基于CAE的斜齒輪四板注塑模設計

周慧蘭，郭 震

（1.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室,江西 南昌 330013；2.哈爾濱工業大學深圳校區，廣東 深圳 518055）

基于CAE的斜齒輪四板注塑模設計

周慧蘭1，郭 震2

（1.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室,江西 南昌 330013；2.哈爾濱工業大學深圳校區，廣東 深圳 518055）

在對塑料斜齒輪工藝分析的基礎上，采用Moldflow軟件對一模兩腔的塑件進行填充模擬分析，確定了點澆口位置及冷卻系統結構。根據CAE分析結果設計了模具的斜齒輪旋轉脫模機構以及四板定距開模機構，并介紹了模具的設計過程。模具結構合理，推出可靠，成型塑件質量好。

塑料斜齒輪；一模兩腔；點澆口；旋轉脫模機構；四板定距開模機構

齒輪傳動是一種常用的機械傳動形式，而斜齒輪相對于直齒輪而言，具有更優良的嚙合性能，傳動更平穩，能傳遞更強的運動和動力，工程塑料作為一種新型的齒輪材料，輕巧且噪音小，在交通、家電、鐘表及電子等行業中被廣泛應用。但對于塑料斜齒輪，或一些包含斜齒輪結構的特殊塑件，其齒面是一個螺旋形漸開線齒面，在注塑成型時如果應用常規的推出方式無法實現脫模，需要借助特殊的脫模機構完成[1-2]；因此,斜齒輪的脫模結構是否合理，將直接影響模具的使用壽命、產品質量等。如何在確保塑件質量的條件下，使模具結構簡單，提高模具壽命是此類模具設計需要解決的主要問題。

1 塑件工藝分析

塑件為一個傳動斜齒輪，結構如圖1，該斜齒輪主要參數：法向模數2，壓力角20°，左螺旋角8°；塑件輪輻上有4個直徑為8的孔，且齒輪中心有直徑為40的通孔。工業中常選用聚甲醛[3]（簡稱POM）作為斜齒輪材料，POM具有極高的強度和韌性，摩擦系數小且耐磨，在90℃時仍能保持很高的耐疲勞性和耐化學性能，即使在異于常溫的溫度下依然能保持較好的幾何穩定性，適合作為傳動齒輪的材料。

圖1 塑件圖Fig.1 Plastic part drawing

2 模具結構CAE分析

隨著模具行業的迅速發展，出現了針對模具設計和塑料注射成型的CAE軟件，Moldflow[4-6]是目前最有代表性的注塑成型仿真軟件，可以幫助設計人員優化塑件及模具結構，并對注塑成型進行模擬，協助設計者及早發現模具或成型缺陷，從而縮短模具的生產周期，降低生產成本。

2.1 成型窗口分析和最佳澆口位置分析

圖2為質量分析圖，橫坐標為注射時間，縱坐標是一個無量綱的質量值，該值一般要求在0.8到1之間，1代表最佳質量,通過調節模具溫度和熔料溫度，使質量值達到0.966 2，從而得到最優工藝條件。

經過分析得到模具最優溫度為72℃、最佳熔料溫度為212℃，在這些工藝參數時獲得的最佳澆口位置分析圖見圖3。

圖2 質量分析圖Fig.2 Quality analysis diagram

圖3 最佳澆口位置分析Fig.3 Optimal gate location analysis

由圖3可知，塑件注塑成型時最佳的澆口位置位于深色區域，斜齒輪作為常用的傳動零件，對齒輪齒部精度有一定要求，若采用側澆口，則在塑件邊緣會留下殘痕，影響塑件質量，故采用點澆口，點澆口的位置尺寸如圖4。

應用Moldflow軟件對模具的澆注系統進行分析，得到圖5塑件剪切應力圖，由分析結果可知，塑件壁上剪切應力最大達1.030 MPa，該最大的應力在澆口局部，其它地方應力都較小，符合POM材料的剪切應力要求。

圖4 澆注系統Fig.4 Gating system

圖5 塑件剪切應力Fig.5 Shear stress of plastic part

2.2 冷卻系統分析

模具的溫度和冷卻條件影響著塑件的質量，若塑件冷卻時內部溫度分布差太大易引起塑件產生內應力，輕則翹曲變形、重則開裂導致塑件成為廢品，故必須根據塑料性質和塑件結構設計合理的冷卻系統。

模具中動模部分的型芯若采取整體式結構，水路無法加工和安裝；因此型芯中設置鑲件結構，使冷卻液沿型芯自下而上，再沿型芯自上而下流出，結構如圖6所示，冷卻液溫度分布如圖7所示。冷卻系統選擇水為冷卻液并以25℃為初始溫度，由圖7可知一個工作周期中冷卻液溫差為0.42℃，小于2℃，冷卻效果優良。

圖6 組合式型芯Fig.6 Combined core

圖7 回路冷卻液溫度Fig.7 Cooling circuit temperature

3 模具結構設計

3.1 模具整體結構

根據CAE分析的結果設計的模具整體結構如圖8所示，塑件為斜齒輪，需要旋轉脫模；由于模具采用一模兩腔，且是點澆口[7]，需要用四板模[8]結構實現點澆口和分流道冷凝料的取出，這兩點是整個模具設計的關鍵點。

3.2 旋轉脫模機構

塑件為斜齒輪，且斜齒方向與開模方向成一定夾角；因此不能直接強行推出，目前常用的斜齒脫模方式有兩種：齒形型腔旋轉脫模和齒輪塑件脫模。前者可采用設置軸承、鋼珠等方法減小齒形型腔旋轉過程中的摩擦力，通過齒形型芯的旋轉實現斜齒的脫模；后者可采用強制脫模或采用推管上開高螺旋槽的方法使塑件旋轉脫模[9]。本設計采用第一種方式，見圖8，斜齒輪在被推管（11）推出的同時給予型腔（10）切向力，使型腔也發生轉動。由于塑件的脫模有賴于型腔的旋轉，故在型腔與動模板（8）之間，型腔和支撐板（24）之間安裝推力球軸承（9），以減小接觸面上的摩擦力，推力球軸承尺寸依據型腔外徑確定，選用的軸承型號為51124。

當模具開模后，動模推出機構推動推管上升從而帶動斜齒輪塑件脫模，型腔在塑件的帶動下旋轉，并逐漸被推出型腔。

3.3 四板定距開模機構

模具采用四板結構，如圖8所示，通過定距機構[10]實現3個分型面的順序開模。模具工作時，隨著模具的開啟，彈簧（29）使Ⅰ處先分型，分型距離由定距拉桿（27）控制，此處距離設計為70 mm。在拉料釘（4）的作用下，澆注系統凝料被吸附在分流道推板（6）上，由于鎖模器（28）的作用，分型面II先于III分型打開，分流道推板（6）被拉動，分流道和主流道中的冷凝料被拉出，當定距拉桿（27）觸碰到定模座板（5）時，分型面II開模結束，其開模距離為10 mm。繼續開模，當定距拉桿（27）碰到定模板（7）時，Ⅲ分型面打開，動定模打開。隨著動定模完全分開，頂板（16）推動頂管（11）上升從而帶動斜齒輪脫模，型腔在斜齒輪的作用下一起旋轉，斜齒輪逐漸被推出型腔。頂出機構繼續頂出，當頂板固定板（15）與支承板（24）接觸后，塑件完全被推出。復位桿在模具合模時幫助頂出機構復位。

圖8 模具總體結構Fig.8 Total structure of mold

4 結束語

1）采用齒輪型腔旋轉脫模的結構實現斜齒輪脫模，通過在動模上設置推力球軸承以減小齒形型腔和周邊零件之間的摩擦力，從而保證塑件在推出過程中齒形型芯沿螺旋方向順利旋轉脫出；

2）模具采用一模兩腔布局，使用點澆口形式進料提高塑件表面質量，通過四板模結構實現3次順序分型定距。

這些結構的設計方法為其它具有斜齒輪或螺旋齒輪結構的同類模具設計提供了一個成功參考，其思路和結構具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]趙世友.塑料斜齒輪注塑模具設計與分析[J].塑料科技，2010，38（5）：77-79.

[2]屈繁敏，焦玉勝，池成忠.傳動斜齒輪注塑模設計[J].塑料工業，2010，38（2）：39-41.

[3]塑料模設計手冊編寫組.塑料模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002：383-384.

[4]鄭道友,李玉慶，劉向陽.塑料模具分析及項目實踐[M].杭州：浙江大學出版社，2014：72-120.

[5]單巖，蔡玉俊，羅曉曄，等.塑料模具成型分析與優化設計[M].杭州：浙江大學出版社，2011：30-42.

[6]魏永峰，周大路，何柏林.Moldflow在灌溉網閥蓋注塑模設計中的應用[J].華東交通大學學報，2006，23（4）：112-114.

[7]葉久新，王群.塑料成型工藝及模具設計[M].北京：機械工業出版社，2013：101-102.

[8]田福祥.四板式正-斜雙聯齒輪注塑模[J].塑料科技，2007，35（8）：84-86.

[9]陶永亮.斜齒輪注塑模脫模機構設計[J].制造技術與機床，2013（5）：32-35.

[10]周慧蘭，匡唐清，楊群.色拉油瓶蓋注塑模具設計[J].工程塑料應用，2014，42（5）：60-62.

Design of Four-plate Injection Mold for Plastic Helical Gear Based on CAE

Zhou Huilan1，Guo Zhen2
（1.Key Laboratory of Conveyance and Equipment of the Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）

Based on process analysis for plastic helical gear，filling simulation is finished with Moldflow software for two cavities in a mould，and the point gate is located and cooling system designed.According to analysis result of CAE，the rotated demoulding and four-plate fixed distance mechanisms are designed for molding.Finally，calculating process is introduced.The mold structure is proved reasonable，with reliable pulling agency and better plastic parts can be obtained.

plastic helical gear；two cavities in a mould；point gate；the rotated demoulding；four-plate fixed distance mechanism

TP391.72

：A

1005-0523（2017）01-0138-04

（責任編輯 劉棉玲）

2016-09-27

周慧蘭（1974—），女，副教授，碩士，研究方向為模具CAD/CAM，模具設計，二次開發。