基于CAE的斜齒輪四板注塑模設(shè)計(jì)

周慧蘭，郭 震

（1.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)，廣東 深圳 518055）

基于CAE的斜齒輪四板注塑模設(shè)計(jì)

周慧蘭1，郭 震2

（1.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)，廣東 深圳 518055）

在對(duì)塑料斜齒輪工藝分析的基礎(chǔ)上，采用Moldflow軟件對(duì)一模兩腔的塑件進(jìn)行填充模擬分析，確定了點(diǎn)澆口位置及冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)CAE分析結(jié)果設(shè)計(jì)了模具的斜齒輪旋轉(zhuǎn)脫模機(jī)構(gòu)以及四板定距開(kāi)模機(jī)構(gòu)，并介紹了模具的設(shè)計(jì)過(guò)程。模具結(jié)構(gòu)合理，推出可靠，成型塑件質(zhì)量好。

塑料斜齒輪；一模兩腔；點(diǎn)澆口；旋轉(zhuǎn)脫模機(jī)構(gòu)；四板定距開(kāi)模機(jī)構(gòu)

齒輪傳動(dòng)是一種常用的機(jī)械傳動(dòng)形式，而斜齒輪相對(duì)于直齒輪而言，具有更優(yōu)良的嚙合性能，傳動(dòng)更平穩(wěn)，能傳遞更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，工程塑料作為一種新型的齒輪材料，輕巧且噪音小，在交通、家電、鐘表及電子等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。但對(duì)于塑料斜齒輪，或一些包含斜齒輪結(jié)構(gòu)的特殊塑件，其齒面是一個(gè)螺旋形漸開(kāi)線齒面，在注塑成型時(shí)如果應(yīng)用常規(guī)的推出方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)脫模，需要借助特殊的脫模機(jī)構(gòu)完成[1-2]；因此,斜齒輪的脫模結(jié)構(gòu)是否合理，將直接影響模具的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量等。如何在確保塑件質(zhì)量的條件下，使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高模具壽命是此類模具設(shè)計(jì)需要解決的主要問(wèn)題。

1 塑件工藝分析

塑件為一個(gè)傳動(dòng)斜齒輪，結(jié)構(gòu)如圖1，該斜齒輪主要參數(shù)：法向模數(shù)2，壓力角20°，左螺旋角8°；塑件輪輻上有4個(gè)直徑為8的孔，且齒輪中心有直徑為40的通孔。工業(yè)中常選用聚甲醛[3]（簡(jiǎn)稱POM）作為斜齒輪材料，POM具有極高的強(qiáng)度和韌性，摩擦系數(shù)小且耐磨，在90℃時(shí)仍能保持很高的耐疲勞性和耐化學(xué)性能，即使在異于常溫的溫度下依然能保持較好的幾何穩(wěn)定性，適合作為傳動(dòng)齒輪的材料。

圖1 塑件圖Fig.1 Plastic part drawing

2 模具結(jié)構(gòu)CAE分析

隨著模具行業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了針對(duì)模具設(shè)計(jì)和塑料注射成型的CAE軟件，Moldflow[4-6]是目前最有代表性的注塑成型仿真軟件，可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化塑件及模具結(jié)構(gòu)，并對(duì)注塑成型進(jìn)行模擬，協(xié)助設(shè)計(jì)者及早發(fā)現(xiàn)模具或成型缺陷，從而縮短模具的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

2.1 成型窗口分析和最佳澆口位置分析

圖2為質(zhì)量分析圖，橫坐標(biāo)為注射時(shí)間，縱坐標(biāo)是一個(gè)無(wú)量綱的質(zhì)量值，該值一般要求在0.8到1之間，1代表最佳質(zhì)量,通過(guò)調(diào)節(jié)模具溫度和熔料溫度，使質(zhì)量值達(dá)到0.966 2，從而得到最優(yōu)工藝條件。

經(jīng)過(guò)分析得到模具最優(yōu)溫度為72℃、最佳熔料溫度為212℃，在這些工藝參數(shù)時(shí)獲得的最佳澆口位置分析圖見(jiàn)圖3。

圖2 質(zhì)量分析圖Fig.2 Quality analysis diagram

圖3 最佳澆口位置分析Fig.3 Optimal gate location analysis

由圖3可知，塑件注塑成型時(shí)最佳的澆口位置位于深色區(qū)域，斜齒輪作為常用的傳動(dòng)零件，對(duì)齒輪齒部精度有一定要求，若采用側(cè)澆口，則在塑件邊緣會(huì)留下殘痕，影響塑件質(zhì)量，故采用點(diǎn)澆口，點(diǎn)澆口的位置尺寸如圖4。

應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到圖5塑件剪切應(yīng)力圖，由分析結(jié)果可知，塑件壁上剪切應(yīng)力最大達(dá)1.030 MPa，該最大的應(yīng)力在澆口局部，其它地方應(yīng)力都較小，符合POM材料的剪切應(yīng)力要求。

圖4 澆注系統(tǒng)Fig.4 Gating system

圖5 塑件剪切應(yīng)力Fig.5 Shear stress of plastic part

2.2 冷卻系統(tǒng)分析

模具的溫度和冷卻條件影響著塑件的質(zhì)量，若塑件冷卻時(shí)內(nèi)部溫度分布差太大易引起塑件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，輕則翹曲變形、重則開(kāi)裂導(dǎo)致塑件成為廢品，故必須根據(jù)塑料性質(zhì)和塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)。

模具中動(dòng)模部分的型芯若采取整體式結(jié)構(gòu)，水路無(wú)法加工和安裝；因此型芯中設(shè)置鑲件結(jié)構(gòu)，使冷卻液沿型芯自下而上，再沿型芯自上而下流出，結(jié)構(gòu)如圖6所示，冷卻液溫度分布如圖7所示。冷卻系統(tǒng)選擇水為冷卻液并以25℃為初始溫度，由圖7可知一個(gè)工作周期中冷卻液溫差為0.42℃，小于2℃，冷卻效果優(yōu)良。

圖6 組合式型芯Fig.6 Combined core

圖7 回路冷卻液溫度Fig.7 Cooling circuit temperature

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 模具整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)CAE分析的結(jié)果設(shè)計(jì)的模具整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，塑件為斜齒輪，需要旋轉(zhuǎn)脫模；由于模具采用一模兩腔，且是點(diǎn)澆口[7]，需要用四板模[8]結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)澆口和分流道冷凝料的取出，這兩點(diǎn)是整個(gè)模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2 旋轉(zhuǎn)脫模機(jī)構(gòu)

塑件為斜齒輪，且斜齒方向與開(kāi)模方向成一定夾角；因此不能直接強(qiáng)行推出，目前常用的斜齒脫模方式有兩種：齒形型腔旋轉(zhuǎn)脫模和齒輪塑件脫模。前者可采用設(shè)置軸承、鋼珠等方法減小齒形型腔旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦力，通過(guò)齒形型芯的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)斜齒的脫模；后者可采用強(qiáng)制脫模或采用推管上開(kāi)高螺旋槽的方法使塑件旋轉(zhuǎn)脫模[9]。本設(shè)計(jì)采用第一種方式，見(jiàn)圖8，斜齒輪在被推管（11）推出的同時(shí)給予型腔（10）切向力，使型腔也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。由于塑件的脫模有賴于型腔的旋轉(zhuǎn)，故在型腔與動(dòng)模板（8）之間，型腔和支撐板（24）之間安裝推力球軸承（9），以減小接觸面上的摩擦力，推力球軸承尺寸依據(jù)型腔外徑確定，選用的軸承型號(hào)為51124。

當(dāng)模具開(kāi)模后，動(dòng)模推出機(jī)構(gòu)推動(dòng)推管上升從而帶動(dòng)斜齒輪塑件脫模，型腔在塑件的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并逐漸被推出型腔。

3.3 四板定距開(kāi)模機(jī)構(gòu)

模具采用四板結(jié)構(gòu)，如圖8所示，通過(guò)定距機(jī)構(gòu)[10]實(shí)現(xiàn)3個(gè)分型面的順序開(kāi)模。模具工作時(shí)，隨著模具的開(kāi)啟，彈簧（29）使Ⅰ處先分型，分型距離由定距拉桿（27）控制，此處距離設(shè)計(jì)為70 mm。在拉料釘（4）的作用下，澆注系統(tǒng)凝料被吸附在分流道推板（6）上，由于鎖模器（28）的作用，分型面II先于III分型打開(kāi)，分流道推板（6）被拉動(dòng)，分流道和主流道中的冷凝料被拉出，當(dāng)定距拉桿（27）觸碰到定模座板（5）時(shí)，分型面II開(kāi)模結(jié)束，其開(kāi)模距離為10 mm。繼續(xù)開(kāi)模，當(dāng)定距拉桿（27）碰到定模板（7）時(shí)，Ⅲ分型面打開(kāi)，動(dòng)定模打開(kāi)。隨著動(dòng)定模完全分開(kāi)，頂板（16）推動(dòng)頂管（11）上升從而帶動(dòng)斜齒輪脫模，型腔在斜齒輪的作用下一起旋轉(zhuǎn)，斜齒輪逐漸被推出型腔。頂出機(jī)構(gòu)繼續(xù)頂出，當(dāng)頂板固定板（15）與支承板（24）接觸后，塑件完全被推出。復(fù)位桿在模具合模時(shí)幫助頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位。

圖8 模具總體結(jié)構(gòu)Fig.8 Total structure of mold

4 結(jié)束語(yǔ)

1）采用齒輪型腔旋轉(zhuǎn)脫模的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斜齒輪脫模，通過(guò)在動(dòng)模上設(shè)置推力球軸承以減小齒形型腔和周邊零件之間的摩擦力，從而保證塑件在推出過(guò)程中齒形型芯沿螺旋方向順利旋轉(zhuǎn)脫出；

2）模具采用一模兩腔布局，使用點(diǎn)澆口形式進(jìn)料提高塑件表面質(zhì)量，通過(guò)四板模結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3次順序分型定距。

這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法為其它具有斜齒輪或螺旋齒輪結(jié)構(gòu)的同類模具設(shè)計(jì)提供了一個(gè)成功參考，其思路和結(jié)構(gòu)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙世友.塑料斜齒輪注塑模具設(shè)計(jì)與分析[J].塑料科技，2010，38（5）：77-79.

[2]屈繁敏，焦玉勝，池成忠.傳動(dòng)斜齒輪注塑模設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè)，2010，38（2）：39-41.

[3]塑料模設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.塑料模具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：383-384.

[4]鄭道友,李玉慶，劉向陽(yáng).塑料模具分析及項(xiàng)目實(shí)踐[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014：72-120.

[5]單巖，蔡玉俊，羅曉曄，等.塑料模具成型分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2011：30-42.

[6]魏永峰，周大路，何柏林.Moldflow在灌溉網(wǎng)閥蓋注塑模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（4）：112-114.

[7]葉久新，王群.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：101-102.

[8]田福祥.四板式正-斜雙聯(lián)齒輪注塑模[J].塑料科技，2007，35（8）：84-86.

[9]陶永亮.斜齒輪注塑模脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013（5）：32-35.

[10]周慧蘭，匡唐清，楊群.色拉油瓶蓋注塑模具設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2014，42（5）：60-62.

Design of Four-plate Injection Mold for Plastic Helical Gear Based on CAE

Zhou Huilan1，Guo Zhen2
（1.Key Laboratory of Conveyance and Equipment of the Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）

Based on process analysis for plastic helical gear，filling simulation is finished with Moldflow software for two cavities in a mould，and the point gate is located and cooling system designed.According to analysis result of CAE，the rotated demoulding and four-plate fixed distance mechanisms are designed for molding.Finally，calculating process is introduced.The mold structure is proved reasonable，with reliable pulling agency and better plastic parts can be obtained.

plastic helical gear；two cavities in a mould；point gate；the rotated demoulding；four-plate fixed distance mechanism

TP391.72

：A

1005-0523（2017）01-0138-04

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016-09-27

周慧蘭（1974—），女，副教授，碩士，研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAM，模具設(shè)計(jì)，二次開(kāi)發(fā)。