带直齿轮结构的模具设计（正斜组合双联齿轮注射模设计）

作者：姜伯军（江苏常州明顺电器有限公司）

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【摘要】介绍了正、 斜组合双联齿轮的成型特点和成型工艺， 斜齿轮成型的模具结构设计要素， 正、 斜两种不同齿形成型的动、 定模分型面的选择， 浇注系统选用设计， 以及模具成型部分和总装结构的设计。

关键词：工艺分析；浇注系统；斜齿轮；顶出与旋转脱模；模具总装结构

1 引言

正、 斜两种不同齿形的齿轮注射成型， 模具结构的主要区别在于：正齿轮一般在注射成型后， 大都采用推杆或推管顶出脱模的形式；斜齿轮在成型后的脱模， 塑件是无法 “转动” 的， 而只有通过齿片的逆向“转动” ， 来推出塑件实现齿轮的脱模。该塑件为正、斜两种不同齿形组合的双联齿轮， 成形上部的正齿轮， 齿片不需 “转动” ， 可直接推出脱模， 而下部的斜齿轮则必须逆向 “转动” ， 实现脱模。因此， 针对该塑件的注射成型， 必须设计出完全适合成型要求的注射模具结构。

2 正、 斜组合双联齿轮的工艺性分析

图1所示为一小型减速器齿轮组中的力矩传递用中间齿轮， 该齿轮下部为正齿轮， 上部为斜齿轮的组合双联齿轮结构。

2.1 塑件的结构特点

（1） 正、 斜双联组合齿轮为两不同直径渐开线圆柱正齿轮与斜齿轮的组合体， 两齿轮的齿间无相对位置关系要求。

（2） 两齿轮精度均为9级 （GB2363-80） ， 上部齿轮的螺旋角为右旋12°， 下部为正齿轮， 由于是双联组合齿轮， 必须保证两齿轮与中心轴孔 ϕ 6mm的同轴度。

（3） 两种齿型的齿轮为达到塑料成型所需的工艺要求， 避免和减少注射成型时的收缩变形， 在进行具体塑件的结构设计时， 两齿轮内、 外圈均为轮辐式加强筋的结构形式 （均为8细片加强筋） ， 同时充分考虑到了整体壁厚的均匀性和所需的脱模斜度。

2.2 塑件的成型工艺性分析

（1） 塑件材料的正确选择。在工程塑料中PA （尼龙） 和POM （聚甲醛） 是制作齿轮的最佳材料， 这两类塑料均具良好的成型特性， 自润性好， 又有较好的尺寸稳定性， 同时具有较好的刚性与强度。其中PA塑料吸湿性较大， 又因其流动性好而溢料间隙较小， 约为0.02mm。POM塑料具有较高的机械强度、 硬度和刚性， 抗冲击尤其是抗蠕变性优于PA塑料， 而其耐疲劳性在所有热塑性塑料中最佳， 而流动性一般， 溢料间隙约为0.04mm。而本塑件注射成型后的脱模， 尤其是斜齿轮的脱模是通过成型齿片的 “转动” 来实现的， 该 “转动” 就必须在模具中的相关成型零件间留有间隙。而PA塑料的0.02mm溢料间隙值必定对模具中的留置间隙有直接影响。综合以上因素， 最终确定选用POM （聚甲醛） 塑料。

（2） 塑件的尺寸精度、 表面质量分析。该塑件的关键尺寸：中心轴孔 ϕ6 0.06 0.02 mm， 两斜齿轮的中心轴线与中心轴孔 ϕ 6mm基准轴线的同轴度≤ ϕ 0.08mm。主要尺寸：斜齿轮的外圆直径分别为 ϕ 35-0.20 mm 及ϕ 43-0.20 mm。虽该塑件的关键尺寸精度要求较高， 但与之对应的模具相关零件的尺寸加工可以保证。同时在注射成型过程中对各工艺参数进行及时、 合理的调整， 完全能达到图示的技术要求。而主要尺寸部分的精度要求更能得到保证。中心轴孔 ϕ 6mm内表面及两个齿轮的工作齿面粗糙度要求可以通过提高成型ϕ 6mm轴孔的模具型芯表面和齿圈的齿面2～3个精度等级来实现。

图1 正、 斜组合双联齿轮

3 正、 斜组合双联齿轮的成型工艺特点

（1） 本塑件材料确定为POM （聚甲醛白） ， 体积收缩率较大为2％～3％。在模具设计的成型尺寸计算中应充分考虑到塑件尺寸收缩的不均匀性。因齿廓部分与其他结构部位的形状存在一定的差异， 对成型收缩率的选取也应有相应的变动。由于POM塑料在注射成型过程中会产生一定的分解气体， 在模具结构设计时， 可通过模具型芯 ϕ 6mm轴与轴孔的配制间隙，推管与 ϕ 6mm芯轴之间的间隙， 成型齿片与相关模具的其他成型零件间的间隙 （共有3处模具工作零件的配置件间隙） 来实现模具的排气。

（2） 由该塑件的结构特点与模具注射成型的过程要求所限定， 采用一模一腔的模具结构形式较为合理。

（3） 分型面的选择。ϕ 43mm斜齿轮大端面为塑件的最大轮廓， 以该端面为动、 定模间的分型面。两成型齿形的齿圈必须同时设置在动模部分， 也只能设置在动模部分。否则， 组合齿轮间的同轴度无法保证，而注射成型后的塑件亦无法脱模， 如图2所示。

（4） 塑件浇注系统进料口的选择。

a.浇口形式的选择。齿轮注射成型的浇注系统进料口， 一般可供选择的形式主要有：爪式浇口、 环形浇口、 点浇口3种。经分析、 比较， 如采用在 ϕ 6mm端面设置爪式浇口、 环形浇口等进料形式， 因塑料融体的流程较长， 远离所需成型的齿轮齿形部位。在对两端共4处8条窄形加强筋的充盈过程中也需相应增大注射压力。在轮廓与各加强筋之间及齿形的成型部位都可能产生融接痕或熔接不良， 从而直接影响到塑件的成型质量。注射成型后， 浇口的去除也较为困难， 留有的浇口痕迹也影响到塑件的外观。采用在塑件的 “某一” 合理部位设置多 “点” 点浇口的结构形式， 使塑料融体到达各成型部位的流程更趋均衡， 塑件产生融接痕或融熔接不良的状态大大降低， 甚至不会有融接痕的产生。同时也可减少进料口附近的成型收缩对齿轮成型精度的影响。所以确定点浇口采用 “3点” 在同一圆半径的圆周上120°均分设置， 以保证注射成型时料流的均衡性。

图2 模具分型面的选择

b.浇口位置的选择。浇口位置的选择与确定如图3所示。进料口部位的设计选择方案主要有两种：一是进料口设置在内圈凸缘的端部；另一种是进料口设置在两齿面结合面的内侧中间部位。这两种方案的点浇口进料虽然都远离成型的齿形部位， 但采用设置在内圈凸缘端部的形式， 因浇道的流程较长， 又由于内、 外圈间的凸筋成型所产生的阻力较大， 易产生料流不均衡， 塑件的成型质量不稳定。采用设置在两齿面结合面的内侧中间部位的形式， 浇道的流程较均衡， 料流至各成型部位的距离相近， 成型时所产生的阻力亦较小， 有利于在注射成型时各工艺参数的调整， 如图4所示。为防止点浇口与塑件分离时， 可能对塑件产生后变形及实现浇注系统的自动脱落， 动、 定模未打开前， 设置在点浇口分流道对应部位的Z型拉料杆使浇口与塑件先行分离。

（5） 塑件成型后的脱模是在顶出过程中， 通过斜齿轮型腔 （即斜齿轮齿片） 的 “逆向旋转” 来实现的。即塑模注射完成后， 塑件在脱模过程， 向模外被垂直推出，而同时设置在动模部分的斜齿轮齿片慢慢逆向转动（塑件只是向模外移动） 。斜齿轮脱模阻力过大易造成塑件变形将直接影响斜齿轮的螺旋角精度。因此， 成型斜齿轮齿片的 “旋转” 精度与减小斜齿轮的脱模阻力保证齿轮成型精度的关键所在， 如图5所示。正确的顶出方式对模具在分型过程中及动、 定模完全打开后已成型塑件的脱模所应采用的合理结构的设计方案。

图3 浇注系统进料口部位的设计选择方案比较

a — —点浇口在内圈凸缘端部 b — —点浇口在两齿面的结合面

图4 浇口与塑件分离方式的合理选择与确定

图5 塑件成型后的推出脱模设计

（6） 为避免塑件在顶出过程中产生后变形及实现成型斜齿轮齿片的顺畅 “旋转” ， 应采用慢速顶出的脱模方式。

（7） 在模具总装设计时必须考虑模温控制的结构设置。

4 注射模总装结构设计

（1） 注射模总装结构如图6所示。两成型齿轮的型腔均设置在动模部分， 以内齿轮齿片18、 19的形式与动模活动定位圈22以定位销钉17联接， 只是斜齿轮齿片需在塑件脱模时必须逆向 “转动” ， 实现脱模。而正齿轮齿片不可转动， 正、 斜成型的两个齿片不能产生相对转动。因此， 在正齿轮齿片上必须加工出避让定位销钉柱 17 的空域。如图 6 中的中间标注的部位。

（2） 对应的定位销柱孔部位加工成15°滑动用圆弧槽， 避免斜齿轮片转动的摩擦阻力。为减小齿轮型腔在脱模时的 “旋转” 阻力， 提高模具工作零件的减摩耐磨作用， 在动模成型镶套37和动模活动定位圈之间设置了向心推力球轴承23。在动模活动定位圈的侧面和与动模成型镶套相接触的部位分别设置了平面推力球轴承21、 24。为方便模具组装时， 调整两平面推力球轴承的配合尺寸高度， 在其底面部分分别设置了高度调整圈25等。

图6 模具总装结构图

1.定模座板 2.脱浇口板 3.定模垫板 4.定距拉杆Ⅰ 5、 6、 28、 39、 40.内六角螺钉 7.浇口套 8.点浇口拉料杆 9.定位圈 10.气动顶杆 11.定模型腔镶套 12.圆形截面弹簧 13.定距套 14.导柱 15.定距拉杆Ⅱ 16.导套 17.定位销钉 18.斜齿轮齿片 19.正齿轮齿片 20.动模导套 21、 24.平面推力球轴承 22.动模活动定位圈 23.向心推力球轴承 25.高度尺寸调整圈 26.矩形截面弹簧 27.复位杆 29.推板导套 30.推板导柱 31.推杆固定板 32.推杆垫板 33.顶柱固定板 34.顶柱 35.推杆 36.推管 37.动模成型镶套Ⅰ 38.动模成型镶套Ⅱ 41.动模座板 42.衬板 43.垫板 44.动模型芯固定板 45.垫块 46.动模垫板 47.动模板 48.动模型芯 49.精定位锥导柱 50.精定位锥导套 51.定模板 52.气道接口

（3） 充分考虑到各模具成型零件的工作强度， 定模部分的成型以定模型腔镶套11的形式固定在定模板51上。而动模部分的成型也只分解成两个部分,即动模成型镶套37和动模成型镶套38组合体。

（4） 按塑料成型模具的设计原则， 成型后的塑件应尽可能的留在动模部分。本塑件的齿圈及各内圈间均分别设有8片加强筋 （总计32片加强筋） ， 虽在每1片加强筋处设计了脱模斜度， 注射成型后由于塑料的收缩， 对模具型芯及镶件、 镶套的包紧力仍然较大。为保证开模时， 定模部分的型腔镶套能顺利脱模及防止塑件产生后变形， 在定模型腔镶套上对应内圈的端面部位设计了3个等圆轴线均分的气动顶出杆10。合模注射时， 由于注射压力顶杆退入型腔镶套。注射结束， 开模时气动通道打开， 气压通过顶杆顶住塑件使之留在动模内。当模具打开一定距离后， 气动通道及时关闭。

（5） 为保证动、 定模间的定位精度。在模具内设置了两锥形导柱、 导套49、 50的精定位装置。同时， 为保证双联斜齿轮同轴度的技术要求， 中心轴孔 ϕ 6mm的成型型芯必须与定模对应的定模型腔镶套 ϕ 6mm型孔对插。

（6） 由于浇注系统采用了三等分点浇口的进料形式， 为防止点浇口与塑件分离时， 拉动塑件而使之产生变形。在每一点浇口的定模相对应部位设置了点浇口拉料杆8。在开模时， 动、 定模间尚未分型前实现点浇口拉料杆先拉动点浇口， 使之与塑件分离。浇口套7与脱浇口板2为间隙配合， 以保证主浇道、 分流道等浇注系统在开模后的自动脱落。如图所示， 这既可实现模具的自动化生产又避免了浇口的后工序切除。

（7） 为防止塑件在顶出过程中产生后变形， 应尽可能使塑件在顶出时受力均衡。本模具采用了在塑件外圈设置推杆与在中心部位设置推管相结合的推出形式， 12支推杆35均匀分布设置在靠近齿形的内侧部位。同时， 为保证推杆的导向精度和模具的及时复位， 在推杆固定板31与动模垫板46间内导柱、 导套29、 30和矩形截面弹簧26。

（8） 为充分利用模具内的使用空间， 3个分型面的定距套13、 定距拉杆4、 15全部设置在模具内。为配合推管结构的使用， 模具的推出机构采用了二级顶出的结构形式。

（9） 为便于模具的制造和零部件的加工、 维修、 更换， 应尽可能的采用标准件。

（10） 为配合注射工艺对模温控制的调节需要， 在动、 定模板内均设有水管通道。

5 模具工作过程

如图7、 图8所示， 安装在注塑机移动模板上的动模部分随注塑机模板向后移动， 模具的第Ⅰ分型面因圆形截面弹簧12弹力恢复的作用， 首先被打开。这时， 定模座板1内的定距套13内侧端面与定模座板孔的台阶接触。点浇口拉料杆拉动点浇道进料口与塑件分离：同时， 浇口套7退入脱浇口板2内， 主浇道与浇口套分离 （Ⅰ分型面间的移动距离 L 1 一般取 5～6mm， 以脱浇口板保持与浇口套不脱离为佳） 。动模部分继续向后移动， 因拉料杆1和拉料杆2的作用， 分型面Ⅱ、 Ⅲ被先后逐步打开 （Ⅱ、 Ⅲ分型面的分型顺序的先后有时可能有差异） 。注塑机移动模板带动动模部分继续向后移动， 直至定距套、 定距拉杆把各分型面各模板全部拉紧， Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ 3个分型面全部打开。为使整个浇注系统完全自动脱落， Ⅱ分型面L 2 的移动距离尺寸一般取大于整个浇注系统长度6～8mm的有效空间。当模具处于完全开模状态时，注塑机后部的液压顶出系统顶动模具内的顶柱34， 顶柱再顶动推管、 推杆组成的推出机构， 推动塑件向模外移动。塑件移动时， 两齿片 “被逆向” 转动直至塑件被完全推出动模。Ⅲ分型面L 3 的移动距离尺寸一般取塑件最大轮廓尺寸的1.2～1.5倍， 以使塑件无阻滞自动脱落。

图7 开模状态

图8 塑件顶出状态

6 斜齿轮齿片成型型腔的加工工艺

本斜齿轮塑件为标准圆柱斜齿轮， 由于塑料注射成型后的收缩特性， 在齿轮型腔尺寸计算时， 除按成型收缩率的要求计算外， 还应预留一定的整修余量， 又由于塑件的结构形式不同， 塑件收缩存在一定的差异， 因此， 加了成型收缩量的齿轮型腔是一个非标内齿齿圈。由此可以看出， 模具加工的关键是齿轮型腔的加工。目前齿轮型腔的加工方法有电铸、挤压、 电火花、 慢走丝线切割、 磨料流挤压研磨、 电抛光等。

斜齿轮型腔主要的技术参数， 齿形的精度及表面的粗糙度能否达到要求， 合理的加工工艺是关键。同时由于塑件成型收缩变量的影响， 斜齿轮型腔加工后必须经一定的小批量试样。各技术参数经检测符合要求时才能按确认的加工工艺来制造齿轮型腔。

本模具的斜齿轮型腔的加工先后采用了两种加工工艺方式。一是慢走丝线切割后再经磨料挤压研磨、 抛光；另一种是粗、 精加工都采用电火花成形后再经磨料流挤压研磨、 电抛光。

（1） 采用电火花加工齿轮型腔， 其精度取决于电极的加工方式。根据齿轮型腔及所选择电火花加工设备的成型参数设计出的斜齿轮电极是非标准的， 所以按此非标参数设计齿轮滚刀加工斜齿轮电极。为使粗、 精电极齿形螺旋角的初始位置一致， 应在两电极中加工一个统一基准的组装工艺孔， 使其组合成一体一次滚切成形。

（2） 数控电火花加工设备上的数控功能可实现在垂直升降和旋转 （Z轴） 的同时选择平动量。因此， 数控电火花加工时的放电间隙、 电极的上、 下移动、 电极旋转运动方式、 电极的平动量等也必须经多次试模修正确认后的参数进行齿轮型腔的电火花加工。

（3） 线切割、 电火花加工后应预留的研磨量是不同的， 这也应通过实验确定。斜齿轮型腔采用挤压珩磨机研磨、 抛光的加工方法是在加工其他复杂型腔的基础上移用过来的。一般高精度的慢走丝线切割及电火花加工后的型腔表面粗糙度值Ra3.2~1.6μm， 经研磨、 抛光后可达Ra0.4μm。塑料斜齿轮模具的设计与制造综合了齿轮加工、 精密模具制造与塑料注射成型工艺等多方面的技术。因而要获得理想的、符合质量要求的塑料斜齿轮必需经试模→修整→试模→再修整→再试模， 最终达到加工出合格制品的目的。

—The End—

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