基于凸輪定位機構的螺紋模具頂出裝置設計*

李回庭，趙桂花

(東莞市機電工程學校， 廣東 東莞 523846)

0 引言

模具設計工程師經常會遇到一些帶螺紋特征的產品，對于這類模具的設計，需要運用一些復雜的機械原理。通常設計的機構，比如滑塊、斜頂機構，都是做直線運動，模具結構相對簡單。但是有彎管、螺紋特征的產品，都會做旋轉或旋轉加直線運動，模具結構復雜，制造維護成本較高[1]。本文作者經過長期的實踐，摸索出一套螺紋模具，巧用凸輪、滑塊定位機構實現精確脫模，能簡化模具結構，提高生產精度及模具穩定性，降低產品報廢率，節省成本，從而提高生產效率，提升企業競爭力及經濟效益。

1 產品要求及工藝性分析

現有某公司產品： 保溫杯杯蓋,材料為食用聚丙烯(polypropylene, PP)。要求一模四腔，有較高的耐沖擊性，機械性質強韌[2]，3D外觀和剖面圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 保溫杯蓋外觀圖

圖2 保溫杯蓋剖面圖

從產品外形及結構上分析： 外形有兩處滑塊倒扣，后模有一圈牙需要自動脫螺紋。

因為產品本身結構的原因，牙的起始位置對每一次生產出來的螺紋都要在同一位置，以保證杯蓋扭緊后與杯身手柄對齊。

因日用品市場需求很大，模具使用壽命要求在10年以上。所以模具設計針對螺紋制品牙的起始位置，要求相同的結構有牙套退牙機構(見圖3)。但是牙套與螺紋軸摩擦容易磨損，導致產品廢品率高，生產約5萬次就需要下機修模，更換牙套，這樣既影響生產效率，又浪費成本。本套模具，客戶要求不使用牙套退牙，而要利用產品本身的液壓馬達推板邊頂邊退牙，自動生產[3]。這樣生產穩定，不用經常從注塑機卸模、修模，保證了生產進度，節省了因模具維修消耗的時間和材料。但是液壓馬達推板退牙結構是液壓馬達驅動的，不能保證馬達每次都轉同樣的圈數，每一次不一樣的角度使產品的起始牙都不在同一位置，產品容易報廢。因此需要增加定位機構來解決這一問題。如果螺紋軸定位都旋轉整數圈，則有很多方案可以參考，但很多模具脫模圈數不是整數圈，這給設計帶來一定難度。下面對螺紋起始牙定位方案進行分析比較。

圖3 牙套退牙結構

2 螺紋起始牙定位方案

1) 齒條的往復直線運動就可以實現起始牙定位[4]。但是如果產品牙的圈數太多，則齒條油缸太長，模具與齒條不成比例，模具整體不美觀，同時也需要增加很多加速輪組來減短齒條行程，這樣模具非常復雜，也很容易斷齒。即便這樣,齒條油缸還是很長，所以這種結構并不理想。

2) 步進電機也可以準確控制旋轉角度，但步進電機扭矩太小，成本相對較高[5]。

3) 用液壓馬達驅動凸輪滑塊定位機構定位，也就是可以不計圈數地正轉，但反轉最多只能轉一圈就會停止。

以上3種定位方法都能解決往復直線運動產品的定位，但是對于有彎管、螺紋特征的產品，需要旋轉或旋轉加直線運動來實現定位脫模，這3種方法顯然無法實現順利脫模[6]。但如果設計成凸輪滑塊機構，就可以很好解決螺紋模具脫模不是整數圈問題。凸輪滑塊定位原理： 齒輪向模具需要的方向旋轉，漸開線慢慢壓縮滑塊彈簧使滑塊直線運動，從而實現無障礙旋轉。當反轉時最多一圈就會被滑塊擋住，保證每次都在同一位置，為了防止齒輪損壞滑塊，要求生產時，注塑機參數設定馬達反轉時壓力不要太大、時間不能太長，以免長時間生產損壞滑塊。現巧用凸輪定位機構進行螺紋模具設計，包含凸輪結合滑塊定位機構設計，液壓馬達驅動、凸輪、滑塊定位結構設計，液壓馬達推板脫牙機構設計，定位凸輪設計注意事項4個部分。

3 凸輪結合滑塊定位機構設計

凸輪結合滑塊定位機構設計如圖4所示，機構處于自由狀態，由齒輪、漸開線凸輪、滑塊組件、彈簧組成。將凸輪與漸開線齒輪疊加安裝，安裝要求同軸度小于0.06 mm，齒輪逆時針轉動，凸輪轉動，驅動頂桿向右移動，滑塊壓縮彈簧帶動模具實現脫模，利用凸輪定位機構可以精確地控制脫模速度和長度，可以解決螺紋脫模不是整數圈問題。

圖4 凸輪、滑塊定位機構

4 液壓馬達驅動、凸輪、滑塊定位結構設計

液壓馬達驅動，凸輪、滑塊定位結構如圖5所示，一模四腔，主動輪通過液壓馬達驅動，驅動兩個惰輪，保持方向與主動輪一致。然后驅動滑塊結構、凸輪機構運動。

圖5 液壓馬達驅動，凸輪、滑塊定位結構

5 液壓馬達推板脫牙機構設計

液壓馬達推板脫牙機構設計結構如圖6所示，具體設計零件組成及標注如圖7所示。

圖6 液壓馬達推板脫牙結構圖

由圖7可知： 推板脫牙機構由滑塊1、滑塊2、后模、限位螺絲、推板、彈簧、圓錐滾子軸承、齒輪、螺紋軸、后模鑲件組成。

圖7 液壓馬達推板牙機構設計

液壓馬達推板脫牙結構動作原理為： 開模后，滑塊側向打開，液壓馬達轉動帶動齒輪螺紋軸原地旋轉，產品在牙及推板(彈簧)的作用下只能向上移動，慢慢與螺紋軸及后模分離，直到全部牙脫離螺紋軸限螺位，螺絲限位，使推板不能向上彈，機械手取產品完成整個動作。要求彈簧力度大小要合適，力度大了會破壞產品牙型形狀；小了彈不動推板，因此要設計成可調節長度的彈簧，并且可以根據彈簧力的大小，由小到大調試模具。

6 定位凸輪設計注意事項

1) 定位凸輪無論模具出多少腔，都只需要一個定位，因為螺紋軸上的齒輪都是同步的，可以保證脫模方向和脫模速度一致。

2) 定位凸輪最好放在螺紋軸齒輪上，這樣就不用考慮傳動比問題[7]。如果定位凸輪只能放在中間惰輪或主動輪上，則要把惰輪的齒數設計成跟螺紋軸上的齒輪齒數一樣，以保證傳動比(1∶1)，惰輪與螺紋軸上的齒輪才能同步。定位凸輪放在螺紋軸齒輪也是本設計的獨特之處。

7 凸輪定位機構在螺紋模具設計的試模效果

使用本設計和傳統設計，分別注塑加工50件零件，試模效果如表1所示。

表1 本設計與傳統設計試模效果比較

8 結論

采用液壓馬達推板自動退牙加上凸輪滑塊定位機構，簡化了模具結構，提高了生產穩定性，從而降低了生產成本。本設計操作簡便，降低了廢品率，為其他類似螺紋產品模具設計提供了參考。