電位器精密雙聯(lián)塑料斜齒輪成型模設(shè)計(jì)與制造

顧來法，胥樹志，劉永躍

（1.寧波雙林汽車部件股份有限公司，浙江 寧波 315600；2.寧波合力模具科技股份有限公司，浙江 寧波 315700）

0 引 言

塑料齒輪具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、傳動(dòng)噪音低、自潤滑性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、辦公用品、鐘表和玩具等領(lǐng)域。特別是在全球汽車工業(yè)輕量化設(shè)計(jì)的背景趨勢下，隨著一些高強(qiáng)度、高耐磨的工程塑料研發(fā)成功并投產(chǎn)，塑料齒輪耐高溫、高壓的能力越來越強(qiáng)、使用壽命也越來越長，成為齒輪行業(yè)發(fā)展最快、應(yīng)用范圍最廣、最有發(fā)展前景的產(chǎn)品之一[1]。

1 注射成型工藝分析

圖1所示為某汽車電位器中的精密雙聯(lián)塑料斜齒輪，大、小齒輪均為圓柱斜齒輪，有相對(duì)相位要求，齒輪的精度等級(jí)要求為Q-ISO1328 9-10級(jí)，成型難度主要有以下3點(diǎn)：①大、小斜齒輪的同軸度要求較高，但受脫模機(jī)構(gòu)的影響，其較難保證；②由于斜齒輪型腔的加工工藝限制，2個(gè)斜齒輪的相對(duì)相位角難以精確控制；③小斜齒輪的螺旋角β為23°，脫模困難。

圖1 精密雙聯(lián)塑料斜齒輪

由于該塑件生產(chǎn)批量大且尺寸精度高，為了提高生產(chǎn)效率，采用了1模2腔、點(diǎn)澆口三板模結(jié)構(gòu)。塑件材料為POM，采用MoldFlow分析塑件的結(jié)構(gòu)、壁厚等特性，模具設(shè)計(jì)時(shí)采用的收縮率為2%。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用注射工藝生產(chǎn)塑料齒輪時(shí)，合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)注射模至關(guān)重要，其不僅影響塑件尺寸精度和外觀品質(zhì)，而且對(duì)塑件力學(xué)性能有較大影響?，F(xiàn)采用點(diǎn)澆口三點(diǎn)平衡進(jìn)澆，且三點(diǎn)澆口在同一圓周上均勻分布，如圖2所示，熔融塑料從點(diǎn)澆口中心呈輻射狀向型腔四周流動(dòng)，纖維的取向分布差異比采用單點(diǎn)偏心澆口小，提高了齒輪成型精度。平衡進(jìn)澆和保壓暢通是流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，一方面平衡進(jìn)澆能保證塑料齒輪具有良好的形位尺寸精度，多腔齒輪模具更是如此；另一方面，保壓暢通是保證塑料齒輪具有優(yōu)良力學(xué)性能的必要條件。一般塑料齒輪注射模在生產(chǎn)時(shí)都需要采用較高的注射壓力和保壓壓力，才能使成型塑件具有較高的密度和尺寸穩(wěn)定性。

圖2 澆 口

點(diǎn)澆口設(shè)置在輪轂凹槽內(nèi)，澆口凝料拉斷后其痕跡不會(huì)高出輪轂端面，不需修整，也不影響塑件外觀，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。精密塑料齒輪模具澆口加工精度需要保證截面積誤差控制在5%以內(nèi)，點(diǎn)澆口常采用精密慢走絲線切割和精密電火花加工，澆口前端一般采用慢走絲線切割或磨床加工，澆口頭部的錐面采用電火花加工，如圖3所示。

圖3 澆口頭部形狀

2.2 斜齒輪型腔板設(shè)計(jì)

為了保證雙聯(lián)塑料齒輪傳動(dòng)精度平穩(wěn)性、大小齒輪的齒跳公差和同軸度要求，設(shè)計(jì)時(shí)需要從模具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮，精密雙聯(lián)塑料斜齒輪模具的型腔板安裝方式一般有以下3種。

（1）將大、小斜齒輪型腔分別設(shè)計(jì)在動(dòng)、定模側(cè)。這種結(jié)構(gòu)通常是在動(dòng)、定模之間增加錐度定位裝置來提高大、小斜齒輪型腔的同軸度，但精度需要由多個(gè)模具零件保證，模具裝配后存在較大的累積誤差，這種結(jié)構(gòu)對(duì)模具零件精度和裝配精度要求較高，模具維修困難，因此較少采用。

（2）將大、小斜齒輪型腔全部設(shè)計(jì)在定模側(cè)，則同軸度不需要多個(gè)零件來保證，可以較好地解決同軸度誤差問題，但塑件容易粘結(jié)定模，脫模難度較大，這種結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中也較少采用。

（3）將大、小斜齒輪型腔全部設(shè)計(jì)在動(dòng)模側(cè)，既消除了模具合模精度對(duì)塑件的影響，也解決了塑件粘定模問題，而且方便后續(xù)批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)模具的維修工作，應(yīng)用廣泛。

該模具采用將大、小斜齒輪型腔全部設(shè)計(jì)在動(dòng)模側(cè)的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。斜齒輪的軸孔鑲件設(shè)計(jì)在定模，主要原因是該塑件適合動(dòng)模推出，如果將軸孔鑲件設(shè)計(jì)在動(dòng)模，相當(dāng)于推管推出結(jié)構(gòu)，模具零件配合間隙較大，累積誤差也較大，難以保證內(nèi)孔和小齒輪的同軸度要求。將軸孔鑲件固定在定模時(shí)，其長度尺寸較小，零件精度容易保證，另外軸孔鑲件與型腔板鑲件固定，其配合間隙較小。在型腔板與型芯中間增加錐面定位，可以保證軸孔和齒輪的同軸度要求。

圖4 動(dòng)模結(jié)構(gòu)

2.3 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于大、小斜齒輪螺旋角不一致，其脫模需要不同動(dòng)作完成。小斜齒輪脫模通過絲桿與螺母的傳動(dòng)原理，將開模方向的運(yùn)動(dòng)通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換為小斜齒輪型腔板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。小斜齒輪型腔板與絲杠采用連接固定套固定，脫模過程中絲桿與型腔板同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，避免因脫模阻力過大而造成小斜齒變形、影響齒輪螺旋角β精度。脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下4個(gè)問題：①絲桿與螺母的配合間隙要合適，一般配合間隙為0.05～0.1 mm；②絲桿螺旋角必須≤45o，否則絲桿與螺母轉(zhuǎn)動(dòng)容易卡死；③絲桿的導(dǎo)程必須與小斜齒輪型腔板的導(dǎo)程相同，否則小斜齒輪脫模時(shí)齒形部分容易變形，尺寸精度較難得到保證；④絲桿的旋向必須與小斜齒輪型腔板旋向相同。

在絲桿軸肩和螺母固定套之間設(shè)計(jì)了鋼珠和保持架組成的簡易軸承，用來減小絲桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力。鋼珠和絲桿軸肩以及螺母固定套之間留有0.2 mm的間隙，用于自由調(diào)節(jié)絲桿和螺母間的配合間隙以及絲桿和小斜齒輪型腔導(dǎo)程加工誤差的補(bǔ)償。

大斜齒輪由于螺旋角與齒寬較小，材料也是POM（收縮率比較大，脫模性能佳），考慮在推出的同時(shí)通過塑件自轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)大斜齒的脫模。

2.4 型腔板定位設(shè)計(jì)

精密齒輪模具的型芯和型腔板的定位方式是影響齒輪精度的關(guān)鍵點(diǎn)之一，型芯和型腔板常見的定位方式主要有以下2種。

（1）型腔板與型芯之間采用精定位組件定位，如圖5所示，常見加工工藝：①型腔板與型芯外形設(shè)置加工余量，分別加工精定位組件的安裝孔；②將精定位組件分別裝入型腔板和型芯，并將型腔板與型芯閉合，用螺釘鎖緊；③調(diào)整型腔板與型芯外形至設(shè)計(jì)尺寸；④以型腔板與型芯外形為基準(zhǔn)加工成型部位。

圖5 精定位組件定位

（2）型腔板鑲件與型芯鑲件之間采用錐面定位，如圖6所示，該方式累積誤差小，定位精度高，所以精密雙聯(lián)塑料齒輪模具采用錐面定位結(jié)構(gòu)。

圖6 錐面定位及水路

2.5 斜齒輪型腔排氣設(shè)計(jì)

大多數(shù)齒輪模具分型面為平面，可以采用平面磨床進(jìn)行精密加工，而型芯鑲件通常設(shè)計(jì)成圓柱形，可采用精密內(nèi)外圓磨床進(jìn)行精加工，因此齒輪模具零件具有加工精度高，表面粗糙度低，配合間隙小等特點(diǎn)，齒輪模具的排氣設(shè)計(jì)非常重要。在齒輪注射模生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)填充不足、填充末端灼傷、內(nèi)應(yīng)力高而變形、表面流痕與熔接痕明顯等外觀缺陷，解決這些缺陷除了調(diào)整注射工藝，確認(rèn)模具澆口設(shè)計(jì)與加工是否合理外，還要考慮模具的排氣系統(tǒng)是否通暢及合理。一般解決此類問題的措施是開設(shè)排氣槽引出填充末端的高壓壓縮氣體，常用的齒面排氣槽結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 齒面排氣結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)排氣槽的主要作用有：①在注射熔融塑料時(shí)，排出型腔內(nèi)的空氣；②排出塑料在加熱過程中產(chǎn)生的各種氣體，特別是塑件薄壁部位和遠(yuǎn)離澆口的填充末端部位。對(duì)于高精密塑件和小型塑件也需重視排氣槽的設(shè)計(jì)，除了能避免表面灼傷和注射充填不足外，還可以消除各種不良缺陷，減少模具粉塵污染等。通常判定型腔排氣是否暢通的方法是以注塑機(jī)最高的注射速度注射熔體，塑件表面未留下焦斑即可確定型腔排氣充分。

2.6 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密齒輪注射模的模具溫度控制對(duì)齒輪形狀和尺寸精度都有重要影響。一般模具溫度太低會(huì)造成熔料流動(dòng)不暢，影響填充，還會(huì)降低成型塑件表面質(zhì)量，使表面無光澤，熔接痕更加明顯，且熔接強(qiáng)度降低，同時(shí)還會(huì)增大流動(dòng)剪切力，使塑件內(nèi)應(yīng)力變大，產(chǎn)生翹曲變形。對(duì)于聚甲醛（POM）類的結(jié)晶型塑料，模具溫度太低會(huì)影響塑件的結(jié)晶度，對(duì)性能質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。模具溫度太高會(huì)導(dǎo)致冷卻固化時(shí)間延長，影響生產(chǎn)效率，同時(shí)還會(huì)使塑件產(chǎn)生較大的收縮，影響尺寸精度，且易出現(xiàn)縮凹、溢邊和脫模變形等缺陷。模具溫度不均勻易造成塑件收縮不均勻，內(nèi)部應(yīng)力相差較大，產(chǎn)生翹曲變形等問題。

精密雙聯(lián)塑料斜齒輪采用POM材料，模具溫度是影響其結(jié)晶強(qiáng)度的主要因素之一。一般精密齒輪模具模溫應(yīng)控制在80～90℃，有利于晶體的生長，結(jié)晶狀態(tài)較完整，且流動(dòng)性好有利于填充，這樣才能得到強(qiáng)度更高、尺寸更穩(wěn)定的齒輪。

冷卻水路直接環(huán)繞在型腔板鑲件和型芯鑲件外圓上（見圖6），可以提高模具溫度控制能力，保證成型部位模溫的均勻穩(wěn)定，減少由于模具冷卻不均對(duì)塑件尺寸和力學(xué)性能的影響。為了避免流道熔料過早凝固影響對(duì)型腔的保壓，在推料板和定模座板上也設(shè)置了冷卻回路，確保模具溫度的穩(wěn)定。由于齒輪模具模溫較高，在冷卻回路設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮整幅模具的熱平衡問題，避免模具受熱不均勻，造成模具局部熱脹冷縮不一致，導(dǎo)致模具定位面的過早失效。

2.7 模具工作原理

模具結(jié)構(gòu)如圖8所示，當(dāng)注射完成后，動(dòng)模部分在注塑機(jī)滑塊帶動(dòng)下后退，開始分型。

圖8 精密雙聯(lián)塑料斜齒輪模具結(jié)構(gòu)

（1）第1次分型：開模時(shí)，在彈簧21作用下脫料板與定模板1開始分型，在拉料桿作用下主流道凝料固定在脫料板上，點(diǎn)澆口凝料被拉斷與成型塑件分離。

（2）第2次分型：模具繼續(xù)開模，在拉模扣22和等高螺釘作用下，脫料板與定模座板分離，將主流道凝料從澆口套和拉料桿上脫離，完成流道凝料的脫模。

（3）第3次分型：模具繼續(xù)開模，在開模輔助組件18作用下，定模板1與動(dòng)模板8分型，動(dòng)模墊板12和動(dòng)模墊板15此時(shí)暫不脫離，保證塑件留在動(dòng)模。

（4）第4次分型：模具繼續(xù)開模，在彈簧23作用下，動(dòng)模墊板12和動(dòng)模墊板15間分型到定距拉桿設(shè)定的位置過程中，螺母13帶動(dòng)絲桿17旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)小斜齒輪型腔板6旋轉(zhuǎn)脫模。

（5）注塑機(jī)頂出系統(tǒng)將成型塑件推出大斜齒輪型腔，機(jī)械手取走塑件，開模動(dòng)作完成。為防止推出時(shí)大斜齒輪齒形推出變形，推出速度需要放慢。

（6）模具合模。模具合模動(dòng)作為開模動(dòng)作的逆向，合模時(shí)需要注意的是上型腔板鑲件3與推桿20頂面為配合面，受力時(shí)容易損壞，通過設(shè)置彈簧19讓推桿20先復(fù)位可以解決該問題。

3 型腔板加工

為了便于模具制造加工及后續(xù)的生產(chǎn)維護(hù)，動(dòng)、定模各成型部分均設(shè)計(jì)成鑲件結(jié)構(gòu)。為了滿足塑件的成型精度要求，需嚴(yán)格控制鑲件間的配合間隙，這是保證齒形跳動(dòng)和同軸度的基礎(chǔ)。鑲件靜態(tài)配合間隙取0.001～0.003 mm，滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)配合的鑲件配合間隙要考慮生產(chǎn)過程中的熱膨脹影響，取0.005～0.015 mm。注射模能否高效穩(wěn)定地生產(chǎn)合格塑件，一方面取決于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，另一方面取決于型腔板的制造精度能否滿足要求。

由于塑料特有的注射成型收縮性，齒輪型腔形狀是一個(gè)非標(biāo)的內(nèi)外齒輪，齒輪型腔板的加工制造是模具制造的關(guān)鍵。目前齒輪型腔板加工的方式有電火花放電、慢走絲線切割、電鑄、擠壓等方法。2個(gè)斜齒輪的相對(duì)相位角有較高要求，在模具零件加工時(shí)需重點(diǎn)考慮。大斜齒輪型腔板是一個(gè)帶基準(zhǔn)平面的圓環(huán)，可以采用精密慢走絲線切割加工，端面相位精度較容易保證，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 大斜齒輪型腔板

小斜齒輪型腔板由于螺旋角較大，無法采用精密慢走絲線切割加工，可以采用帶旋轉(zhuǎn)軸的精密電火花加工。電火花加工時(shí)齒形端面相對(duì)相位角無法精確控制，要解決該問題，可以先加工斜齒輪成型部位，再通過精密測量端面齒形和基準(zhǔn)的相對(duì)相位角，確定齒輪型腔板鑲件的安裝位置，保證相對(duì)相位角精確。

小斜齒輪脫模是利用絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)型腔板旋轉(zhuǎn)抽芯，小斜齒輪型腔板與絲桿之間采用固定套連接，合模注射時(shí)在開模方向高度固定不變。為了確保絲桿螺母副運(yùn)動(dòng)順暢，絲桿和螺母之間留有0.2 mm的間隙，其間隙可通過在連接固定套上設(shè)置2個(gè)定位柱（均布在同一圓周上）與齒輪型腔固定套進(jìn)行精確定位來解決。

4 結(jié)束語

精密雙聯(lián)塑料斜齒輪是成型難度較大的塑件，從塑件結(jié)構(gòu)分析、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具工作原理、關(guān)鍵零件的加工制造等方面闡述在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的常見問題及解決方法，通過確定穩(wěn)定的成型工藝，逐步積累制造經(jīng)驗(yàn)，可為以后生產(chǎn)類似塑件提供指導(dǎo)。