塑料齒輪由于具有質(zhì)輕、價(jià)廉、傳動(dòng)噪聲小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、儀表、家用電器、玩具和各種計(jì)時(shí)裝置中，不僅在很多場合已取代了金屬齒輪，而且能夠用于金屬齒輪不宜使用的許多領(lǐng)域。目前有關(guān)塑料齒輪的成型研究多是針對其外齒輪的成型拉，而對于內(nèi)齒輪的研究則較少。小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪在組裝尺寸小、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)，有著比較明顯的優(yōu)勢。筆者研究了模數(shù)為0.2mm的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪注塑模具的設(shè)計(jì)，并通過注射成型試驗(yàn)對注塑模具的成型效果進(jìn)行了驗(yàn)證。
一、小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪注射成型特點(diǎn)分析
圖1為所要注射成型的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪尺寸示意圖。其齒形參數(shù)為：模數(shù)0.2mm，齒數(shù)36，變位系數(shù)1.6，分度圓壓力角20度；內(nèi)形尺寸為：齒頂圓直徑7.5mm，齒根圓直徑8.2mm；外形尺寸為：外徑10mm，高4mm。
圖1：塑料內(nèi)齒輪尺寸示意圖
由于塑料內(nèi)齒輪在注射成型后將因收縮而包緊在型芯上，而且所成型的塑料內(nèi)齒輪的齒數(shù)較多，因此所需的脫模力比較大。此外，因小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪的齒根處壁厚僅為0.9mm，若采用推桿進(jìn)行塑料件頂出，推桿的直徑宜在0.5mm左右，這使得塑料件局部面積上承受的頂出壓力過大，極有可能將塑料件頂穿，造成塑料件破壞及無法脫模，所以需要采用推管或推板進(jìn)行頂出。若采用推管頂出，不僅型芯的軸向尺寸過大，而且推管的定位精度要求非常高?；谏鲜龇治?，筆者選擇使用推板進(jìn)行塑料件頂出。
聚甲醛(POM)具有強(qiáng)度高、耐疲勞、耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是一種較理想的塑料齒輪材料，所以采用POM進(jìn)行小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪的注射成型。
二、模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Moldflow是一款具有強(qiáng)大分析功能的專業(yè)注射成型CAE軟件，被廣泛應(yīng)用于注射成型領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。在設(shè)計(jì)小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪的注塑模具時(shí)，筆者首先使用Moldflow軟件進(jìn)行最佳澆口位置分析。表面網(wǎng)格(Fusion)能夠在保證分析精度的同時(shí)，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，因此網(wǎng)格類型選擇Fusion。根據(jù)塑料件的局部最小尺寸，網(wǎng)格的平均邊長設(shè)置為0.2mm。軟件分析結(jié)果顯示，宜將澆口設(shè)在塑料件中間高度處的里側(cè)或外側(cè)。筆者選擇將潛伏式澆口設(shè)在塑料件中間高度處的外側(cè)，如圖2所示，這是因?yàn)闈部谠O(shè)在此處不會(huì)影響塑料內(nèi)齒輪的正常使用。
圖2：最佳澆口位置分析結(jié)果
潛伏式澆口的尺寸不宜過大，否則流道和塑料件之間不易斷開，繼而影響到流道凝料及塑料件的正常脫模，本澆口尺寸取?0.6mm。對于一模兩腔的型腔安排，澆注系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3：澆注系統(tǒng)示意圖
2.2 成型組件設(shè)計(jì)
成型組件如圖4所示。小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪的齒形采用小模數(shù)的金屬外齒輪型芯3成型。型芯的高度為4mm，齒頂厚為0.07mm，齒槽寬為0.16mm。由于齒形小，型芯無法采用齒輪刀具進(jìn)行加工；又因型芯的高度超過1mm，也無法采用光刻樹脂后電鑄金屬的方法進(jìn)行加工；適宜的加工方法是采用電火花線切割加工。首先將模具合金鋼坯料精磨為所需厚度的板件，然后在數(shù)控線切割機(jī)床上使用?0.1mm的鉬絲從板件上切下小模數(shù)金屬外齒輪，得到所需的型芯。利用?2.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)頂桿作為型芯固定桿，在其桿部加工出螺紋，與M2.5的螺母相配合，將型芯固定在動(dòng)模嵌件5上端。
圖4：成型組件示意圖
為了方便調(diào)整與更換，推板上與動(dòng)模嵌件相接觸的部分設(shè)置了推板嵌套。推板嵌套與動(dòng)模嵌件之間采用錐面配合，這樣在合模時(shí)不會(huì)發(fā)生刮碰，從而減少磨損、提高模具使用壽命。推板嵌套是以過盈配合的方式固定在推板中，為了在修配模具時(shí)便于將推板嵌套取出，推板嵌套內(nèi)部錐孔的大端半徑比推板上的動(dòng)模嵌件安裝過孔半徑大1.5mm。
用于成型小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪外形的型腔嵌套則設(shè)在定模一側(cè)。當(dāng)動(dòng)、定模分開時(shí)，因收縮而包緊在型芯上的塑料內(nèi)齒輪首先從定模型腔中脫出，塑料件留在動(dòng)模一側(cè)，然后推板將塑料件從型芯上頂出。
潛伏式澆口設(shè)置在型腔嵌套上。為保證型腔嵌套上的流道部分與定模板上的流道部分準(zhǔn)確接合，型腔嵌套需要設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。將該結(jié)構(gòu)設(shè)在型腔嵌套的頭部而未設(shè)在桿部(如圖4b所示)，這樣既有利于型腔嵌套防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的加工，也有利于定模板上用于安裝型腔嵌套桿部的配合孔的加工，提高了加工的工藝性。
2.3 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模具整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。推板通過螺釘與復(fù)位桿連接。當(dāng)注塑機(jī)的頂桿推動(dòng)模具的推桿固定板向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由復(fù)位桿帶動(dòng)推板實(shí)現(xiàn)塑料件頂出運(yùn)動(dòng)。由于冷料穴設(shè)在推板上，如果拉料桿仍像常規(guī)設(shè)計(jì)那樣固定在推桿安裝板上，則拉料桿與推板之間將無相對運(yùn)動(dòng)，也就無法使流道凝料脫離拉料桿。為此將拉料桿固定在動(dòng)模板上，推板在頂出塑料件的同時(shí)，會(huì)將流道凝料從拉料桿上強(qiáng)制推出。為了便于取下粘附在推板上的流道凝料，推板上的冷料穴設(shè)計(jì)成一個(gè)淺的球狀凹坑。
圖5：模具總體結(jié)構(gòu)圖
圖6示出模具的開模動(dòng)作。當(dāng)注塑機(jī)執(zhí)行開模動(dòng)作時(shí)，復(fù)位桿上的彈簧使得推板緊靠在動(dòng)模板上，因此模具在定模板與推板之間分開，包括推板在內(nèi)的動(dòng)模部分隨注塑機(jī)的動(dòng)模安裝板向后移動(dòng)。注射成型的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪因包緊在動(dòng)模型芯上而從定模型腔中脫出，潛伏式澆口被拉斷，塑料件留在動(dòng)模一側(cè)；在拉料桿的作用下，潛伏式澆口與主流道也從定模部分脫出，留在動(dòng)模一側(cè)。當(dāng)注塑機(jī)執(zhí)行頂出動(dòng)作時(shí)，注塑機(jī)頂桿通過復(fù)位桿而帶動(dòng)推板向前運(yùn)動(dòng)，將塑料件和流道凝料分別從型芯與拉料桿上脫下來。注塑機(jī)頂桿撤出后，在彈簧的作用下，復(fù)位桿帶動(dòng)推板先復(fù)位，然后合模進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。
圖6：開模動(dòng)作示意圖
三、注射成型試驗(yàn)
注射成型材料選擇日本寶理公司的牌號(hào)為M9044的POM。注射成型設(shè)備為德國BOY公司的12A型微注塑機(jī)。由于POM的成型溫度范圍窄，因此注射速度要快，同時(shí)需要提高模具溫度。筆者所采用的注射成型工藝參數(shù)如圖7所示。
圖7：注塑成型工藝參數(shù)
注射成型過程中，模具運(yùn)行順暢，塑料件與流道凝料順利脫模。所注射成型的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪塑料件如圖8所示。經(jīng)檢驗(yàn)，塑料件的外觀與內(nèi)部齒形均成型質(zhì)量良好，符合設(shè)計(jì)要求。
圖8：注射成型的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪塑料件
四、結(jié)語
通過分析小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪的結(jié)構(gòu)和注射成型特點(diǎn)，在參考Moldflow軟件分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了潛伏式澆口、推板頂出的注射成型方案。型腔組件結(jié)構(gòu)緊湊，配合可靠。所成型的小模數(shù)塑料內(nèi)齒輪具有良好的外觀與內(nèi)部齒形，滿足使用要求，可為同類塑料齒輪產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)提供參考。