電位器精密雙聯塑料斜齒輪成型模設計與制造

顧來法，胥樹志，劉永躍

（1.寧波雙林汽車部件股份有限公司，浙江 寧波 315600；2.寧波合力模具科技股份有限公司，浙江 寧波 315700）

0 引 言

塑料齒輪具有生產成本低、生產效率高、傳動噪音低、自潤滑性能好、質量輕等優點，廣泛應用于家用電器、汽車、辦公用品、鐘表和玩具等領域。特別是在全球汽車工業輕量化設計的背景趨勢下，隨著一些高強度、高耐磨的工程塑料研發成功并投產，塑料齒輪耐高溫、高壓的能力越來越強、使用壽命也越來越長，成為齒輪行業發展最快、應用范圍最廣、最有發展前景的產品之一[1]。

1 注射成型工藝分析

圖1所示為某汽車電位器中的精密雙聯塑料斜齒輪，大、小齒輪均為圓柱斜齒輪，有相對相位要求，齒輪的精度等級要求為Q-ISO1328 9-10級，成型難度主要有以下3點：①大、小斜齒輪的同軸度要求較高，但受脫模機構的影響，其較難保證；②由于斜齒輪型腔的加工工藝限制，2個斜齒輪的相對相位角難以精確控制；③小斜齒輪的螺旋角β為23°，脫模困難。

圖1 精密雙聯塑料斜齒輪

由于該塑件生產批量大且尺寸精度高，為了提高生產效率，采用了1模2腔、點澆口三板模結構。塑件材料為POM，采用MoldFlow分析塑件的結構、壁厚等特性，模具設計時采用的收縮率為2%。

2 模具結構設計

2.1 澆注系統設計

采用注射工藝生產塑料齒輪時，合理的澆注系統設計對注射模至關重要，其不僅影響塑件尺寸精度和外觀品質，而且對塑件力學性能有較大影響。現采用點澆口三點平衡進澆，且三點澆口在同一圓周上均勻分布，如圖2所示，熔融塑料從點澆口中心呈輻射狀向型腔四周流動，纖維的取向分布差異比采用單點偏心澆口小，提高了齒輪成型精度。平衡進澆和保壓暢通是流道系統設計的基本要求，一方面平衡進澆能保證塑料齒輪具有良好的形位尺寸精度，多腔齒輪模具更是如此；另一方面，保壓暢通是保證塑料齒輪具有優良力學性能的必要條件。一般塑料齒輪注射模在生產時都需要采用較高的注射壓力和保壓壓力，才能使成型塑件具有較高的密度和尺寸穩定性。

圖2 澆 口

點澆口設置在輪轂凹槽內，澆口凝料拉斷后其痕跡不會高出輪轂端面，不需修整，也不影響塑件外觀，有利于實現自動化生產。精密塑料齒輪模具澆口加工精度需要保證截面積誤差控制在5%以內，點澆口常采用精密慢走絲線切割和精密電火花加工，澆口前端一般采用慢走絲線切割或磨床加工，澆口頭部的錐面采用電火花加工，如圖3所示。

圖3 澆口頭部形狀

2.2 斜齒輪型腔板設計

為了保證雙聯塑料齒輪傳動精度平穩性、大小齒輪的齒跳公差和同軸度要求，設計時需要從模具結構上進行考慮，精密雙聯塑料斜齒輪模具的型腔板安裝方式一般有以下3種。

（1）將大、小斜齒輪型腔分別設計在動、定模側。這種結構通常是在動、定模之間增加錐度定位裝置來提高大、小斜齒輪型腔的同軸度，但精度需要由多個模具零件保證，模具裝配后存在較大的累積誤差，這種結構對模具零件精度和裝配精度要求較高，模具維修困難，因此較少采用。

（2）將大、小斜齒輪型腔全部設計在定模側，則同軸度不需要多個零件來保證，可以較好地解決同軸度誤差問題，但塑件容易粘結定模，脫模難度較大，這種結構在生產中也較少采用。

（3）將大、小斜齒輪型腔全部設計在動模側，既消除了模具合模精度對塑件的影響，也解決了塑件粘定模問題，而且方便后續批量生產時對模具的維修工作，應用廣泛。

該模具采用將大、小斜齒輪型腔全部設計在動模側的結構形式，如圖4所示。斜齒輪的軸孔鑲件設計在定模，主要原因是該塑件適合動模推出，如果將軸孔鑲件設計在動模，相當于推管推出結構，模具零件配合間隙較大，累積誤差也較大，難以保證內孔和小齒輪的同軸度要求。將軸孔鑲件固定在定模時，其長度尺寸較小，零件精度容易保證，另外軸孔鑲件與型腔板鑲件固定，其配合間隙較小。在型腔板與型芯中間增加錐面定位，可以保證軸孔和齒輪的同軸度要求。

圖4 動模結構

2.3 脫模機構設計

由于大、小斜齒輪螺旋角不一致，其脫模需要不同動作完成。小斜齒輪脫模通過絲桿與螺母的傳動原理，將開模方向的運動通過絲杠螺母副轉換為小斜齒輪型腔板的旋轉運動來實現。小斜齒輪型腔板與絲杠采用連接固定套固定，脫模過程中絲桿與型腔板同步旋轉運動，避免因脫模阻力過大而造成小斜齒變形、影響齒輪螺旋角β精度。脫模機構設計時需要注意以下4個問題：①絲桿與螺母的配合間隙要合適，一般配合間隙為0.05～0.1 mm；②絲桿螺旋角必須≤45o，否則絲桿與螺母轉動容易卡死；③絲桿的導程必須與小斜齒輪型腔板的導程相同，否則小斜齒輪脫模時齒形部分容易變形，尺寸精度較難得到保證；④絲桿的旋向必須與小斜齒輪型腔板旋向相同。

在絲桿軸肩和螺母固定套之間設計了鋼珠和保持架組成的簡易軸承，用來減小絲桿旋轉時的摩擦力。鋼珠和絲桿軸肩以及螺母固定套之間留有0.2 mm的間隙，用于自由調節絲桿和螺母間的配合間隙以及絲桿和小斜齒輪型腔導程加工誤差的補償。

大斜齒輪由于螺旋角與齒寬較小，材料也是POM（收縮率比較大，脫模性能佳），考慮在推出的同時通過塑件自轉來實現大斜齒的脫模。

2.4 型腔板定位設計

精密齒輪模具的型芯和型腔板的定位方式是影響齒輪精度的關鍵點之一，型芯和型腔板常見的定位方式主要有以下2種。

（1）型腔板與型芯之間采用精定位組件定位，如圖5所示，常見加工工藝：①型腔板與型芯外形設置加工余量，分別加工精定位組件的安裝孔；②將精定位組件分別裝入型腔板和型芯，并將型腔板與型芯閉合，用螺釘鎖緊；③調整型腔板與型芯外形至設計尺寸；④以型腔板與型芯外形為基準加工成型部位。

圖5 精定位組件定位

（2）型腔板鑲件與型芯鑲件之間采用錐面定位，如圖6所示，該方式累積誤差小，定位精度高，所以精密雙聯塑料齒輪模具采用錐面定位結構。

圖6 錐面定位及水路

2.5 斜齒輪型腔排氣設計

大多數齒輪模具分型面為平面，可以采用平面磨床進行精密加工，而型芯鑲件通常設計成圓柱形，可采用精密內外圓磨床進行精加工，因此齒輪模具零件具有加工精度高，表面粗糙度低，配合間隙小等特點，齒輪模具的排氣設計非常重要。在齒輪注射模生產中經常出現填充不足、填充末端灼傷、內應力高而變形、表面流痕與熔接痕明顯等外觀缺陷，解決這些缺陷除了調整注射工藝，確認模具澆口設計與加工是否合理外，還要考慮模具的排氣系統是否通暢及合理。一般解決此類問題的措施是開設排氣槽引出填充末端的高壓壓縮氣體，常用的齒面排氣槽結構如圖7所示。

圖7 齒面排氣結構

設計排氣槽的主要作用有：①在注射熔融塑料時，排出型腔內的空氣；②排出塑料在加熱過程中產生的各種氣體，特別是塑件薄壁部位和遠離澆口的填充末端部位。對于高精密塑件和小型塑件也需重視排氣槽的設計，除了能避免表面灼傷和注射充填不足外，還可以消除各種不良缺陷，減少模具粉塵污染等。通常判定型腔排氣是否暢通的方法是以注塑機最高的注射速度注射熔體，塑件表面未留下焦斑即可確定型腔排氣充分。

2.6 冷卻系統設計

精密齒輪注射模的模具溫度控制對齒輪形狀和尺寸精度都有重要影響。一般模具溫度太低會造成熔料流動不暢，影響填充，還會降低成型塑件表面質量，使表面無光澤，熔接痕更加明顯，且熔接強度降低，同時還會增大流動剪切力，使塑件內應力變大，產生翹曲變形。對于聚甲醛（POM）類的結晶型塑料，模具溫度太低會影響塑件的結晶度，對性能質量產生較大的影響。模具溫度太高會導致冷卻固化時間延長，影響生產效率，同時還會使塑件產生較大的收縮，影響尺寸精度，且易出現縮凹、溢邊和脫模變形等缺陷。模具溫度不均勻易造成塑件收縮不均勻，內部應力相差較大，產生翹曲變形等問題。

精密雙聯塑料斜齒輪采用POM材料，模具溫度是影響其結晶強度的主要因素之一。一般精密齒輪模具模溫應控制在80～90℃，有利于晶體的生長，結晶狀態較完整，且流動性好有利于填充，這樣才能得到強度更高、尺寸更穩定的齒輪。

冷卻水路直接環繞在型腔板鑲件和型芯鑲件外圓上（見圖6），可以提高模具溫度控制能力，保證成型部位模溫的均勻穩定，減少由于模具冷卻不均對塑件尺寸和力學性能的影響。為了避免流道熔料過早凝固影響對型腔的保壓，在推料板和定模座板上也設置了冷卻回路，確保模具溫度的穩定。由于齒輪模具模溫較高，在冷卻回路設計時還要考慮整幅模具的熱平衡問題，避免模具受熱不均勻，造成模具局部熱脹冷縮不一致，導致模具定位面的過早失效。

2.7 模具工作原理

模具結構如圖8所示，當注射完成后，動模部分在注塑機滑塊帶動下后退，開始分型。

圖8 精密雙聯塑料斜齒輪模具結構

（1）第1次分型：開模時，在彈簧21作用下脫料板與定模板1開始分型，在拉料桿作用下主流道凝料固定在脫料板上，點澆口凝料被拉斷與成型塑件分離。

（2）第2次分型：模具繼續開模，在拉模扣22和等高螺釘作用下，脫料板與定模座板分離，將主流道凝料從澆口套和拉料桿上脫離，完成流道凝料的脫模。

（3）第3次分型：模具繼續開模，在開模輔助組件18作用下，定模板1與動模板8分型，動模墊板12和動模墊板15此時暫不脫離，保證塑件留在動模。

（4）第4次分型：模具繼續開模，在彈簧23作用下，動模墊板12和動模墊板15間分型到定距拉桿設定的位置過程中，螺母13帶動絲桿17旋轉，從而帶動小斜齒輪型腔板6旋轉脫模。

（5）注塑機頂出系統將成型塑件推出大斜齒輪型腔，機械手取走塑件，開模動作完成。為防止推出時大斜齒輪齒形推出變形，推出速度需要放慢。

（6）模具合模。模具合模動作為開模動作的逆向，合模時需要注意的是上型腔板鑲件3與推桿20頂面為配合面，受力時容易損壞，通過設置彈簧19讓推桿20先復位可以解決該問題。

3 型腔板加工

為了便于模具制造加工及后續的生產維護，動、定模各成型部分均設計成鑲件結構。為了滿足塑件的成型精度要求，需嚴格控制鑲件間的配合間隙，這是保證齒形跳動和同軸度的基礎。鑲件靜態配合間隙取0.001～0.003 mm，滑動或旋轉配合的鑲件配合間隙要考慮生產過程中的熱膨脹影響，取0.005～0.015 mm。注射模能否高效穩定地生產合格塑件，一方面取決于模具結構設計的合理性，另一方面取決于型腔板的制造精度能否滿足要求。

由于塑料特有的注射成型收縮性，齒輪型腔形狀是一個非標的內外齒輪，齒輪型腔板的加工制造是模具制造的關鍵。目前齒輪型腔板加工的方式有電火花放電、慢走絲線切割、電鑄、擠壓等方法。2個斜齒輪的相對相位角有較高要求，在模具零件加工時需重點考慮。大斜齒輪型腔板是一個帶基準平面的圓環，可以采用精密慢走絲線切割加工，端面相位精度較容易保證，結構如圖9所示。

圖9 大斜齒輪型腔板

小斜齒輪型腔板由于螺旋角較大，無法采用精密慢走絲線切割加工，可以采用帶旋轉軸的精密電火花加工。電火花加工時齒形端面相對相位角無法精確控制，要解決該問題，可以先加工斜齒輪成型部位，再通過精密測量端面齒形和基準的相對相位角，確定齒輪型腔板鑲件的安裝位置，保證相對相位角精確。

小斜齒輪脫模是利用絲桿螺母副實現型腔板旋轉抽芯，小斜齒輪型腔板與絲桿之間采用固定套連接，合模注射時在開模方向高度固定不變。為了確保絲桿螺母副運動順暢，絲桿和螺母之間留有0.2 mm的間隙，其間隙可通過在連接固定套上設置2個定位柱（均布在同一圓周上）與齒輪型腔固定套進行精確定位來解決。

4 結束語

精密雙聯塑料斜齒輪是成型難度較大的塑件，從塑件結構分析、模具結構設計、模具工作原理、關鍵零件的加工制造等方面闡述在模具結構設計上的常見問題及解決方法，通過確定穩定的成型工藝，逐步積累制造經驗，可為以后生產類似塑件提供指導。