汽車齒輪注塑模具的設計與研究

魏 崢，趙世季，孔 建

WEI Zheng1, ZHAO Shi-ji2, KONG Jian3

（1. 山東理工大學 機械工程學院，淄博 255049；2. 上海民航職業技術學院，上海 200232；3. 煙臺工程職業技術學院，煙臺 264006）

0 引言

注塑成型[1,2]是批量生產某些形狀復雜部件時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，而且還能提高生產效率，具有噪音低、運行平穩以及抗腐蝕性能好等優點。

塑料齒輪注塑模具[3,4]不需要復雜的切削加工，制造工序少，便于批量生產，已經廣泛應用于汽車、家電以及玩具等許多領域。本文主要介紹了汽車齒輪注塑模具的設計研究以及分析，為實際生產提供了一定的理論依據。

1 注塑模具的結構與工藝分析

1.1 常用塑料齒輪用材及特點

常用汽車齒輪基本上是用調質鋼制成，然而與傳統的金屬齒輪相比，這種塑料的齒輪[4]不僅具有質量輕、運行平穩及耐磨性好，而且生產成本低、成形工藝好以及生產效率高等優點，是逐步成為市場上應用較廣能夠替代金屬齒輪的優良用材。然而由于塑形齒輪具有強度低、抗熱變形及傳熱性差[4,5]等缺點，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。線型結構和體型結構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，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理的分析

塑料齒輪最重要的特點就是質量輕，強度低，在正常運行工作當中由于強度不足而造成的齒面斷齒、點蝕以及高溫熱軟化等失效形式[3]。按照傳動方式主要有：1) 開式傳動：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：高速（≥500 r/min）輪齒疲勞折斷、齒面高溫燒傷等；中低速時，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是從節點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，由于齒輪長時間疲勞受力時產生的高溫迫使齒輪軟化，齒輪嚙合點也在A和B處，使得齒輪此時不僅受力很集中，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如A和B處

2 齒輪注塑模具設計

根據圖1所示的三維立體構造齒輪設計出注塑模具的結構圖和裝配圖。選擇的齒輪模數為3，齒數為32，齒寬為22mm，該塑件模具的設計之前還需要考慮型腔尺寸、型腔數、脫模機構、澆注道[6～8]等。

2.1 型腔尺寸的設計與計算

設計齒輪注塑成型凸模與凹模型腔尺寸是一項很關鍵的任務，然而塑料齒輪區別于一般的塑料產品。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算模具尺寸，具體的計算公式如下所示：

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。依據不同的實驗條件，可以合理的選擇參數，精確計算出上式中的相關模具參數。

2.2 模具型腔數的確定

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造成齒輪的精確度控制不夠準確，使得注塑模具在生產制造中無法有效調試，延長調試周期，降低生產效率。凸凹模的選擇也很關鍵，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整體，不僅節省材料及空間，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，調試性好而且還節省了模具材料。

根據注塑機的合模力可以估算出模具型腔數N，由式(5)計算：

式中，F為注塑機的額定合模力KN，N為型腔數目，P為塑料熔體對型腔的平均壓力MPa，A1為澆注系統在分型面上的投影面積cm2，A2為單個產品在分型面上的投影面積cm2。

2.3 脫模機構

脫模機構是實現齒輪注塑件從注塑模具中脫離出來的一種機構，也稱作為頂出機構。在注塑成型的每一循環中都會頂出脫模，便于注塑件順利脫出，其設計遵循結構可靠，保證塑件外觀盡量良好無損以及推出時不變形等原則。

按照驅動方式可以選擇不同的脫模方式[8,9]。主要分為機動推出機構、手動推出機構、液壓推出機構以及氣壓推出機構等。機動推出機構主要在開模分型時隨著動模一起移動，當移動到適當位置時脫模機構被頂桿頂住不動，而動模仍然移動，這種脫模方式不僅生產效率高，而且頂出力大能快速頂出塑件；手動推出機構利用手動杠桿方式直接用手取出或夾出注塑件而不需要脫模裝置。液壓或氣壓脫模機構由于設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 澆注道的設計

澆注系統[7,9]在注塑模具設計中起著關鍵性的作用。合理的選擇澆注系統類型和結構可以使液態物質平穩充滿砂型；能夠阻擋雜質或夾雜物等進入型腔，以免形成渣孔或縮松；調節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縮作用，在內澆道凝固前補給部分液態收縮；讓液態物質以最短的距離，最合適的時間充滿型腔，有足夠的壓力，并保證液面在型腔內有一定的上升速度等，以確保塑件的質量；充型流股不要正對著冷件和芯撐；優良的澆注系統能夠節約材料，有利于減少冒口的體積。結構簡單緊湊，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。

圖2 典型的澆注系統

2.5 注塑模具總體結構的設計

綜上幾個關鍵參數設計與計算，可以設計總的注塑齒輪模具結構圖，根據分析設計得到的模具結構圖如圖3所示。圖3(a)是注塑齒輪的結構圖，很清楚的了解齒輪的外形與整體結構；圖3(b)是注塑模具的總裝配圖。

圖3 模具結構圖

當注塑機開模后，由于在彈簧12的作用下，首先從模具右邊分型，通過點澆口和拉料桿14的作用，將澆注系統從定模固定板2中拉出，然后模具又從中部分型，將點澆口拉斷，澆注系統中的凝料將依靠重力自動墜落；當主流道凝料完全脫出定模板后，導柱4和限位釘19阻止中間的流道板繼續運動以及開模，為塑料件的脫模留出多余空間，此時嵌件從定位孔中拉出。接著注塑機推出系統開始工作，最終動模側的推板6將塑料件從凹模型腔上推出完成脫模。

3 結束語

通過對汽車齒輪注塑模具的結構分析與研究，設計了如圖3所示的注塑模具結構總圖，緊湊的模具結構，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，實現了齒輪外觀尺寸的精確性及精密性，同時還提高了實際的批量生產效率，取得了良好的經濟效益。

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