李回庭，趙桂花

(東莞市機(jī)電工程學(xué)校， 廣東 東莞 523846)

0 引言

模具設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)遇到一些帶螺紋特征的產(chǎn)品，對(duì)于這類模具的設(shè)計(jì)，需要運(yùn)用一些復(fù)雜的機(jī)械原理。通常設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，比如滑塊、斜頂機(jī)構(gòu)，都是做直線運(yùn)動(dòng)，模具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是有彎管、螺紋特征的產(chǎn)品，都會(huì)做旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)加直線運(yùn)動(dòng)，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造維護(hù)成本較高[1]。本文作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，摸索出一套螺紋模具，巧用凸輪、滑塊定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確脫模，能簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)精度及模具穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品報(bào)廢率，節(jié)省成本，從而提高生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)品要求及工藝性分析

現(xiàn)有某公司產(chǎn)品： 保溫杯杯蓋,材料為食用聚丙烯(polypropylene, PP)。要求一模四腔，有較高的耐沖擊性，機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)韌[2]，3D外觀和剖面圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 保溫杯蓋外觀圖

圖2 保溫杯蓋剖面圖

從產(chǎn)品外形及結(jié)構(gòu)上分析： 外形有兩處滑塊倒扣，后模有一圈牙需要自動(dòng)脫螺紋。

因?yàn)楫a(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的原因，牙的起始位置對(duì)每一次生產(chǎn)出來(lái)的螺紋都要在同一位置，以保證杯蓋扭緊后與杯身手柄對(duì)齊。

因日用品市場(chǎng)需求很大，模具使用壽命要求在10年以上。所以模具設(shè)計(jì)針對(duì)螺紋制品牙的起始位置，要求相同的結(jié)構(gòu)有牙套退牙機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。但是牙套與螺紋軸摩擦容易磨損，導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率高，生產(chǎn)約5萬(wàn)次就需要下機(jī)修模，更換牙套，這樣既影響生產(chǎn)效率，又浪費(fèi)成本。本套模具，客戶要求不使用牙套退牙，而要利用產(chǎn)品本身的液壓馬達(dá)推板邊頂邊退牙，自動(dòng)生產(chǎn)[3]。這樣生產(chǎn)穩(wěn)定，不用經(jīng)常從注塑機(jī)卸模、修模，保證了生產(chǎn)進(jìn)度，節(jié)省了因模具維修消耗的時(shí)間和材料。但是液壓馬達(dá)推板退牙結(jié)構(gòu)是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，不能保證馬達(dá)每次都轉(zhuǎn)同樣的圈數(shù)，每一次不一樣的角度使產(chǎn)品的起始牙都不在同一位置，產(chǎn)品容易報(bào)廢。因此需要增加定位機(jī)構(gòu)來(lái)解決這一問(wèn)題。如果螺紋軸定位都旋轉(zhuǎn)整數(shù)圈，則有很多方案可以參考，但很多模具脫模圈數(shù)不是整數(shù)圈，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度。下面對(duì)螺紋起始牙定位方案進(jìn)行分析比較。

圖3 牙套退牙結(jié)構(gòu)

2 螺紋起始牙定位方案

1) 齒條的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)起始牙定位[4]。但是如果產(chǎn)品牙的圈數(shù)太多，則齒條油缸太長(zhǎng)，模具與齒條不成比例，模具整體不美觀，同時(shí)也需要增加很多加速輪組來(lái)減短齒條行程，這樣模具非常復(fù)雜，也很容易斷齒。即便這樣,齒條油缸還是很長(zhǎng)，所以這種結(jié)構(gòu)并不理想。

2) 步進(jìn)電機(jī)也可以準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度，但步進(jìn)電機(jī)扭矩太小，成本相對(duì)較高[5]。

3) 用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)凸輪滑塊定位機(jī)構(gòu)定位，也就是可以不計(jì)圈數(shù)地正轉(zhuǎn)，但反轉(zhuǎn)最多只能轉(zhuǎn)一圈就會(huì)停止。

以上3種定位方法都能解決往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的定位，但是對(duì)于有彎管、螺紋特征的產(chǎn)品，需要旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)加直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位脫模，這3種方法顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)順利脫模[6]。但如果設(shè)計(jì)成凸輪滑塊機(jī)構(gòu)，就可以很好解決螺紋模具脫模不是整數(shù)圈問(wèn)題。凸輪滑塊定位原理： 齒輪向模具需要的方向旋轉(zhuǎn)，漸開(kāi)線慢慢壓縮滑塊彈簧使滑塊直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙旋轉(zhuǎn)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)最多一圈就會(huì)被滑塊擋住，保證每次都在同一位置，為了防止齒輪損壞滑塊，要求生產(chǎn)時(shí)，注塑機(jī)參數(shù)設(shè)定馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)壓力不要太大、時(shí)間不能太長(zhǎng)，以免長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)損壞滑塊。現(xiàn)巧用凸輪定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行螺紋模具設(shè)計(jì)，包含凸輪結(jié)合滑塊定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液壓馬達(dá)推板脫牙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，定位凸輪設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)4個(gè)部分。

3 凸輪結(jié)合滑塊定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪結(jié)合滑塊定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，機(jī)構(gòu)處于自由狀態(tài)，由齒輪、漸開(kāi)線凸輪、滑塊組件、彈簧組成。將凸輪與漸開(kāi)線齒輪疊加安裝，安裝要求同軸度小于0.06 mm，齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頂桿向右移動(dòng)，滑塊壓縮彈簧帶動(dòng)模具實(shí)現(xiàn)脫模，利用凸輪定位機(jī)構(gòu)可以精確地控制脫模速度和長(zhǎng)度，可以解決螺紋脫模不是整數(shù)圈問(wèn)題。

圖4 凸輪、滑塊定位機(jī)構(gòu)

4 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)如圖5所示，一模四腔，主動(dòng)輪通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)惰輪，保持方向與主動(dòng)輪一致。然后驅(qū)動(dòng)滑塊結(jié)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

圖5 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，凸輪、滑塊定位結(jié)構(gòu)

5 液壓馬達(dá)推板脫牙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)推板脫牙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體設(shè)計(jì)零件組成及標(biāo)注如圖7所示。

圖6 液壓馬達(dá)推板脫牙結(jié)構(gòu)圖

由圖7可知： 推板脫牙機(jī)構(gòu)由滑塊1、滑塊2、后模、限位螺絲、推板、彈簧、圓錐滾子軸承、齒輪、螺紋軸、后模鑲件組成。

圖7 液壓馬達(dá)推板牙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)推板脫牙結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理為： 開(kāi)模后，滑塊側(cè)向打開(kāi)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪螺紋軸原地旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)品在牙及推板(彈簧)的作用下只能向上移動(dòng)，慢慢與螺紋軸及后模分離，直到全部牙脫離螺紋軸限螺位，螺絲限位，使推板不能向上彈，機(jī)械手取產(chǎn)品完成整個(gè)動(dòng)作。要求彈簧力度大小要合適，力度大了會(huì)破壞產(chǎn)品牙型形狀；小了彈不動(dòng)推板，因此要設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的彈簧，并且可以根據(jù)彈簧力的大小，由小到大調(diào)試模具。

6 定位凸輪設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1) 定位凸輪無(wú)論模具出多少腔，都只需要一個(gè)定位，因?yàn)槁菁y軸上的齒輪都是同步的，可以保證脫模方向和脫模速度一致。

2) 定位凸輪最好放在螺紋軸齒輪上，這樣就不用考慮傳動(dòng)比問(wèn)題[7]。如果定位凸輪只能放在中間惰輪或主動(dòng)輪上，則要把惰輪的齒數(shù)設(shè)計(jì)成跟螺紋軸上的齒輪齒數(shù)一樣，以保證傳動(dòng)比(1∶1)，惰輪與螺紋軸上的齒輪才能同步。定位凸輪放在螺紋軸齒輪也是本設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處。

7 凸輪定位機(jī)構(gòu)在螺紋模具設(shè)計(jì)的試模效果

使用本設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別注塑加工50件零件，試模效果如表1所示。

表1 本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)試模效果比較

8 結(jié)論

采用液壓馬達(dá)推板自動(dòng)退牙加上凸輪滑塊定位機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性，從而降低了生產(chǎn)成本。本設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)便，降低了廢品率，為其他類似螺紋產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)提供了參考。