齒輪模具與傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)不同，齒輪的齒厚（一個(gè)輪齒兩側(cè)齒廓間的弧長(zhǎng)）、模數(shù)（用以度量輪齒規(guī)模的參數(shù)）、壓力角（是指不計(jì)算摩擦力的情況下，受力方向和運(yùn)動(dòng)方向所夾的銳角）都需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)修形，不能按收縮率直接加工，已經(jīng)有一些專(zhuān)業(yè)的齒輪和齒輪減速箱制造公司根據(jù)塑膠齒輪模具這樣的特點(diǎn)，憑借長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累和計(jì)算機(jī)軟件廠家合作，開(kāi)發(fā)了齒輪模具的型腔參數(shù)計(jì)算軟件，可以直接生成齒輪參數(shù)及輪廓，用于齒輪修形、提高齒形精度。今天小維和大家一起聊一下塑膠齒輪的模具設(shè)計(jì)。

一、塑膠齒輪模具的型腔設(shè)計(jì)

塑料齒輪模具的型腔設(shè)計(jì)一向被視為模具工業(yè)的一個(gè)技術(shù)難題。究其原因主要有兩點(diǎn)：

首先是塑料收縮率難以精確化：在塑料齒輪模塑法加工過(guò)程中，塑料由顆粒狀固體原料經(jīng)高溫轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴诘乃芰先垠w，再經(jīng)冷卻后成型固態(tài)塑料齒輪產(chǎn)品。這一過(guò)程中塑料的收縮率是一個(gè)范圍值，難以精確地確定塑料的收縮率數(shù)值；

其次是模具型腔的非線性收縮計(jì)算：對(duì)于漸開(kāi)線小模數(shù)塑料齒輪模具而言，模具型腔實(shí)際上是一個(gè)假想的齒輪。這個(gè)假想齒輪既不同于變位齒輪又不同于內(nèi)齒輪。這個(gè)假想齒輪在收縮后就變成了我們想要的塑料齒輪。該假想齒輪在其漸開(kāi)線齒形上的收縮不同于一般塑料件的各向等比例收縮。在齒輪平面上，x與y方向的收縮量不等，即為非線性收縮，如圖1所示。正是這種非線性收縮導(dǎo)致漸開(kāi)線塑料齒輪模具型腔的設(shè)計(jì)難度大大增加。

圖1 塑料齒輪輪齒理論齒廓與模具型腔齒廓對(duì)比

面對(duì)這一技術(shù)難點(diǎn)，采用一般塑料件的各向等比例收縮方法設(shè)計(jì)模具型腔是難以收到良好效果的。根據(jù)多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，在精確估算塑料收縮率的基礎(chǔ)上，我們推薦采用變模數(shù)法進(jìn)行齒輪模具型腔的理論設(shè)計(jì)，然后通過(guò)齒形修正來(lái)保證模具型腔的精確合理。變模數(shù)法認(rèn)為：齒輪在各加工過(guò)程中，基圓直徑、分度圓直徑、齒頂圓直徑和齒根圓直徑都一樣，都是按照一定比例增大或減小的，與簡(jiǎn)單的套筒類(lèi)零件的徑向尺寸變化規(guī)律一致。對(duì)齒輪分度圓而言，由公式d=mz 可知，它只與模數(shù)m和齒數(shù)z有關(guān)。

對(duì)于一個(gè)具體的齒輪，由于它的齒數(shù)是一定的，因此在加工過(guò)程中，分度圓直徑的變化可以認(rèn)為是模數(shù)在變化。這一規(guī)律說(shuō)明：塑料齒輪模具型腔所包容的空間是一個(gè)齒數(shù)與壓力角不變的假想齒輪，它的溝槽為型腔的齒形。對(duì)這個(gè)假想齒輪的模數(shù)可以采用等比例方法的方法進(jìn)行計(jì)算，其公式為：m'=(1+ η%)m。式中，m' 為模具型腔齒形的模數(shù)； m為設(shè)計(jì)齒輪的理論模數(shù)；η%為塑料的收縮率。用模數(shù) m' 代入相應(yīng)的齒輪計(jì)算公式得到的齒輪便是模具型腔的假想齒輪。實(shí)踐證明，采用變模數(shù)法設(shè)計(jì)的齒輪模具型腔能夠較好地解決漸開(kāi)線齒形的非線性收縮難題，如圖2所示的模具型腔產(chǎn)品圖。

圖2 齒輪模具型腔

1.塑膠齒輪模具的澆口設(shè)計(jì)

在模塑法加工塑料齒輪時(shí)，澆口位置對(duì)齒輪的精度具有顯著的影響，特別是徑向跳動(dòng)；澆口的分布形式則對(duì)塑料齒輪的整體力學(xué)性能有重要影響。在塑料齒輪模具澆口設(shè)計(jì)時(shí)，若齒輪產(chǎn)品允許，推薦采用三點(diǎn)進(jìn)膠方式設(shè)計(jì)澆口，且三點(diǎn)最好處于同一圓弧線上并均勻分布，如圖3所示。

圖3 三點(diǎn)與一點(diǎn)進(jìn)膠示意圖

采用三點(diǎn)平衡進(jìn)膠時(shí)，塑料熔體從澆口呈輻射狀向四周流動(dòng)，在流動(dòng)前沿匯合處形成三條熔接線。在熔接線位置，纖維的取向傾向流動(dòng)前沿平行。在齒輪中，這會(huì)導(dǎo)致纖維在熔接線處呈徑向分布，而齒輪其余部位隨機(jī)分布。這會(huì)沿熔接線形成低收縮區(qū)域。熔接線與齒輪其余部位之間纖維取向的差異比單一澆口齒輪要小，從而齒輪精度也更高。圖4、5所示是分別采用單點(diǎn)偏心澆口與三點(diǎn)均勻分布澆口時(shí)纖維定向和填充模式的示意圖。

圖4 單一偏心澆口產(chǎn)生不均勻的纖維定向

圖5 三點(diǎn)澆口可產(chǎn)生更均勻的纖維定向和填充模式

2.塑膠齒輪模具的排氣設(shè)計(jì)

排氣是塑料模具設(shè)計(jì)必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)塑料齒輪模具而言，齒面排氣設(shè)計(jì)是不能忽視的一點(diǎn)。由于齒輪模具大部分平面均為磨床加工，面與面之間貼合較好，進(jìn)膠時(shí)容易在最末填充處出現(xiàn)填充不足現(xiàn)象，需要在齒面開(kāi)排氣槽以消除困氣，一般齒面排氣槽開(kāi)設(shè)如圖6所示。

圖6 齒面排氣

3.塑膠齒輪模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于塑料齒輪注塑多采用點(diǎn)澆口形式，故而其模具結(jié)構(gòu)多采用三板式結(jié)構(gòu)，如圖7所示為齒輪模具的設(shè)計(jì)圖和圖8所示齒輪模具的實(shí)物圖。齒輪模具的工作原理如下：

當(dāng)注塑動(dòng)作完成后，動(dòng)模部分在注塑機(jī)帶動(dòng)下，開(kāi)始分型：

第Ⅰ次分型：由于彈簧1作用，剝料板與A板開(kāi)始分型，在水口鉤針作用下，主流道被固定在剝料板上，進(jìn)膠點(diǎn)拉斷與產(chǎn)品分離；

第Ⅱ次分型：模具開(kāi)模95mm后，在拉桿組的作用下，剝料板與面板開(kāi)始分離，將主流道從澆口套脫離出來(lái)；

第Ⅲ次分型：模具繼續(xù)開(kāi)模，在拉桿組的作用下，A板與B板開(kāi)始分型，開(kāi)模至90mm后，頂針板開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，頂出產(chǎn)品，在頂出過(guò)程中需通過(guò)頂針板導(dǎo)柱加強(qiáng)頂出平衡。在彈簧2的作用下頂針板復(fù)位。一整套模具開(kāi)模頂出動(dòng)作完成。

圖7 塑料齒輪模具結(jié)構(gòu)

圖8 塑料齒輪模具

二、塑料齒輪模具制造

在塑料齒輪模塑法加工過(guò)程中，齒輪模具是塑料齒輪的成型設(shè)備，是保證塑料齒輪精度的關(guān)鍵。根塑料齒輪模具可以分為兩大部分：齒輪型腔和模架。其中，齒輪型腔又稱齒圈，是整個(gè)齒輪模具加工中要求最嚴(yán)格、精度最高的部分，是整個(gè)齒輪模具加工的重中之重。

1.齒輪型腔加工

齒輪型腔加工是整個(gè)塑料齒輪模具制造的關(guān)鍵。由于模塑法加工塑料齒輪是一種“仿形”加工方式，即型腔的齒廓是齒輪齒形的變形模板。因此，對(duì)型腔的制作的尺寸誤差和表面粗糙度必須嚴(yán)格控制，不得有毛刺、偏心、表面劃傷等不良缺陷。為此，必須制定嚴(yán)格的齒輪型腔加工工藝以保證型腔制作的精度。

齒輪型腔的加工方法主要有四種：線切割法、電火花加工法、電沉積法和鈹銅合金鑄造法。這四種方法在加工齒輪型腔時(shí)各有優(yōu)劣。對(duì)于漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪通常采用線切割法，而對(duì)斜齒輪則一般采用電火花加工。另外，對(duì)采用電火花加工齒輪型腔用的電極一般也可以采用線切割方法加工，對(duì)于替代蝸輪與蝸桿相嚙合的螺旋角較小( β≤6°)的斜齒輪電極仍可以采用線切割加工。齒圈線切割過(guò)程如圖9所示。

圖9 齒圈線割過(guò)程 注：①慢走絲機(jī) ②齒圈參數(shù)設(shè)置 ③固定齒圈 ④線割齒圈 ⑤線割后的齒圈

模架又稱模胚，是齒輪模具的輔助成型部分。模架加工與常見(jiàn)的塑料件注塑模具加工類(lèi)似，因此本文不再贅述。齒輪模架加工實(shí)物圖如圖8所示。

蘇州維本工程塑料Wintone Z33耐磨靜音齒輪專(zhuān)用料，作為一款強(qiáng)韌耐磨型工程塑料，在齒輪應(yīng)用上最顯著的特點(diǎn)是：耐磨、靜音、耐腐蝕、強(qiáng)韌且不受水份影響。

在微小型減速齒輪箱、電動(dòng)推桿、汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS齒輪、按摩器齒輪、汽油機(jī)凸輪、電助力自行車(chē)中置電機(jī)齒輪等等工業(yè)齒輪的應(yīng)用上，與傳統(tǒng)的POM和PA66相比，Wintone Z33具有更好的耐磨性、靜音、彈性、耐疲勞性和抗形變能力，Z33在保持了良好剛性的同時(shí)，進(jìn)一步提升了彈性和韌性（這種優(yōu)異的機(jī)械性能在攝氏-40度、0度和80度都有保持和體現(xiàn)），可以幫助解決齒輪斷齒問(wèn)題，同時(shí)大幅度降低摩擦噪音，經(jīng)應(yīng)用后比較，Wintone Z33也優(yōu)于不少耐磨改性規(guī)格的POM和PA66（如聚四氟乙烯，硅酮類(lèi)或二硫化鉬改性）。

在微小型減速齒輪箱耐磨靜音齒輪的應(yīng)用上，Z33在耐磨耐疲勞性優(yōu)于傳統(tǒng)的PA12和TPEE（海翠料）的同時(shí)，還能幫助解決PA12和TPEE有時(shí)候扭力不夠的問(wèn)題，而且Z33具有更好的成本優(yōu)勢(shì)。

另外，Z33具有很好的耐腐蝕性，可以用于很多場(chǎng)景下接觸各類(lèi)化學(xué)物質(zhì)的嚴(yán)苛環(huán)境，比如PCB設(shè)備齒輪、印染紡織機(jī)械上的齒輪，液壓系統(tǒng)的擋圈和密封圈，等等，成功替代價(jià)格昂貴的PEEK，PA12，PVDF，PTFE，PA46，TPEE的部分應(yīng)用領(lǐng)域。另外Z33的吸濕很少，綜合性能受水份的影響很小，整包裝Wintone Z33注塑前不需要提前烘料，可以直接注塑，注塑完無(wú)需水處理。