魏 崢，趙世季，孔 建

WEI Zheng1, ZHAO Shi-ji2, KONG Jian3

（1. 山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049；2. 上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232；3. 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，煙臺(tái) 264006）

0 引言

注塑成型[1,2]是批量生產(chǎn)某些形狀復(fù)雜部件時(shí)用到的一種加工方法，是將受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品。汽車齒輪的注塑模具是一種高精密的模具，然而注塑成型已經(jīng)成為塑料齒輪成型加工的一種重要方法，這種模具不僅能降低制造成本，而且還能提高生產(chǎn)效率，具有噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)以及抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。

塑料齒輪注塑模具[3,4]不需要復(fù)雜的切削加工，制造工序少，便于批量生產(chǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、家電以及玩具等許多領(lǐng)域。本文主要介紹了汽車齒輪注塑模具的設(shè)計(jì)研究以及分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

1 注塑模具的結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1 常用塑料齒輪用材及特點(diǎn)

常用汽車齒輪基本上是用調(diào)質(zhì)鋼制成，然而與傳統(tǒng)的金屬齒輪相比，這種塑料的齒輪[4]不僅具有質(zhì)量輕、運(yùn)行平穩(wěn)及耐磨性好，而且生產(chǎn)成本低、成形工藝好以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是逐步成為市場上應(yīng)用較廣能夠替代金屬齒輪的優(yōu)良用材。然而由于塑形齒輪具有強(qiáng)度低、抗熱變形及傳熱性差[4,5]等缺點(diǎn)，使得塑料齒輪只能適用于一些載荷輕而要求不高的條件下。

塑料齒輪常用材料一般為熱塑性較好的塑料制成。線型結(jié)構(gòu)和體型結(jié)構(gòu)是塑料高分子的兩種基本類型，前者由于加熱可塑、彈性好，屬于熱塑性塑料；而后者彈性差、不可塑等缺點(diǎn)，故不可重塑利用屬于熱固性塑料。常用的熱塑性汽車齒輪塑料如表1所示。

表1 常用塑料齒輪所用材料

1.2 塑料齒輪失效形式及機(jī)理的分析

塑料齒輪最重要的特點(diǎn)就是質(zhì)量輕，強(qiáng)度低，在正常運(yùn)行工作當(dāng)中由于強(qiáng)度不足而造成的齒面斷齒、點(diǎn)蝕以及高溫?zé)彳浕仁问絒3]。按照傳動(dòng)方式主要有：1) 開式傳動(dòng)：齒面磨損、輪齒大面積疲勞折斷、鍵槽根處開裂等；2) 閉式傳動(dòng)：高速（≥500 r/min）輪齒疲勞折斷、齒面高溫?zé)齻龋恢械退贂r(shí)，由于長期磨損、輪齒端面疲勞折斷。很明顯的看出塑料齒輪與鋼制齒輪有很大差異，鋼制齒輪主要是點(diǎn)蝕失效形式，而塑料齒輪則沒有。另外塑料齒輪的主要疲勞折斷點(diǎn)是從節(jié)點(diǎn)附近略偏齒根處折斷，具體位置如圖1所示。

塑料齒輪失效折斷的位置如圖2所示，在齒輪的A和B位置處，由于齒輪長時(shí)間疲勞受力時(shí)產(chǎn)生的高溫迫使齒輪軟化，齒輪嚙合點(diǎn)也在A和B處，使得齒輪此時(shí)不僅受力很集中，而且受力很大，所以齒輪就容易從靠齒根處斷裂失效。

圖1 塑料齒輪折斷位置點(diǎn)如A和B處

2 齒輪注塑模具設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的三維立體構(gòu)造齒輪設(shè)計(jì)出注塑模具的結(jié)構(gòu)圖和裝配圖。選擇的齒輪模數(shù)為3，齒數(shù)為32，齒寬為22mm，該塑件模具的設(shè)計(jì)之前還需要考慮型腔尺寸、型腔數(shù)、脫模機(jī)構(gòu)、澆注道[6～8]等。

2.1 型腔尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算

設(shè)計(jì)齒輪注塑成型凸模與凹模型腔尺寸是一項(xiàng)很關(guān)鍵的任務(wù)，然而塑料齒輪區(qū)別于一般的塑料產(chǎn)品。由于塑料齒輪模具的特殊性，必須有效而正確的選擇尺寸收縮率去計(jì)算模具尺寸，具體的計(jì)算公式如下所示：

型腔深度尺寸：

型腔徑向尺寸：

型芯徑向尺寸：

型芯深度尺寸：

上面四個(gè)公式中LM和dM分別為型芯和型腔名義尺寸，而LS和dS為塑料件的名義尺寸，Δ為材料制造所允許的公差，δCP為收縮率，φZ為材料制造公差。依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，可以合理的選擇參數(shù)，精確計(jì)算出上式中的相關(guān)模具參數(shù)。

2.2 模具型腔數(shù)的確定

由于汽車齒輪注塑模具是一種高精密的模具，加上齒輪外形的特殊，最好選擇一模一腔。如果一模兩腔或多腔會(huì)造成齒輪的精確度控制不夠準(zhǔn)確，使得注塑模具在生產(chǎn)制造中無法有效調(diào)試，延長調(diào)試周期，降低生產(chǎn)效率。凸凹模的選擇也很關(guān)鍵，凹模一般選用整體式或者整體嵌入式，由于這種凹模是一個(gè)整體，不僅節(jié)省材料及空間，而且牢固不容易變形。模具嵌入件有比較高的精密度，可以更換，調(diào)試性好而且還節(jié)省了模具材料。

根據(jù)注塑機(jī)的合模力可以估算出模具型腔數(shù)N，由式(5)計(jì)算：

式中，F(xiàn)為注塑機(jī)的額定合模力KN，N為型腔數(shù)目，P為塑料熔體對型腔的平均壓力MPa，A1為澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積cm2，A2為單個(gè)產(chǎn)品在分型面上的投影面積cm2。

2.3 脫模機(jī)構(gòu)

脫模機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)齒輪注塑件從注塑模具中脫離出來的一種機(jī)構(gòu)，也稱作為頂出機(jī)構(gòu)。在注塑成型的每一循環(huán)中都會(huì)頂出脫模，便于注塑件順利脫出，其設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)可靠，保證塑件外觀盡量良好無損以及推出時(shí)不變形等原則。

按照驅(qū)動(dòng)方式可以選擇不同的脫模方式[8,9]。主要分為機(jī)動(dòng)推出機(jī)構(gòu)、手動(dòng)推出機(jī)構(gòu)、液壓推出機(jī)構(gòu)以及氣壓推出機(jī)構(gòu)等。機(jī)動(dòng)推出機(jī)構(gòu)主要在開模分型時(shí)隨著動(dòng)模一起移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到適當(dāng)位置時(shí)脫模機(jī)構(gòu)被頂桿頂住不動(dòng)，而動(dòng)模仍然移動(dòng)，這種脫模方式不僅生產(chǎn)效率高，而且頂出力大能快速頂出塑件；手動(dòng)推出機(jī)構(gòu)利用手動(dòng)杠桿方式直接用手取出或夾出注塑件而不需要脫模裝置。液壓或氣壓脫模機(jī)構(gòu)由于設(shè)有專用的油缸或氣路，可以有效地頂出注塑件而不留痕跡。

2.4 澆注道的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)[7,9]在注塑模具設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵性的作用。合理的選擇澆注系統(tǒng)類型和結(jié)構(gòu)可以使液態(tài)物質(zhì)平穩(wěn)充滿砂型；能夠阻擋雜質(zhì)或夾雜物等進(jìn)入型腔，以免形成渣孔或縮松；調(diào)節(jié)塑型與塑件各部分的溫度分布以控制塑件的凝固順序能起一定的補(bǔ)縮作用，在內(nèi)澆道凝固前補(bǔ)給部分液態(tài)收縮；讓液態(tài)物質(zhì)以最短的距離，最合適的時(shí)間充滿型腔，有足夠的壓力，并保證液面在型腔內(nèi)有一定的上升速度等，以確保塑件的質(zhì)量；充型流股不要正對著冷件和芯撐；優(yōu)良的澆注系統(tǒng)能夠節(jié)約材料，有利于減少冒口的體積。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，利于提高塑件面積的利用率，便于造型和從塑件上清除，如圖2所示為典型的澆注系統(tǒng)。

圖2 典型的澆注系統(tǒng)

2.5 注塑模具總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

綜上幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算，可以設(shè)計(jì)總的注塑齒輪模具結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)分析設(shè)計(jì)得到的模具結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3(a)是注塑齒輪的結(jié)構(gòu)圖，很清楚的了解齒輪的外形與整體結(jié)構(gòu)；圖3(b)是注塑模具的總裝配圖。

圖3 模具結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)注塑機(jī)開模后，由于在彈簧12的作用下，首先從模具右邊分型，通過點(diǎn)澆口和拉料桿14的作用，將澆注系統(tǒng)從定模固定板2中拉出，然后模具又從中部分型，將點(diǎn)澆口拉斷，澆注系統(tǒng)中的凝料將依靠重力自動(dòng)墜落；當(dāng)主流道凝料完全脫出定模板后，導(dǎo)柱4和限位釘19阻止中間的流道板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)以及開模，為塑料件的脫模留出多余空間，此時(shí)嵌件從定位孔中拉出。接著注塑機(jī)推出系統(tǒng)開始工作，最終動(dòng)模側(cè)的推板6將塑料件從凹模型腔上推出完成脫模。

3 結(jié)束語

通過對汽車齒輪注塑模具的結(jié)構(gòu)分析與研究，設(shè)計(jì)了如圖3所示的注塑模具結(jié)構(gòu)總圖，緊湊的模具結(jié)構(gòu)，塑件與模具配合牢固可靠，可以有效而快捷地將注塑件從模具中脫離出，實(shí)現(xiàn)了齒輪外觀尺寸的精確性及精密性，同時(shí)還提高了實(shí)際的批量生產(chǎn)效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李德群.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,1994.

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