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      介紹塑膠齒輪的精密模具設計
      - 2019-11-19-

      介紹深圳精密模具設計塑膠齒輪:


      一、深圳精密模具設計的型腔設計

      塑料齒輪模具的型腔設計一向被視為模具工業的一個技術難題。究其原因主要有兩點:一是塑料收縮率難以精確化:在塑料齒輪模塑法加工過程中,塑料由顆粒狀固體原料經高溫轉變為熔融的塑料液體,再經冷卻后成型固態塑料齒輪產品。這一過程中塑料的收縮率是一個范圍值,難以精確的確定塑料的收縮率數值;二是模具型腔的非線性收縮計算:對于漸開線小模數塑料齒輪模具而言,模具型腔實際上是一個假想的齒輪。這個假想齒輪既不同于變位齒輪又不同于內齒輪。這個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,如所示。正是這種非線性收縮導致漸開線塑料齒輪模具型腔的設計難度大大增加。


      面對這一技術難題,采用一般塑料件的各向等比例收縮方法設計模具型腔是難以收到良好的效果的。根據我公司多年的實踐檢驗,在精確估算塑料收縮率的基礎上,我們推薦采用變模數法進行齒輪模具型腔的理論設計,然后通過齒形修正來保證模具型腔的精確合理。變模數法認為:齒輪在各加工過程中,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,與簡單的套筒類零件的徑向尺寸變化規律一致。對齒輪分度圓而言,由公式d=mz 可知,它只與模數m和齒數z有關。對于一個具體的齒輪,由于它的齒數是一定的,因此在加工過程中,分度圓直徑的變化可以認為是模數 在變化。這一規律說明:塑料齒輪模具型腔所包容的空間是一個齒數與壓力角不變,模數為 的假想齒輪,它的溝槽為型腔的齒形。對這個假想齒輪的模數可以采用等比例方法的方法進行計算,其公式為:m'=(1+ η%)m。式中,m' 為模具型腔齒形的模數; m為設計齒輪的理論模數;η%為塑料的收縮率。用模數 m' 代入相應的齒輪計算公式得到的齒輪便是模具型腔的假想齒輪。實踐證明,采用變模數法設計的齒輪模具型腔能夠較好的解決漸開線齒形的非線性收縮難題,如所示的模具型腔產品。


      2、深圳精密模具設計的澆口設計

      在模塑法加工塑料齒輪時,澆口位置對齒輪的精度具有顯著的影響,特別是徑向跳動;澆口的分布形式則對塑料齒輪的整體力學性能有重要影響。在塑料齒輪模具澆口設計時,若齒輪產品允許,推薦采用三點進膠方式設計澆口,且三點建議處于同一圓弧線上并均勻分布,如所示。采用三點平衡進膠時,塑料熔體從澆口呈輻射狀向四周流動,在流動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前沿平行。在齒輪中,這會導致纖維在熔接線處呈徑向分布,而齒輪其余部位隨機分布。這會沿熔接線形成低收縮區域。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。所示是分別采用單點偏心澆口與三點均勻分布澆口時纖維定向和填充模式的示意。


      3、深圳精密模具設計的排氣設計

      排氣是塑料模具設計必須要考慮的一個問題。對塑料齒輪模具而言,齒面排氣設計是不能忽視的一點。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,進膠時容易在末端填充處出現填充不足現象,需要在齒面開排氣槽以消除困氣,一般齒面排氣槽開設所示。


      4、深圳精密模具設計的模具結構

      鑒于塑料齒輪注塑多采用點澆口形式,故而其模具結構多采用三板式結構,如所示為齒輪模具的設計和所示齒輪模具的實物。齒輪模具的工作原理如下:


      當注塑動作完成后,動模部分在注塑機帶動下,開始分型:


      第Ⅰ次分型:由于彈簧1作用,剝料板與A板開始分型,在水口鉤針作用下,主流道被固定在剝料板上,進膠點拉斷與產品分離;

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

      第Ⅲ次分型:模具繼續開模,在拉桿組的作用下,A板與B板開始分型,開模至90mm后,頂針板開始運動,頂出產品,在頂出過程中需通過頂針板導柱加強頂出平衡。在彈簧2的作用下頂針板復位。一整套模具開模頂出動作完成。


      二、塑料齒輪模具制造

      在塑料齒輪模塑法加工過程中,齒輪模具是塑料齒輪的成型設備,是保證塑料齒輪精度的關鍵。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,是整個齒輪模具加工中要求更嚴格、精度更高的部分,是整個齒輪模具加工的重中之重。齒輪模具的加工流程所示。


      1、齒輪型腔加工

      齒輪型腔加工是整個塑料齒輪模具制造的關鍵。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,對型腔的制作的尺寸誤差和表面粗糙度必須嚴格控制,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各有優劣。對于漸開線直齒圓柱齒輪通常采用線切割法,而對斜齒輪則一般采用電火花加工。另外,對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。齒圈線切割過程如所示。


      2、模架加工

      模架又稱模胚,是齒輪模具的輔助成型部分。模架加工與常見的塑料件注塑模具加工類似,因此本文不再贅述。齒輪模架加工實物如所示。


      齒圈線割過程注:①慢走絲機 ②齒圈參數設置 ③固定齒圈 ④線割齒圈 ⑤線割后的齒圈


      注:①慢走絲機 ②齒圈參數設置 ③固定齒圈 ④線割齒圈 ⑤線割后的齒圈


      三、塑料齒輪注塑工藝

      在前文中我們已經提到:漸開線塑料齒輪的齒形收縮是非線性收縮,即在齒輪平面上x與y方向收縮量不等。因此,模具型腔齒廓是包含收縮量的假想齒輪。塑料齒輪的注塑成型實際是一種包含收縮的“仿形”,即先以假想齒輪為模板成型,然后冷卻收縮后成形為漸開線齒形。從這一個觀點可以看出:控制收縮是整個塑料齒輪設計制造的重中之重。因此,塑料齒輪的注塑工藝皆與收縮相關。換言之,控制合理的收縮才能制造出高精度的塑料齒輪。


      在塑料齒輪的注塑工藝控制過程中,控制收縮必須考慮兩個方面:一是材料特性;二是注塑參數。鑒于塑料齒輪常見的材料為聚甲醛(POM),故我們以POM塑料齒輪為例簡要介紹塑料齒輪的注塑工藝。


      1、材料特性

      POM的材料特性及加工性能可以歸納為六點:①流變性:POM在熔融狀態下呈非牛頓流體,溫度對POM熔體的黏度影響不大,所以不能采用提高溫度的方法來提高POM熔體的流動性。②結晶性:POM一般結晶度為75%~80%。POM熔融時,有明顯的體積變化,因此注塑時必須有足夠的保壓時間,以補償固化的體積變化,否則就會出現縮孔。③熱穩定性:POM熱穩定性較差,在保證流動的前提下,加工溫度要盡量低,一般溫度范圍是:均聚甲醛180℃~200℃,共聚甲醛170℃~190℃。因此,受熱時間要盡量短。④吸濕性:POM吸濕性小,一般為0.2%~0.25%。⑤收縮率:POM收縮率較大,為1.5%~3.5%。⑥其他方面:POM摩擦系數較小,凝固速率大,表面硬度高,剛性大,具有自潤滑及回彈性,脫模應力較小的特點,故可以快速脫模。


      2、注塑參數

      POM塑料齒輪的精度受材料收縮率影響很大,所以必須嚴格控制注塑工藝參數降低材料收縮的波動范圍來獲得高精度的齒輪產品。POM塑料齒輪注塑工藝的關鍵參數有:①料筒溫度:一般為170℃~190℃。②注塑壓力:一般為40~130MPa。注塑壓力的高低與塑料熔體流動速率、模具澆口形狀與尺寸、齒輪設計結構及尺寸、模具溫度、注塑機類型等有關。③注塑速度:一般在20~80。為避免熔體過早冷卻產生缺陷,一般采用快速注塑的方法,而厚壁齒輪一般采用慢速注塑。④模具溫度:一般不低于75℃,對厚壁齒輪模溫可適當調高一些,但不要超過120℃。另外,模具溫度應盡量均勻,防止齒輪翹曲變形。⑤保壓時間:隨齒輪厚度增加而增加,一般從幾秒到幾分鐘不等。⑥成品熱處理:一般在130℃的恒溫箱中保溫4~8小時,以釋放內應力等。


      在上述注塑工藝參數中,主要的參數有三個:模具溫度、注塑壓力和保壓時間。這三個參數對塑料齒輪成型的收縮率具有重要影響,如所示的參數與成型收縮率的關系曲線?!咀ⅲ呵€關系為近似關系,不同成分的材料曲線有差異?!坑捎谧⑺芄に囀軝C臺其其他外部環境的影響,所以必須通過多次調機才能找出更佳注塑參數。所示為塑料齒輪的注塑現場。


      注:所示為塑料齒輪注塑完成后機械手臂從模具中取出塑料齒輪產品。


      在工業齒輪的應用上的深圳精密模具設計,與傳統的POM和PA66相比,Wintone Z33具有更好的耐磨性,耐疲勞性和抗形變能力,可以幫助解決斷齒問題,同時大幅度降低摩擦噪音,經應用后比較,Wintone Z33也優于不少耐磨改性規格的POM和PA66(如聚四氟乙烯,硅酮類或二硫化鉬改性),同時Z33具有很好的耐腐蝕性,可以用于很多場景下接觸各類化學物質的嚴苛環境,比如印染紡織機械上的齒輪,液壓系統的擋圈和密封圈,等等,成功替代價格昂貴的PEEK,PA12,PVDF,PTFE的部分應用領域。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,注塑完無需水處理。

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