帶金屬螺桿塑料斜齒輪注射模設計

胥樹志，顧來法，徐平均，潘玉明

（寧波雙林汽車部件股份有限公司，浙江 寧波 315600）

0 引言

近年來在汽車行業高速發展的帶動下，采用鋼蝸桿與塑料斜齒輪（或塑料蝸輪）嚙合的交錯軸傳動輪系已經在汽車搖窗、雨刮電機和電動座椅調整系統中得到廣泛應用。這類輕載交錯軸傳動輪系與傳統的鋼蝸桿-鋼蝸輪組合比較，具有質量輕、噪音小、制造成本低和減震特性好等優點。此外鋼蝸桿與塑料斜齒輪組合對潤滑條件要求不高且電絕緣性能良好。圖1所示的斜齒輪螺桿組件在車用驅動器上得到應用，現從斜齒輪螺桿組件注射模設計方面介紹斜齒輪螺桿組件在注射成型時常見問題的解決方法，為模具設計人員提供借鑒。

1 帶金屬螺桿嵌件塑料斜齒輪工藝分析

圖1所示塑料斜齒輪為調整汽車座椅用的傳動零件，其中螺桿為金屬嵌件。齒型部分為外螺旋圓柱斜齒輪，法向模數m=1.04 mm，齒數z=25，螺旋角β=6.51°，法向壓力角α=12°，材料為Delrin 100P。斜齒輪用來傳遞運動，既可以獲得較好的傳動能力，又能改善潤滑條件，減少傳動噪音。齒輪采用金屬螺桿作為芯軸，頭部斜齒輪由注射工藝包覆POM塑料成型，軸向基本對稱。

由于斜齒輪組件金屬螺桿嵌件較長，齒型尺寸精度要求高，成型難度較大，主要體現在以下4個方面。

（1）兩處軸頸分別成型在定模側和動模側，φ0.03 mm的同軸度較難保證。

（2）金屬螺桿嵌件較長（個別型號在400 mm以上），注射成型時定位困難，且金屬螺桿容易彎曲變形，導致金屬螺桿相對于A、B基準的軸向跳動0.2 mm超差。

（3）金屬螺桿在大批量制造過程中，長度尺寸難以保持一致，0.3 mm的公差帶對于鋼球與斜齒輪端面距離尺寸（20±0.03）mm的影響較大，一般的模具結構難以保證其精度要求，模具結構需要進行特殊設計。

（4）由于金屬螺桿嵌件的存在，導致塑料斜齒輪的收縮復雜，這種斜齒輪的收縮特性與普通圓柱斜齒輪不同，在成型斜齒輪型腔設計時需要進行特殊處理。

2 模具結構設計

斜齒輪塑件因齒形具有螺旋角，脫模有一定難度，常用的脫模方式是讓齒形型腔板旋轉或讓齒輪塑件旋轉的方式進行脫模。探討的塑料斜齒輪由于帶有金屬螺桿嵌件，模具結構更加復雜，針對產品結構特點，采用了使齒形型腔板鑲件旋轉的方式進行脫模，模具結構如圖2所示。模具采用1模2腔、3點平衡式澆口進澆的三板式結構，在定模上設計成型斜齒輪的型腔板鑲件，開模時利用斜齒輪對型腔板鑲件施加的側向推力使型腔板鑲件旋轉實現脫模。通過在金屬螺桿嵌件下方設置彈頂桿和滑塊延時鎖緊機構，保證成型斜齒輪塑件高度尺寸的精度要求。實踐證明，這種脫模方式能滿足斜齒輪塑件的尺寸精度要求，生產的斜齒輪組件齒形精度可達到國標GB/T 10095—2001 8級精度，齒距精度達到9級，螺旋線精度達到10級，3項指標均符合圖紙的精度要求。

圖2 模具結構

斜齒輪模具工作原理如下。

（1）利用機械手將金屬螺桿嵌件30放入動模，使螺桿尾部與彈頂桿32接觸，當金屬螺桿嵌件放置完成后，動模部分在注塑機座板帶動下，開始合模。導柱25首先進入安裝在動模板4上的導套孔內，對動模和定模的合模進行導向。在彎銷12的作用下滑塊合模將金屬螺桿嵌件30進行初步夾緊定位，此時金屬螺桿還未完全固定，還能上下竄動。繼續合模，由于在彈簧26和磁力鎖模組件13的作用下，動模板4和定模板28合模，滑塊鑲件7在鎖緊塊的作用下合攏將螺桿嵌件進行中心定位，使螺桿嵌件插入澆口鑲件19的孔位中。硬質合金鑲件21接觸螺桿嵌件頭部的鋼球后將螺桿嵌件向下推動使彈簧33受到壓縮，在彈簧33的作用下確保硬質合金鑲件21與金屬螺桿嵌件頭部的鋼球保持接觸。繼續合模，當推料板24與滑塊鎖緊塊9接觸后將彈簧8壓縮，使2個滑塊完全鎖緊，將金屬螺桿嵌件30固定，防止注射過程中金屬螺桿嵌件30向下竄動。

（2）動、定模合模完成后，進行注射、保壓、冷卻等，當注射完成后，動模部分在注塑機座板帶動下，開始分型。第Ⅰ次分型：在彈簧26的作用下，推料板24與定模板28分型，在拉料桿22的作用下，主流道凝料被固定在推料板24上，點澆口被拉斷且與成型塑件分離。第Ⅱ次分型：模具開模一定距離后，在定距拉桿20的作用下，推料板24與定模座板23開始分離，將主流道凝料從澆口套和拉料桿22上脫離，完成流道凝料的脫模。第Ⅲ次分型：模具繼續開模，在磁力鎖模組件13和定距拉桿27的作用下，定模板28與動模板4分型，此時滑塊鎖緊塊9與滑塊6分離，在彎銷12的作用下，滑塊鑲件7繼續對金屬螺桿嵌件30保持夾緊狀態，成型的塑料斜齒輪在滑塊鑲件7上設置的環形槽拉力作用下留在動模，開模過程中，塑料斜齒輪對斜齒輪型腔板鑲件17施加一個側向推力，使型腔板鑲件17在簡易滾珠軸承18的輔助下進行同步旋轉，斜齒輪塑件從型腔板鑲件17中脫出。繼續開模，滑塊6在彎銷12的作用下向兩邊分開，滑塊鑲件7與成型塑件分離，此時動模和定模完全分開。

（3）開模一定距離后，注塑機座板停止運動，注塑機頂出液壓缸開始動作，推動頂出加長塊35將推板2向前推動，此時固定在推板2上的彈頂套31帶動金屬螺桿嵌件30將塑料斜齒輪從模具中推出，注塑機頂出液壓缸回退復位，推板2在復位彈簧15的作用下完成復位。機械手取出斜齒輪組件，整個開模動作完成。

3 澆注系統設計

塑料齒輪注射模設計時，澆注系統的合理設計對注射成型至關重要，其不但影響成型塑件的外觀質量、尺寸精度，還對塑件力學性能有較大影響。模具選擇3點平衡進澆方式，且3個點澆口在同一圓周均勻分布，如圖3所示。采用3點平衡進澆時，塑料熔體從澆口呈輻射狀向四周流動，纖維的取向差異比采用單點偏心澆口小，成型的齒輪精度相對更高。對精密塑料齒輪成型模采用平衡進澆和保壓暢通是流道系統設計的2個關鍵因素，一方面只有采用平衡式進澆，才能保證成型的塑料齒輪的尺寸精度，多型腔齒輪模具更是如此；另一方面保壓暢通是保證成型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生產時都需要采用較高的注射壓力和保壓壓力，這樣才能使成型塑件具有較高的密度和尺寸穩定性。

圖3 點澆口進澆方式

4 型腔設計

模具型腔設計為組合式結構，主要由斜齒輪型腔板鑲件、澆口鑲件、硬質合金鑲件、滾珠和保持架組成的簡易軸承、固定板等組成，如圖4所示。斜齒輪型腔板鑲件和固定板之間為間隙配合（間隙為0.02～0.03 mm），便于斜齒輪型腔板鑲件在脫模時轉動。斜齒輪型腔板鑲件通過外圈的錐面和型芯及內圈的錐面和澆口鑲件進行定位。通過兩處錐面的精密定位保證成型塑件軸頸處的φ0.03 mm同軸度要求。在型腔板鑲件軸肩和固定板之間設計了簡易軸承以減小型腔板鑲件旋轉時的摩擦力。簡易軸承和斜齒輪型腔板鑲件以及固定板之間留有0.5 mm的間隙。開模時，型腔板鑲件可以向外拉出0.5 mm，使型腔板鑲件與澆口鑲件分開，避免型腔板鑲件與澆口鑲件之間產生的摩擦力阻礙型腔板鑲件旋轉。在澆口鑲件上設計一個硬質合金鑲件，防止在批量生產中螺桿嵌件頭部的鋼球磨損，以確保成型塑件（20±0.03）mm尺寸的穩定性。

圖4 組合式型腔結構

5 滑塊和脫模機構設計

滑塊采用鑲件式結構，由彎銷對滑塊進行驅動，為了確保成型塑件（20±0.03）mm尺寸的穩定性，消除金屬螺桿嵌件的長度尺寸誤差，對滑塊的鎖緊方式進行了特殊設計，采用了延時鎖緊結構，如圖5所示。

圖5 滑塊結構形式

斜齒輪塑件為了配合脫模在軸頸下面設計1個環形槽，如圖6所示。環形槽的存在可以確保在開模時能將成型塑件留在動模，使齒形部分順利脫模。

圖6 塑件上的環形槽

模具合模時，為了使螺桿嵌件插入澆口鑲件19的孔位中，必須使滑塊先復位將螺桿嵌件固定，才能確保螺桿嵌件中心位置不出現偏移，合模時不會損壞型腔壁，因此模具采用彎銷對滑塊進行驅動。采用彎銷驅動滑塊可使滑塊延時滑開，在開模過程中，塑料斜齒輪驅動型腔板鑲件旋轉脫模時，滑塊鑲件7不會從成型塑件的環形槽中脫出。

滑塊采用延時鎖緊方式的主要原因是螺桿嵌件上焊接了一個金屬環（見圖7），而點澆口位置位于金屬環的上方，熔體注射時，熔體會對金屬環產生較大的沖擊力，使金屬螺桿嵌件向下竄動，導致金屬螺桿出現位移和彎曲變形，影響成型塑件（20±0.03）mm尺寸的準確性和穩定性，解決該問題有如下2種方法。

圖7 螺桿上焊接的金屬環

（1）將金屬螺桿的長度尺寸公差控制在±0.03 mm，以滿足斜齒輪組件的尺寸要求。

（2）在模具結構上使斜齒輪組件在熔體注射時確保金屬螺桿嵌件頭部的鋼球與硬質合金鑲件21始終保持接觸，金屬螺桿嵌件不向下竄動。

金屬螺桿在大批量生產過程中，要將長度尺寸公差控制在±0.03 mm較困難，也不經濟，±0.15 mm的加工誤差可以接受，因此只能從模具結構上進行考慮。要使斜齒輪組件在熔體注射時金屬螺桿嵌件不向下竄動，一般是在金屬螺桿嵌件的下方增加強力彈簧，用彈簧的彈力消除螺桿嵌件的長度誤差，同時克服在注射熔體時對金屬環產生的沖擊力，如圖8所示。

圖8 螺桿下方增加彈簧機構

在金屬螺桿嵌件的下方增加強力彈簧后，開模時彈簧對金屬螺桿嵌件施加較大的推力，該推力可能使斜齒輪組件上用來輔助脫模的環形槽拉裂，還可能使螺桿嵌件彎曲變形，影響螺桿的跳動精度。為了解決這些問題，模具采用輕載荷彈簧以減小螺桿嵌件的長度誤差，避免彈簧彈力過大導致金屬螺桿嵌件彎曲變形，同時利用滑塊對螺桿嵌件的強力鎖緊克服在注射階段熔體對金屬環產生的沖擊力，避免螺桿嵌件向下竄動。

鎖緊塊9固定在定模板28和推料板24之間，在動模板4和定模板28合模階段并未將滑塊鑲件7鎖緊，這樣在動模板4和定模板28完全合模前，螺桿嵌件在滑塊的環抱中可以向下自由移動。只有當推料板24與滑塊鎖緊塊9接觸后才能使2個滑塊完全鎖緊，將金屬螺桿嵌件固定，防止在注射過程中金屬螺桿嵌件向下竄動。

在模具中未采用常用的尼龍鎖模器和其他機械式鎖模裝置，而是采用了沒有合模阻力的磁力鎖模組件，目的是確保動模板4和定模板28先于動模板與推料板24合模之前完全合模，避免滑塊將螺桿嵌件固定后動模板和定模板還沒有完全合模導致螺桿嵌件頭部出現壓彎、螺桿嵌件頸部出現擦傷等缺陷。

6 結束語

帶金屬嵌件的塑料斜齒輪是成型難度較大的塑件，介紹了在模具結構設計上常見的一些問題及解決方法，而對于塑料齒輪結構設計同樣重要的收縮率設計、齒形參數設計、電極設計、齒形型腔加工工藝、注射工藝參數、型腔和成型塑件檢測方法等方面沒有涉及，相關內容可以查閱相關資料。