式澆口、環(huán)形澆口、點澆口3種。經分析、比較，如采用在φ6mm端面設置爪式澆口、環(huán)形澆口等進料形式，因塑料融體的流程較長，遠離所需成型的齒輪齒形部位。在對兩端共4處8條窄形加強筋的充盈過程中也需相應增大注射壓力。在輪廓與各加強筋之間及齒形的成型部位都可能產生融接痕或熔接不良，從而直接影響到塑件的成型質量。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”合理部位設置多“點”點澆口的結構形式，使塑料融體到達各成型部位的流程更趨均衡，塑件產生融接痕或融熔接不良的狀態(tài)大大降低，甚至不會有融接痕的產生。同時也可減少進料口附近的成型收縮對齒輪成型精度的影響。所以確定點澆口采用“3點”在同一圓半徑的圓周上120°均分設置，以保證注射成型時料流的均衡性。

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。進料口部位的設計選擇方案主要有兩種：一是進料口設置在內圈凸緣的端部；另一種是進料口設置在兩齒面結合面的內側中間部位。這兩種方案的點澆口進料雖然都遠離成型的齒形部位，但采用設置在內圈凸緣端部的形式，因澆道的流程較長，又由于內、外圈間的凸筋成型所產生的阻力較大，易產生料流不均衡，塑件的成型質量不穩(wěn)定。采用設置在兩齒面結合面的內側中間部位的形式，澆道的流程較均衡，料流至各成型部位的距離相近，成型時所產生的阻力亦較小，有利于在注射成型時各工藝參數的調整，如圖4所示。為防止點澆口與塑件分離時，可能對塑件產生后變形及實現澆注系統(tǒng)的自動脫落，動、定模未打開前，設置在點澆口分流道對應部位的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程中，通過斜齒輪型腔（即斜齒輪齒片）的“逆向旋轉”來實現的。即塑模注射完成后，塑件在脫模過程，向模外被垂直推出，而同時設置在動模部分的斜齒輪齒片慢慢逆向轉動（塑件只是向模外移動）。斜齒輪脫模阻力過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”精度與減小斜齒輪的脫模阻力保證齒輪成型精度的關鍵所在，如圖5所示。正確的頂出方式對模具在分型過程中及動、定模完全打開后已成型塑件的脫模所應采用的合理結構的設計方案。

圖3 澆注系統(tǒng)進料口部位的設計選擇方案比較

圖5 塑件成型后的推出脫模設計

（6）為避免塑件在頂出過程中產生后變形及實現成型斜齒輪齒片的順暢“旋轉”，應采用慢速頂出的脫模方式。

（7）在模具總裝設計時必須考慮模溫控制的結構設置。

4 注射?？傃b結構設計

（1）注射?？傃b結構如圖6所示。兩成型齒輪的型腔均設置在動模部分，以內齒輪齒片18、19的形式與動?；顒佣ㄎ蝗?2以定位銷釘17聯(lián)接，只是斜齒輪齒片需在塑件脫模時必須逆向“轉動”，實現脫模。而正齒輪齒片不可轉動，正、斜成型的兩個齒片不能產生相對轉動。因此，在正齒輪齒片上必須加工出避讓定位銷釘柱17的空域。如圖6中的中間標注的部位。

（2）對應的定位銷柱孔部位加工成15°滑動用圓弧槽，避免斜齒輪片轉動的摩擦阻力。為減小齒輪型腔在脫模時的“旋轉”阻力，提高模具工作零件的減摩耐磨作用，在動模成型鑲套37和動模活動定位圈之間設置了向心推力球軸承23。在動?；顒佣ㄎ蝗Φ膫让婧团c動模成型鑲套相接觸的部位分別設置了平面推力球軸承21、24。為方便模具組裝時，調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置了高度調整圈25等。

圖6 模具總裝結構圖

（3）充分考慮到各模具成型零件的工作強度，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。而動模部分的成型也只分解成兩個部分,即動模成型鑲套37和動模成型鑲套38組合體。

（4）按塑料成型模具的設計原則，成型后的塑件應盡可能的留在動模部分。本塑件的齒圈及各內圈間均分別設有8片加強筋（總計32片加強筋），雖在每1片加強筋處設計了脫模斜度，注射成型后由于塑料的收縮，對模具型芯及鑲件、鑲套的包緊力仍然較大。為保證開模時，定模部分的型腔鑲套能順利脫模及防止塑件產生后變形，在定模型腔鑲套上對應內圈的端面部位設計了3個等圓軸線均分的氣動頂出桿10。合模注射時，由于注射壓力頂桿退入型腔鑲套。注射結束，開模時氣動通道打開，氣壓通過頂桿頂住塑件使之留在動模內。當模具打開一定距離后，氣動通道及時關閉。

（5）為保證動、定模間的定位精度。在模具內設置了兩錐形導柱、導套49、50的精定位裝置。同時，為保證雙聯(lián)斜齒輪同軸度的技術要求，中心軸孔φ6mm的成型型芯必須與定模對應的定模型腔鑲套φ6mm型孔對插。

（6）由于澆注系統(tǒng)采用了三等分點澆口的進料形式，為防止點澆口與塑件分離時，拉動塑件而使之產生變形。在每一點澆口的定模相對應部位設置了點澆口拉料桿8。在開模時，動、定模間尚未分型前實現點澆口拉料桿先拉動點澆口，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)在開模后的自動脫落。如圖所示，這既可實現模具的自動化生產又避免了澆口的后工序切除。

（7）為防止塑件在頂出過程中產生后變形，應盡可能使塑件在頂出時受力均衡。本模具采用了在塑件外圈設置推桿與在中心部位設置推管相結合的推出形式，12支推桿35均勻分布設置在靠近齒形的內側部位。同時，為保證推桿的導向精度和模具的及時復位，在推桿固定板31與動模墊板46間內導柱、導套29、30和矩形截面彈簧26。

（8）為充分利用模具內的使用空間，3個分型面的定距套13、定距拉桿4、15全部設置在模具內。為配合推管結構的使用，模具的推出機構采用了二級頂出的結構形式。

（9）為便于模具的制造和零部件的加工、維修、更換，應盡可能的采用標準件。

（10）為配合注射工藝對模溫控制的調節(jié)需要，在動、定模板內均設有水管通道。

5 模具工作過程

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

動模部分繼續(xù)向后移動，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（Ⅱ、Ⅲ分型面的分型順序的先后有時可能有差異）。注塑機移動模板帶動動模部分繼續(xù)向后移動，直至定距套、定距拉桿把各分型面各模板全部拉緊，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個分型面全部打開。為使整個澆注系統(tǒng)完全自動脫落，Ⅱ分型面L2的移動距離尺寸一般取大于整個澆注系統(tǒng)長度6～8mm的有效空間。當模具處于完全開模狀態(tài)時，注塑機后部的液壓頂出系統(tǒng)頂動模具內的頂柱34，頂柱再頂動推管、推桿組成的推出機構，推動塑件向模外移動。塑件移動時，兩齒片“被逆向”轉動直至塑件被完全推出動模。Ⅲ分型面L3的移動距離尺寸一般取塑件最大輪廓尺寸的1.2～1.5倍，以使塑件無阻滯自動脫落。

6 斜齒輪齒片成型型腔的加工工藝

本斜齒輪塑件為標準圓柱斜齒輪，由于塑料注射成型后的收縮特性，在齒輪型腔尺寸計算時，除按成型收縮率的要求計算外，還應預留一定的整修余量，又由于塑件的結構形式不同，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非標內齒齒圈。由此可以看出，模具加工的關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 開模狀態(tài)

圖8 塑件頂出狀態(tài)

斜齒輪型腔主要的技術參數，齒形的精度及表面的粗糙度能否達到要求，合理的加工工藝是關鍵。同時由于塑件成型收縮變量的影響，斜齒輪型腔加工后必須經一定的小批量試樣。各技術參數經檢測符合要求時才能按確認的加工工藝來制造齒輪型腔。

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。根據齒輪型腔及所選擇電火花加工設備的成型參數設計出的斜齒輪電極是非標準的，所以按此非標參數設計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，應在兩電極中加工一個統(tǒng)一基準的組裝工藝孔，使其組合成一體一次滾切成形。

（2）數控電火花加工設備上的數控功能可實現在垂直升降和旋轉（Z軸）的同時選擇平動量。因此，數控電火花加工時的放電間隙、電極的上、下移動、電極旋轉運動方式、電極的平動量等也必須經多次試模修正確認后的參數進行齒輪型腔的電火花加工。

（3）線切割、電火花加工后應預留的研磨量是不同的，這也應通過實驗確定。斜齒輪型腔采用擠壓珩磨機研磨、拋光的加工方法是在加工其他復雜型腔的基礎上移用過來的。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，經研磨、拋光后可達Ra0.4μm。塑料斜齒輪模具的設計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。因而要獲得理想的、符合質量要求的塑料斜齒輪必需經試?！拚嚹！傩拚僭嚹?，最終達到加工出合格制品的目的。