顾来法，胥树志，刘永跃

（1.宁波双林汽车部件股份有限公司，浙江 宁波 315600；2.宁波合力模具科技股份有限公司，浙江 宁波 315700）

0 引 言

塑料齿轮具有生产成本低、生产效率高、传动噪音低、自润滑性能好、质量轻等优点，广泛应用于家用电器、汽车、办公用品、钟表和玩具等领域。特别是在全球汽车工业轻量化设计的背景趋势下，随着一些高强度、高耐磨的工程塑料研发成功并投产，塑料齿轮耐高温、高压的能力越来越强、使用寿命也越来越长，成为齿轮行业发展最快、应用范围最广、最有发展前景的产品之一[1]。

1 注射成型工艺分析

图1所示为某汽车电位器中的精密双联塑料斜齿轮，大、小齿轮均为圆柱斜齿轮，有相对相位要求，齿轮的精度等级要求为Q-ISO1328 9-10级，成型难度主要有以下3点：①大、小斜齿轮的同轴度要求较高，但受脱模机构的影响，其较难保证；②由于斜齿轮型腔的加工工艺限制，2个斜齿轮的相对相位角难以精确控制；③小斜齿轮的螺旋角β为23°，脱模困难。

图1 精密双联塑料斜齿轮

由于该塑件生产批量大且尺寸精度高，为了提高生产效率，采用了1模2腔、点浇口三板模结构。塑件材料为POM，采用MoldFlow分析塑件的结构、壁厚等特性，模具设计时采用的收缩率为2%。

2 模具结构设计

2.1 浇注系统设计

采用注射工艺生产塑料齿轮时，合理的浇注系统设计对注射模至关重要，其不仅影响塑件尺寸精度和外观品质，而且对塑件力学性能有较大影响。现采用点浇口三点平衡进浇，且三点浇口在同一圆周上均匀分布，如图2所示，熔融塑料从点浇口中心呈辐射状向型腔四周流动，纤维的取向分布差异比采用单点偏心浇口小，提高了齿轮成型精度。平衡进浇和保压畅通是流道系统设计的基本要求，一方面平衡进浇能保证塑料齿轮具有良好的形位尺寸精度，多腔齿轮模具更是如此；另一方面，保压畅通是保证塑料齿轮具有优良力学性能的必要条件。一般塑料齿轮注射模在生产时都需要采用较高的注射压力和保压压力，才能使成型塑件具有较高的密度和尺寸稳定性。

图2 浇 口

点浇口设置在轮毂凹槽内，浇口凝料拉断后其痕迹不会高出轮毂端面，不需修整，也不影响塑件外观，有利于实现自动化生产。精密塑料齿轮模具浇口加工精度需要保证截面积误差控制在5%以内，点浇口常采用精密慢走丝线切割和精密电火花加工，浇口前端一般采用慢走丝线切割或磨床加工，浇口头部的锥面采用电火花加工，如图3所示。

图3 浇口头部形状

2.2 斜齿轮型腔板设计

为了保证双联塑料齿轮传动精度平稳性、大小齿轮的齿跳公差和同轴度要求，设计时需要从模具结构上进行考虑，精密双联塑料斜齿轮模具的型腔板安装方式一般有以下3种。

（1）将大、小斜齿轮型腔分别设计在动、定模侧。这种结构通常是在动、定模之间增加锥度定位装置来提高大、小斜齿轮型腔的同轴度，但精度需要由多个模具零件保证，模具装配后存在较大的累积误差，这种结构对模具零件精度和装配精度要求较高，模具维修困难，因此较少采用。

（2）将大、小斜齿轮型腔全部设计在定模侧，则同轴度不需要多个零件来保证，可以较好地解决同轴度误差问题，但塑件容易粘结定模，脱模难度较大，这种结构在生产中也较少采用。

（3）将大、小斜齿轮型腔全部设计在动模侧，既消除了模具合模精度对塑件的影响，也解决了塑件粘定模问题，而且方便后续批量生产时对模具的维修工作，应用广泛。

该模具采用将大、小斜齿轮型腔全部设计在动模侧的结构形式，如图4所示。斜齿轮的轴孔镶件设计在定模，主要原因是该塑件适合动模推出，如果将轴孔镶件设计在动模，相当于推管推出结构，模具零件配合间隙较大，累积误差也较大，难以保证内孔和小齿轮的同轴度要求。将轴孔镶件固定在定模时，其长度尺寸较小，零件精度容易保证，另外轴孔镶件与型腔板镶件固定，其配合间隙较小。在型腔板与型芯中间增加锥面定位，可以保证轴孔和齿轮的同轴度要求。

图4 动模结构

2.3 脱模机构设计

由于大、小斜齿轮螺旋角不一致，其脱模需要不同动作完成。小斜齿轮脱模通过丝杆与螺母的传动原理，将开模方向的运动通过丝杠螺母副转换为小斜齿轮型腔板的旋转运动来实现。小斜齿轮型腔板与丝杠采用连接固定套固定，脱模过程中丝杆与型腔板同步旋转运动，避免因脱模阻力过大而造成小斜齿变形、影响齿轮螺旋角β精度。脱模机构设计时需要注意以下4个问题：①丝杆与螺母的配合间隙要合适，一般配合间隙为0.05～0.1 mm；②丝杆螺旋角必须≤45º，否则丝杆与螺母转动容易卡死；③丝杆的导程必须与小斜齿轮型腔板的导程相同，否则小斜齿轮脱模时齿形部分容易变形，尺寸精度较难得到保证；④丝杆的旋向必须与小斜齿轮型腔板旋向相同。

在丝杆轴肩和螺母固定套之间设计了钢珠和保持架组成的简易轴承，用来减小丝杆旋转时的摩擦力。钢珠和丝杆轴肩以及螺母固定套之间留有0.2 mm的间隙，用于自由调节丝杆和螺母间的配合间隙以及丝杆和小斜齿轮型腔导程加工误差的补偿。

大斜齿轮由于螺旋角与齿宽较小，材料也是POM（收缩率比较大，脱模性能佳），考虑在推出的同时通过塑件自转来实现大斜齿的脱模。

2.4 型腔板定位设计

精密齿轮模具的型芯和型腔板的定位方式是影响齿轮精度的关键点之一，型芯和型腔板常见的定位方式主要有以下2种。

（1）型腔板与型芯之间采用精定位组件定位，如图5所示，常见加工工艺：①型腔板与型芯外形设置加工余量，分别加工精定位组件的安装孔；②将精定位组件分别装入型腔板和型芯，并将型腔板与型芯闭合，用螺钉锁紧；③调整型腔板与型芯外形至设计尺寸；④以型腔板与型芯外形为基准加工成型部位。

图5 精定位组件定位

（2）型腔板镶件与型芯镶件之间采用锥面定位，如图6所示，该方式累积误差小，定位精度高，所以精密双联塑料齿轮模具采用锥面定位结构。

图6 锥面定位及水路

2.5 斜齿轮型腔排气设计

大多数齿轮模具分型面为平面，可以采用平面磨床进行精密加工，而型芯镶件通常设计成圆柱形，可采用精密内外圆磨床进行精加工，因此齿轮模具零件具有加工精度高，表面粗糙度低，配合间隙小等特点，齿轮模具的排气设计非常重要。在齿轮注射模生产中经常出现填充不足、填充末端灼伤、内应力高而变形、表面流痕与熔接痕明显等外观缺陷，解决这些缺陷除了调整注射工艺，确认模具浇口设计与加工是否合理外，还要考虑模具的排气系统是否通畅及合理。一般解决此类问题的措施是开设排气槽引出填充末端的高压压缩气体，常用的齿面排气槽结构如图7所示。

图7 齿面排气结构

设计排气槽的主要作用有：①在注射熔融塑料时，排出型腔内的空气；②排出塑料在加热过程中产生的各种气体，特别是塑件薄壁部位和远离浇口的填充末端部位。对于高精密塑件和小型塑件也需重视排气槽的设计，除了能避免表面灼伤和注射充填不足外，还可以消除各种不良缺陷，减少模具粉尘污染等。通常判定型腔排气是否畅通的方法是以注塑机最高的注射速度注射熔体，塑件表面未留下焦斑即可确定型腔排气充分。

2.6 冷却系统设计

精密齿轮注射模的模具温度控制对齿轮形状和尺寸精度都有重要影响。一般模具温度太低会造成熔料流动不畅，影响填充，还会降低成型塑件表面质量，使表面无光泽，熔接痕更加明显，且熔接强度降低，同时还会增大流动剪切力，使塑件内应力变大，产生翘曲变形。对于聚甲醛（POM）类的结晶型塑料，模具温度太低会影响塑件的结晶度，对性能质量产生较大的影响。模具温度太高会导致冷却固化时间延长，影响生产效率，同时还会使塑件产生较大的收缩，影响尺寸精度，且易出现缩凹、溢边和脱模变形等缺陷。模具温度不均匀易造成塑件收缩不均匀，内部应力相差较大，产生翘曲变形等问题。

精密双联塑料斜齿轮采用POM材料，模具温度是影响其结晶强度的主要因素之一。一般精密齿轮模具模温应控制在80～90℃，有利于晶体的生长，结晶状态较完整，且流动性好有利于填充，这样才能得到强度更高、尺寸更稳定的齿轮。

冷却水路直接环绕在型腔板镶件和型芯镶件外圆上（见图6），可以提高模具温度控制能力，保证成型部位模温的均匀稳定，减少由于模具冷却不均对塑件尺寸和力学性能的影响。为了避免流道熔料过早凝固影响对型腔的保压，在推料板和定模座板上也设置了冷却回路，确保模具温度的稳定。由于齿轮模具模温较高，在冷却回路设计时还要考虑整幅模具的热平衡问题，避免模具受热不均匀，造成模具局部热胀冷缩不一致，导致模具定位面的过早失效。

2.7 模具工作原理

模具结构如图8所示，当注射完成后，动模部分在注塑机滑块带动下后退，开始分型。

图8 精密双联塑料斜齿轮模具结构

（1）第1次分型：开模时，在弹簧21作用下脱料板与定模板1开始分型，在拉料杆作用下主流道凝料固定在脱料板上，点浇口凝料被拉断与成型塑件分离。

（2）第2次分型：模具继续开模，在拉模扣22和等高螺钉作用下，脱料板与定模座板分离，将主流道凝料从浇口套和拉料杆上脱离，完成流道凝料的脱模。

（3）第3次分型：模具继续开模，在开模辅助组件18作用下，定模板1与动模板8分型，动模垫板12和动模垫板15此时暂不脱离，保证塑件留在动模。

（4）第4次分型：模具继续开模，在弹簧23作用下，动模垫板12和动模垫板15间分型到定距拉杆设定的位置过程中，螺母13带动丝杆17旋转，从而带动小斜齿轮型腔板6旋转脱模。

（5）注塑机顶出系统将成型塑件推出大斜齿轮型腔，机械手取走塑件，开模动作完成。为防止推出时大斜齿轮齿形推出变形，推出速度需要放慢。

（6）模具合模。模具合模动作为开模动作的逆向，合模时需要注意的是上型腔板镶件3与推杆20顶面为配合面，受力时容易损坏，通过设置弹簧19让推杆20先复位可以解决该问题。

3 型腔板加工

为了便于模具制造加工及后续的生产维护，动、定模各成型部分均设计成镶件结构。为了满足塑件的成型精度要求，需严格控制镶件间的配合间隙，这是保证齿形跳动和同轴度的基础。镶件静态配合间隙取0.001～0.003 mm，滑动或旋转配合的镶件配合间隙要考虑生产过程中的热膨胀影响，取0.005～0.015 mm。注射模能否高效稳定地生产合格塑件，一方面取决于模具结构设计的合理性，另一方面取决于型腔板的制造精度能否满足要求。

由于塑料特有的注射成型收缩性，齿轮型腔形状是一个非标的内外齿轮，齿轮型腔板的加工制造是模具制造的关键。目前齿轮型腔板加工的方式有电火花放电、慢走丝线切割、电铸、挤压等方法。2个斜齿轮的相对相位角有较高要求，在模具零件加工时需重点考虑。大斜齿轮型腔板是一个带基准平面的圆环，可以采用精密慢走丝线切割加工，端面相位精度较容易保证，结构如图9所示。

图9 大斜齿轮型腔板

小斜齿轮型腔板由于螺旋角较大，无法采用精密慢走丝线切割加工，可以采用带旋转轴的精密电火花加工。电火花加工时齿形端面相对相位角无法精确控制，要解决该问题，可以先加工斜齿轮成型部位，再通过精密测量端面齿形和基准的相对相位角，确定齿轮型腔板镶件的安装位置，保证相对相位角精确。

小斜齿轮脱模是利用丝杆螺母副实现型腔板旋转抽芯，小斜齿轮型腔板与丝杆之间采用固定套连接，合模注射时在开模方向高度固定不变。为了确保丝杆螺母副运动顺畅，丝杆和螺母之间留有0.2 mm的间隙，其间隙可通过在连接固定套上设置2个定位柱（均布在同一圆周上）与齿轮型腔固定套进行精确定位来解决。

4 结束语

精密双联塑料斜齿轮是成型难度较大的塑件，从塑件结构分析、模具结构设计、模具工作原理、关键零件的加工制造等方面阐述在模具结构设计上的常见问题及解决方法，通过确定稳定的成型工艺，逐步积累制造经验，可为以后生产类似塑件提供指导。