帶金屬螺桿塑料斜齒輪注射模設(shè)計(jì)

胥樹志，顧來法，徐平均，潘玉明

（寧波雙林汽車部件股份有限公司，浙江 寧波 315600）

0 引言

近年來在汽車行業(yè)高速發(fā)展的帶動(dòng)下，采用鋼蝸桿與塑料斜齒輪（或塑料蝸輪）嚙合的交錯(cuò)軸傳動(dòng)輪系已經(jīng)在汽車搖窗、雨刮電機(jī)和電動(dòng)座椅調(diào)整系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。這類輕載交錯(cuò)軸傳動(dòng)輪系與傳統(tǒng)的鋼蝸桿-鋼蝸輪組合比較，具有質(zhì)量輕、噪音小、制造成本低和減震特性好等優(yōu)點(diǎn)。此外鋼蝸桿與塑料斜齒輪組合對(duì)潤(rùn)滑條件要求不高且電絕緣性能良好。圖1所示的斜齒輪螺桿組件在車用驅(qū)動(dòng)器上得到應(yīng)用，現(xiàn)從斜齒輪螺桿組件注射模設(shè)計(jì)方面介紹斜齒輪螺桿組件在注射成型時(shí)常見問題的解決方法，為模具設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

1 帶金屬螺桿嵌件塑料斜齒輪工藝分析

圖1所示塑料斜齒輪為調(diào)整汽車座椅用的傳動(dòng)零件，其中螺桿為金屬嵌件。齒型部分為外螺旋圓柱斜齒輪，法向模數(shù)m=1.04 mm，齒數(shù)z=25，螺旋角β=6.51°，法向壓力角α=12°，材料為Delrin 100P。斜齒輪用來傳遞運(yùn)動(dòng)，既可以獲得較好的傳動(dòng)能力，又能改善潤(rùn)滑條件，減少傳動(dòng)噪音。齒輪采用金屬螺桿作為芯軸，頭部斜齒輪由注射工藝包覆POM塑料成型，軸向基本對(duì)稱。

由于斜齒輪組件金屬螺桿嵌件較長(zhǎng)，齒型尺寸精度要求高，成型難度較大，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

（1）兩處軸頸分別成型在定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)，φ0.03 mm的同軸度較難保證。

（2）金屬螺桿嵌件較長(zhǎng)（個(gè)別型號(hào)在400 mm以上），注射成型時(shí)定位困難，且金屬螺桿容易彎曲變形，導(dǎo)致金屬螺桿相對(duì)于A、B基準(zhǔn)的軸向跳動(dòng)0.2 mm超差。

（3）金屬螺桿在大批量制造過程中，長(zhǎng)度尺寸難以保持一致，0.3 mm的公差帶對(duì)于鋼球與斜齒輪端面距離尺寸（20±0.03）mm的影響較大，一般的模具結(jié)構(gòu)難以保證其精度要求，模具結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

（4）由于金屬螺桿嵌件的存在，導(dǎo)致塑料斜齒輪的收縮復(fù)雜，這種斜齒輪的收縮特性與普通圓柱斜齒輪不同，在成型斜齒輪型腔設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行特殊處理。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜齒輪塑件因齒形具有螺旋角，脫模有一定難度，常用的脫模方式是讓齒形型腔板旋轉(zhuǎn)或讓齒輪塑件旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行脫模。探討的塑料斜齒輪由于帶有金屬螺桿嵌件，模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了使齒形型腔板鑲件旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行脫模，模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。模具采用1模2腔、3點(diǎn)平衡式澆口進(jìn)澆的三板式結(jié)構(gòu)，在定模上設(shè)計(jì)成型斜齒輪的型腔板鑲件，開模時(shí)利用斜齒輪對(duì)型腔板鑲件施加的側(cè)向推力使型腔板鑲件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)脫模。通過在金屬螺桿嵌件下方設(shè)置彈頂桿和滑塊延時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)，保證成型斜齒輪塑件高度尺寸的精度要求。實(shí)踐證明，這種脫模方式能滿足斜齒輪塑件的尺寸精度要求，生產(chǎn)的斜齒輪組件齒形精度可達(dá)到國標(biāo)GB/T 10095—2001 8級(jí)精度，齒距精度達(dá)到9級(jí)，螺旋線精度達(dá)到10級(jí)，3項(xiàng)指標(biāo)均符合圖紙的精度要求。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

斜齒輪模具工作原理如下。

（1）利用機(jī)械手將金屬螺桿嵌件30放入動(dòng)模，使螺桿尾部與彈頂桿32接觸，當(dāng)金屬螺桿嵌件放置完成后，動(dòng)模部分在注塑機(jī)座板帶動(dòng)下，開始合模。導(dǎo)柱25首先進(jìn)入安裝在動(dòng)模板4上的導(dǎo)套孔內(nèi)，對(duì)動(dòng)模和定模的合模進(jìn)行導(dǎo)向。在彎銷12的作用下滑塊合模將金屬螺桿嵌件30進(jìn)行初步夾緊定位，此時(shí)金屬螺桿還未完全固定，還能上下竄動(dòng)。繼續(xù)合模，由于在彈簧26和磁力鎖模組件13的作用下，動(dòng)模板4和定模板28合模，滑塊鑲件7在鎖緊塊的作用下合攏將螺桿嵌件進(jìn)行中心定位，使螺桿嵌件插入澆口鑲件19的孔位中。硬質(zhì)合金鑲件21接觸螺桿嵌件頭部的鋼球后將螺桿嵌件向下推動(dòng)使彈簧33受到壓縮，在彈簧33的作用下確保硬質(zhì)合金鑲件21與金屬螺桿嵌件頭部的鋼球保持接觸。繼續(xù)合模，當(dāng)推料板24與滑塊鎖緊塊9接觸后將彈簧8壓縮，使2個(gè)滑塊完全鎖緊，將金屬螺桿嵌件30固定，防止注射過程中金屬螺桿嵌件30向下竄動(dòng)。

（2）動(dòng)、定模合模完成后，進(jìn)行注射、保壓、冷卻等，當(dāng)注射完成后，動(dòng)模部分在注塑機(jī)座板帶動(dòng)下，開始分型。第Ⅰ次分型：在彈簧26的作用下，推料板24與定模板28分型，在拉料桿22的作用下，主流道凝料被固定在推料板24上，點(diǎn)澆口被拉斷且與成型塑件分離。第Ⅱ次分型：模具開模一定距離后，在定距拉桿20的作用下，推料板24與定模座板23開始分離，將主流道凝料從澆口套和拉料桿22上脫離，完成流道凝料的脫模。第Ⅲ次分型：模具繼續(xù)開模，在磁力鎖模組件13和定距拉桿27的作用下，定模板28與動(dòng)模板4分型，此時(shí)滑塊鎖緊塊9與滑塊6分離，在彎銷12的作用下，滑塊鑲件7繼續(xù)對(duì)金屬螺桿嵌件30保持夾緊狀態(tài)，成型的塑料斜齒輪在滑塊鑲件7上設(shè)置的環(huán)形槽拉力作用下留在動(dòng)模，開模過程中，塑料斜齒輪對(duì)斜齒輪型腔板鑲件17施加一個(gè)側(cè)向推力，使型腔板鑲件17在簡(jiǎn)易滾珠軸承18的輔助下進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，斜齒輪塑件從型腔板鑲件17中脫出。繼續(xù)開模，滑塊6在彎銷12的作用下向兩邊分開，滑塊鑲件7與成型塑件分離，此時(shí)動(dòng)模和定模完全分開。

（3）開模一定距離后，注塑機(jī)座板停止運(yùn)動(dòng)，注塑機(jī)頂出液壓缸開始動(dòng)作，推動(dòng)頂出加長(zhǎng)塊35將推板2向前推動(dòng)，此時(shí)固定在推板2上的彈頂套31帶動(dòng)金屬螺桿嵌件30將塑料斜齒輪從模具中推出，注塑機(jī)頂出液壓缸回退復(fù)位，推板2在復(fù)位彈簧15的作用下完成復(fù)位。機(jī)械手取出斜齒輪組件，整個(gè)開模動(dòng)作完成。

3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑料齒輪注射模設(shè)計(jì)時(shí)，澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)注射成型至關(guān)重要，其不但影響成型塑件的外觀質(zhì)量、尺寸精度，還對(duì)塑件力學(xué)性能有較大影響。模具選擇3點(diǎn)平衡進(jìn)澆方式，且3個(gè)點(diǎn)澆口在同一圓周均勻分布，如圖3所示。采用3點(diǎn)平衡進(jìn)澆時(shí)，塑料熔體從澆口呈輻射狀向四周流動(dòng)，纖維的取向差異比采用單點(diǎn)偏心澆口小，成型的齒輪精度相對(duì)更高。對(duì)精密塑料齒輪成型模采用平衡進(jìn)澆和保壓暢通是流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的2個(gè)關(guān)鍵因素，一方面只有采用平衡式進(jìn)澆，才能保證成型的塑料齒輪的尺寸精度，多型腔齒輪模具更是如此；另一方面保壓暢通是保證成型塑料齒輪具有優(yōu)良力學(xué)性能的必要條件。一般塑料齒輪注射模生產(chǎn)時(shí)都需要采用較高的注射壓力和保壓壓力，這樣才能使成型塑件具有較高的密度和尺寸穩(wěn)定性。

圖3 點(diǎn)澆口進(jìn)澆方式

4 型腔設(shè)計(jì)

模具型腔設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，主要由斜齒輪型腔板鑲件、澆口鑲件、硬質(zhì)合金鑲件、滾珠和保持架組成的簡(jiǎn)易軸承、固定板等組成，如圖4所示。斜齒輪型腔板鑲件和固定板之間為間隙配合（間隙為0.02～0.03 mm），便于斜齒輪型腔板鑲件在脫模時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。斜齒輪型腔板鑲件通過外圈的錐面和型芯及內(nèi)圈的錐面和澆口鑲件進(jìn)行定位。通過兩處錐面的精密定位保證成型塑件軸頸處的φ0.03 mm同軸度要求。在型腔板鑲件軸肩和固定板之間設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易軸承以減小型腔板鑲件旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力。簡(jiǎn)易軸承和斜齒輪型腔板鑲件以及固定板之間留有0.5 mm的間隙。開模時(shí)，型腔板鑲件可以向外拉出0.5 mm，使型腔板鑲件與澆口鑲件分開，避免型腔板鑲件與澆口鑲件之間產(chǎn)生的摩擦力阻礙型腔板鑲件旋轉(zhuǎn)。在澆口鑲件上設(shè)計(jì)一個(gè)硬質(zhì)合金鑲件，防止在批量生產(chǎn)中螺桿嵌件頭部的鋼球磨損，以確保成型塑件（20±0.03）mm尺寸的穩(wěn)定性。

圖4 組合式型腔結(jié)構(gòu)

5 滑塊和脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑塊采用鑲件式結(jié)構(gòu)，由彎銷對(duì)滑塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為了確保成型塑件（20±0.03）mm尺寸的穩(wěn)定性，消除金屬螺桿嵌件的長(zhǎng)度尺寸誤差，對(duì)滑塊的鎖緊方式進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，采用了延時(shí)鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 滑塊結(jié)構(gòu)形式

斜齒輪塑件為了配合脫模在軸頸下面設(shè)計(jì)1個(gè)環(huán)形槽，如圖6所示。環(huán)形槽的存在可以確保在開模時(shí)能將成型塑件留在動(dòng)模，使齒形部分順利脫模。

圖6 塑件上的環(huán)形槽

模具合模時(shí)，為了使螺桿嵌件插入澆口鑲件19的孔位中，必須使滑塊先復(fù)位將螺桿嵌件固定，才能確保螺桿嵌件中心位置不出現(xiàn)偏移，合模時(shí)不會(huì)損壞型腔壁，因此模具采用彎銷對(duì)滑塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用彎銷驅(qū)動(dòng)滑塊可使滑塊延時(shí)滑開，在開模過程中，塑料斜齒輪驅(qū)動(dòng)型腔板鑲件旋轉(zhuǎn)脫模時(shí)，滑塊鑲件7不會(huì)從成型塑件的環(huán)形槽中脫出。

滑塊采用延時(shí)鎖緊方式的主要原因是螺桿嵌件上焊接了一個(gè)金屬環(huán)（見圖7），而點(diǎn)澆口位置位于金屬環(huán)的上方，熔體注射時(shí)，熔體會(huì)對(duì)金屬環(huán)產(chǎn)生較大的沖擊力，使金屬螺桿嵌件向下竄動(dòng)，導(dǎo)致金屬螺桿出現(xiàn)位移和彎曲變形，影響成型塑件（20±0.03）mm尺寸的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，解決該問題有如下2種方法。

圖7 螺桿上焊接的金屬環(huán)

（1）將金屬螺桿的長(zhǎng)度尺寸公差控制在±0.03 mm，以滿足斜齒輪組件的尺寸要求。

（2）在模具結(jié)構(gòu)上使斜齒輪組件在熔體注射時(shí)確保金屬螺桿嵌件頭部的鋼球與硬質(zhì)合金鑲件21始終保持接觸，金屬螺桿嵌件不向下竄動(dòng)。

金屬螺桿在大批量生產(chǎn)過程中，要將長(zhǎng)度尺寸公差控制在±0.03 mm較困難，也不經(jīng)濟(jì)，±0.15 mm的加工誤差可以接受，因此只能從模具結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮。要使斜齒輪組件在熔體注射時(shí)金屬螺桿嵌件不向下竄動(dòng)，一般是在金屬螺桿嵌件的下方增加強(qiáng)力彈簧，用彈簧的彈力消除螺桿嵌件的長(zhǎng)度誤差，同時(shí)克服在注射熔體時(shí)對(duì)金屬環(huán)產(chǎn)生的沖擊力，如圖8所示。

圖8 螺桿下方增加彈簧機(jī)構(gòu)

在金屬螺桿嵌件的下方增加強(qiáng)力彈簧后，開模時(shí)彈簧對(duì)金屬螺桿嵌件施加較大的推力，該推力可能使斜齒輪組件上用來輔助脫模的環(huán)形槽拉裂，還可能使螺桿嵌件彎曲變形，影響螺桿的跳動(dòng)精度。為了解決這些問題，模具采用輕載荷彈簧以減小螺桿嵌件的長(zhǎng)度誤差，避免彈簧彈力過大導(dǎo)致金屬螺桿嵌件彎曲變形，同時(shí)利用滑塊對(duì)螺桿嵌件的強(qiáng)力鎖緊克服在注射階段熔體對(duì)金屬環(huán)產(chǎn)生的沖擊力，避免螺桿嵌件向下竄動(dòng)。

鎖緊塊9固定在定模板28和推料板24之間，在動(dòng)模板4和定模板28合模階段并未將滑塊鑲件7鎖緊，這樣在動(dòng)模板4和定模板28完全合模前，螺桿嵌件在滑塊的環(huán)抱中可以向下自由移動(dòng)。只有當(dāng)推料板24與滑塊鎖緊塊9接觸后才能使2個(gè)滑塊完全鎖緊，將金屬螺桿嵌件固定，防止在注射過程中金屬螺桿嵌件向下竄動(dòng)。

在模具中未采用常用的尼龍鎖模器和其他機(jī)械式鎖模裝置，而是采用了沒有合模阻力的磁力鎖模組件，目的是確保動(dòng)模板4和定模板28先于動(dòng)模板與推料板24合模之前完全合模，避免滑塊將螺桿嵌件固定后動(dòng)模板和定模板還沒有完全合模導(dǎo)致螺桿嵌件頭部出現(xiàn)壓彎、螺桿嵌件頸部出現(xiàn)擦傷等缺陷。

6 結(jié)束語

帶金屬嵌件的塑料斜齒輪是成型難度較大的塑件，介紹了在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上常見的一些問題及解決方法，而對(duì)于塑料齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣重要的收縮率設(shè)計(jì)、齒形參數(shù)設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)、齒形型腔加工工藝、注射工藝參數(shù)、型腔和成型塑件檢測(cè)方法等方面沒有涉及，相關(guān)內(nèi)容可以查閱相關(guān)資料。