塑料齒輪注塑模設(shè)計及成型工藝分析與優(yōu)化

蔣昌華

(上海第二工業(yè)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)(國際)學(xué)院,上海201209)

0 引言

相對金屬齒輪,塑料齒輪具有質(zhì)量輕、工作噪聲小、耐磨損、無須潤滑、可以成型為較復(fù)雜的形狀、大批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但由于塑料本身具有收縮、吸水性,相對金屬強(qiáng)度也比較弱,有傳遞精度低、壽命短等缺點[1-3]。但隨著模具設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展,塑料齒輪的精度不斷提高,使其在精密傳動中的應(yīng)用逐漸增加。

圖1 齒輪Fig.1 Gear

1 塑件分析

圖1所示的齒輪用于線路板快速打孔機(jī)軸的傳遞,表面光滑,不允許有明顯的熔接痕和翹曲,且要求具有一定硬度和耐磨性,傳動精度較高。齒輪的模數(shù)為2,齒數(shù)為12,齒型角為20°,齒定高系數(shù)為1。選用材料為聚甲醛(POM),綜合力學(xué)性能好,其力學(xué)性能隨溫度變化小、摩擦因數(shù)小、耐磨性好、自潤滑性好。但成型溫度的范圍較窄、收縮率較大,易出現(xiàn)翹曲變形,對齒輪的傳動精度影響較大,在成型時要嚴(yán)格控制其翹曲變形量。

2 三維建模及網(wǎng)格化

(1)建立模型：用PROE軟件建立塑件模型,采用標(biāo)準(zhǔn)的漸開線方程形成齒廓,再轉(zhuǎn)化為stl格式導(dǎo)入Moldflow模流軟件,為了保證網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,將齒根處小圓角特征刪除,如圖2所示。

圖2 stl圖形Fig.2 Stl graphics

(2)網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析的準(zhǔn)確性,齒輪厚度不均,不能用中面網(wǎng)格,先用表面網(wǎng)格進(jìn)行劃分[4],統(tǒng)計有6 824個三角形,已連接的節(jié)點數(shù)為3 412,匹配百分比為78.6%,縱橫比最大為20.2,不滿足翹曲分析匹配度為90%以上、最大縱橫比為6的要求,需對網(wǎng)格進(jìn)行處理,通過插入節(jié)點、節(jié)點合并、部分縮小邊長、手動重新劃分等手段將匹配率提高到90.3%,縱橫比最大為5.96,再轉(zhuǎn)化為實體網(wǎng)格,實體網(wǎng)格考慮了熔體在厚度方向的速度分量及壓力的變化,計算和處理的結(jié)果誤差較小,如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

3 型腔布局,設(shè)計澆注系統(tǒng)

模具采用“一模四腔”的結(jié)構(gòu),考慮到型腔的強(qiáng)度及充模時流長的一致性,即每個型腔中心到模具中心的流長相等;齒輪的外表面用來傳遞,要求光滑不能有澆口的痕跡,所以澆口只能放在上下表面,塑件2 mm高的臺階與齒輪外表面有同柱度要求,所以將型腔放在動模一側(cè),選擇上表面進(jìn)澆并作為主分型面,生產(chǎn)時采用點澆口自動斷澆形式,整個型腔布置及澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 型腔布局及澆注系統(tǒng)Fig.4 Cavity layout and casting system

表1 工藝參數(shù)正交實驗水平表Tab.1 Orthogonal experimental level of process parameters

4 工藝參數(shù)的分析及優(yōu)化

根據(jù)使用要求,塑料齒輪在轉(zhuǎn)動和傳力過程中不能有大的振動,否則會影響機(jī)器對線路板快速打孔的尺寸精度和位置精度,也會縮短機(jī)器的壽命,所以要嚴(yán)格控制塑件的翹曲變形量。影響翹曲變形的主要因素為模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓時間(C)和保壓壓力(D)[5-9]?，F(xiàn)以塑件的翹曲變形量為評價指標(biāo),4個因素為研究對象,根據(jù)成型工藝參數(shù)范圍取4個水平,所用材料含有部分玻纖成分,可以增加塑件強(qiáng)度,比普通POM的成型工藝參數(shù)更高,用Moldflow軟件按照表1中的參數(shù)組合進(jìn)行“填充+保壓+翹曲”模擬分析,得到16組翹曲變形量,見表2。極差分析結(jié)果見表3,極差R越大對目標(biāo)值的影響就越大,4個因素對翹曲變形量的影響程度依次為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞保壓時間;因素中均值越小翹曲變形量就越小,所以最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：A3B3C1D1,模具溫度75℃、熔體溫度225℃、保壓時間13 s、保壓壓力85 MPa,用軟件模擬驗證翹曲變形最大值為94.2μm,如圖5所示。

表2 正交實驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental results

表3 平均翹曲變形量及極差Tab.3 Mean warpage deformation and range

從表3平均翹曲變形量的極差分析結(jié)果可知,保壓壓力對塑件翹曲變形量的影響遠(yuǎn)大于其他因素,以翹曲變形量為目標(biāo)函數(shù),在最優(yōu)結(jié)果上其他參數(shù)不變,保壓壓力為變量,研究單因素變化對翹曲量的影響趨勢,具體結(jié)果如圖6所示。翹曲量隨保壓壓力升高先減小后增加,保壓壓力過小時塑件由于補(bǔ)料不足會出現(xiàn)缺料現(xiàn)象,壓力較小時腔內(nèi)熔體不緊實,釋放的殘余應(yīng)力成為收縮的部分阻力,變形量小;隨著壓力增大,腔內(nèi)熔體慢慢被壓實,收縮阻力變大,變形量減小,壓力較大時分布的不均勻性加大了收縮的不均勻性,增加變形量,壓力過大會出現(xiàn)過塑件脫模困難甚至脫模以后出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化工藝參數(shù)后齒輪的翹曲變形量Fig.5 Gear warpage deformation after optimizing the process parameters

圖6 翹曲變形量變化圖Fig.6 Warpage deformation variation diagram

5 模具成型零件的設(shè)計

注射模中成型零件主要有型芯和型腔,為了保證齒輪的同軸度,將分型面置于上齒輪頂面,整個型腔在動模一側(cè),方便頂出塑件,具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。塑件上表面內(nèi)孔有倒角,便于加工和維修時將其拆為鑲件,小型芯置于定模一側(cè),動模側(cè)的型芯為推管型芯,帶齒廓部分的型腔用慢走絲加工,與塑件底部臺階腔體分開加工,然后用4顆螺釘鎖緊。模具一模四腔,齒輪是圓形零件,尺寸不大,單個型芯、型腔設(shè)計成圓柱組合式,整體放入定模固定板和動模固定板中,采用臺肩式固定,臺階洗掉一段圓弧,防止旋轉(zhuǎn),如圖8、9所示。

圖7 成型零件Fig.7 Molding parts

圖8 定模型腔Fig.8 The died cavity

圖9 動模型腔Fig.9 The moved cavity

圖10 模具三維剖視圖Fig.10 3D section of mold

圖11 塑料齒輪模具結(jié)構(gòu)Fig.11 Plastic gear mold structure

6 模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具采用點澆口進(jìn)澆方式,一模四腔,三板模結(jié)構(gòu),自動斷膠脫膠,推管頂出,結(jié)構(gòu)如圖10、11所示。模具的分型開模是以順序定距分型來依次打開3個分型面[10-11]。

開模時,在分模彈簧的作用下A分型面最先分開,在拉料桿的作用下將澆口與塑件拉斷,澆注系統(tǒng)留于定模一側(cè),拉桿限制A分型面的分開距離,將澆注系統(tǒng)推出脫落;模具繼續(xù)打開,澆注系統(tǒng)和拉料桿將C分型面鎖緊,B分型面繼續(xù)打開,由于塑件的包緊力,塑件留在推管型芯上,定距拉板限制B分型面的開模距離,將塑件頂出落下;動模繼續(xù)右行,在定距拉板、拉桿和螺釘?shù)穆?lián)合作用下,C分型面打開,澆口凝料從拉料桿中脫出,同時脫離主流道襯套,在彈釘彈簧的作用下,彈釘將澆口凝料從分流道推板中推出,由螺釘限制C分型面的開模距離;最后推出機(jī)構(gòu)帶動推管將塑件從動模型腔中推出。定模中的導(dǎo)柱要足夠長,在開模過程中始終不能完全離開動模的導(dǎo)套。

合模時,B分型面先閉合,同時推出機(jī)構(gòu)復(fù)位,A分析面開模距離縮小,彈簧頂動分流道推板使分型面C先閉合,最后克服彈簧的力,A分型面合模,最終完成模具的整個開、合模動作。

7 結(jié) 語

運(yùn)用Moldf l ow軟件對塑料齒輪成型工藝參數(shù)進(jìn)行模擬,設(shè)計正交實驗得到不同參數(shù)條件下塑件的翹曲變形量,極差計算分析了不同成型參數(shù)對翹曲量影響程度的大小,獲得成型工藝最優(yōu)方案;用PROE軟件完成了型腔分模和成型零件的設(shè)計,并對一模四腔整體模具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)了彈簧定距拉桿及定距拉板3次順序定距分型,完成自動脫模過程。