雙聯(lián)圓柱直齒輪注塑模具設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-5"\h\z1齒輪精確的參數(shù)化建模 32塑料件結(jié)構(gòu)及成型工藝性分析 43模具結(jié)構(gòu)分析 54模具工作原理 95結(jié)論 10參考文獻(xiàn) 11致謝 10塑料齒輪制造成本低、質(zhì)量輕、潤(rùn)滑性能好、傳動(dòng)噪聲低、耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無需后加工，并且其剛度和強(qiáng)度接近于金屬齒輪,可以代替有色金和合金齒輪,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀表、電訊、家用電器、玩具產(chǎn)品和各種計(jì)時(shí)裝置中。塑料齒輪采用模具注塑不需要切削加工，生產(chǎn)工序少，因此注射成型廣泛應(yīng)用于塑料齒輪的生產(chǎn)。1齒輪精確的參數(shù)化建模一個(gè)完整的輪齒齒廓至少由4部分組成：齒頂曲線、工作齒廓、齒廓過渡曲線和齒溝曲線［2］工作齒廓部分的曲線為一段漸開線，齒廓過渡曲線為一段長(zhǎng)幅外擺線。因此，建立模型的關(guān)鍵是確定精確的漸開線和過渡曲線⑴。1.1Pro/E中漸開線的直角坐標(biāo)方程在直角坐標(biāo)系下直齒圓柱齒輪漸開線基本方程式如下⑵：廠x=rsinu—rucosuTOC\o"1-5"\h\z< b by=rucosu—rsinub b式中：X，y為漸開線在直角坐標(biāo)系下的橫、縱坐標(biāo)；r為基圓半徑；u為漸開線上任意一點(diǎn)k處的滾動(dòng)角。其中:bu=0+a,0=inva=tana—a故u=tana.所以基本方程式可變?yōu)閗k k kk kx=rsin(tana)—rtanacosGana< b(k、b k(ky=rcos(tana)+rtanasin(tanab kb k k其中：a為漸開線上任意一點(diǎn)k處壓力角。k根據(jù)基本方程，在Pro/E中漸開線的直角坐標(biāo)ra=acos土a raa=t*akP=tana*180n=rsin(P)-b b k=rcos\P)+rtanasin其中：r為齒頂圓半徑；r為基圓半徑；acos代表arccos；0為中間變量；ta b從0變到1。這里需要說明的是，在方程式正余弦的計(jì)算中弧度必須轉(zhuǎn)化為角度。1.2齒廓過渡曲線方程齒輪齒根部分，是在加工中自動(dòng)形成的，根據(jù)刀具的形狀而定。實(shí)際加工制造的齒輪由于加工刀具的半徑，齒槽根部不是尖角而是過渡圓角為了防止加工出的齒根部位應(yīng)力集中過大，本文規(guī)定如果齒頂高系數(shù)小于1，齒根圓角半徑等于0.46*m；否則，齒根圓角半徑等于0.38*m（m為齒輪模數(shù)）。1.3直齒圓柱齒輪精確的參數(shù)化建模1.3.1基本參數(shù)假定齒輪按定傳動(dòng)比嚙合，標(biāo)準(zhǔn)安裝，且假設(shè)輪齒沒有誤差，基本參數(shù)見表1。模數(shù)齒數(shù)壓力角頂角高系數(shù)頂隙系數(shù)齒厚/mm220200.10.25101.3.2關(guān)系式本文給定了6個(gè)基本參數(shù)（見表1），通過Pro/E中的參數(shù)菜單添加到參數(shù)列表中，其余尺寸通過關(guān)系式來求得。其中齒根圓、齒頂圓、基圓和分度圓直徑的計(jì)算公式就不再給出，只是給出部分特殊的關(guān)系式[3]IFhn<1ad14=0.46*mENDIFIFhn>1ad14=0.38*mENDIFdl7=360/zd18=360/zp19=z-1其中，z為齒數(shù)；d14為齒根圓角半徑；d17為旋轉(zhuǎn)復(fù)制第二個(gè)齒槽時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度；d18為齒槽陣列旋轉(zhuǎn)角度；p19為陣列的齒數(shù)。2塑料件結(jié)構(gòu)及成型工藝性分析圖1所示為某電器設(shè)備中的一種雙聯(lián)直齒輪。大小齒輪均為直齒，模數(shù)為0.5mm,生產(chǎn)批量較大，為提高生產(chǎn)效率,可采用一模多腔注射成型。圖1塑料件結(jié)構(gòu)圖塑料件材料為聚甲醛(POM),其尺寸穩(wěn)定，吸水率小，成型前可不干燥,熱敏性強(qiáng)，極易分解，分解溫度為240°C,但200°C時(shí)滯留30min以上也發(fā)生分解,分解時(shí)產(chǎn)生有刺激性、腐蝕性氣體，料溫控制在稍高于熔點(diǎn)的180C[4]。為消除模具溫度對(duì)結(jié)晶及收縮的影響，模具溫度設(shè)定為90CoPOM溢邊值為0.04mm,宜用高壓、高速注射。塑料件可在較高溫度時(shí)脫模,冷卻時(shí)間可短。為防止收縮變形、應(yīng)力不勻,脫模后將塑料件置于90C左右的熱水中緩冷或用整形夾具冷卻。澆注系統(tǒng)對(duì)料流阻力小，澆口宜小,盡量避免料筒、噴嘴等產(chǎn)生死角、間隙而滯料。由圖1可知,塑料件中間為45,鋼嵌件。POM的線脹系數(shù)為8.1X10-5K-1,45,鋼的線脹系數(shù)為1.23X10-5K-1。兩者線脹系數(shù)比較接近,故材料選擇較合理。塑料件尺寸較小，故嵌件預(yù)留有定位孔定位。嵌件為圓形，屬對(duì)稱形狀無尖角銳角,利于均勻收縮和防止產(chǎn)生局部應(yīng)力。嵌件外表面開槽,便于嵌件與塑料咬合。注射成型前嵌件預(yù)熱至120°C[5]。3模具結(jié)構(gòu)分析由于塑料件為雙聯(lián)齒輪,所以模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于齒輪型腔的設(shè)計(jì)。該塑料件中間有金屬嵌件,且嵌件尺寸比較小，故需要安裝定位桿,避免嵌件在型腔中晃動(dòng)，以保證其形位精度。塑料件工作表面要求光滑，不允許有澆口痕跡，模具采用點(diǎn)澆口澆注形式。為防止塑料件發(fā)生變形，宜采用推管推出。為了模具安裝與維修方便，型芯的結(jié)構(gòu)形式宜采用組合式型芯結(jié)構(gòu)。模具總裝配圖如圖2所示。

312827523456789101112312827523456789101112— In11注塑機(jī)開模，分流道開設(shè)在定模座上,開模后在彈簧21的作用下,首先從I處分型,通過點(diǎn)澆口及拉料桿16的作用，將澆注系統(tǒng)從定模座板12中拉出，使它們附著在中間流道板9上,模具從II處分型，將點(diǎn)澆口拉斷,澆注系統(tǒng)凝料靠自重墜落;當(dāng)主流道凝料完全脫出定模板后，導(dǎo)柱6和限位釘11阻止中間流道板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)開模，為塑料件的脫模留出空間，嵌件從流道板9中的嵌件定位孔中拉出。最后注塑機(jī)推出系統(tǒng)動(dòng)作,動(dòng)模側(cè)的推管27將塑料件從凹模型腔上推出［16］。1—?jiǎng)幽Ｗ澹?、5、19、22—墊塊；3一墊板；4一推管固定板;6—導(dǎo)柱；7一支撐板；8—?jiǎng)幽０澹?—流道板；10—I型六角螺母；11—限位釘；12—定模座板；13—密封圈；14—型腔；15—定位桿;16—拉料桿；17—澆口套；18—復(fù)位桿；20、31—開槽圓柱頭螺釘;21—彈簧；23、25、26—內(nèi)六角圓柱頭螺釘；24—圓柱銷；27—推管;28—型芯；29—推桿；30—推桿固定板圖2模具裝配圖3.1模腔數(shù)量的確定由于塑料件的形狀簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕,且生產(chǎn)批量大，因此模具設(shè)計(jì)為三板式，采用1模4腔平衡布置。模具的尺寸緊湊，生產(chǎn)率高，塑料件質(zhì)量可靠，成本較低［肌3.2分型面的選擇該塑料件為雙連齒輪，外表質(zhì)量要求較高。在選擇分型面時(shí),根據(jù)分型面的選擇原則，考慮不影響塑料件外觀質(zhì)量、便于清除毛刺及飛邊、有利于排除模具型腔內(nèi)的氣體、分模后塑料件留在動(dòng)模一側(cè)以便于取出塑料件等因素,分型面應(yīng)選擇在塑料件外形輪廓的最大處，如圖3所示。圖3分型面位置圖如果采用B-B分型面分型,則塑料件分別在動(dòng)定模成型，可能產(chǎn)生合模誤差，會(huì)使塑料件產(chǎn)生一定的同軸度誤差，且飛邊不易清除。而若按A-A分型面分型,則塑料件整體由一個(gè)模板成型，消除了合模誤差導(dǎo)致塑料件產(chǎn)生同軸度誤差的可能性[7]另外，為了提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率，保證塑料件的表面質(zhì)量,采用點(diǎn)澆口澆注。而模具采用雙分型面結(jié)構(gòu)，一個(gè)分型面用于成型塑料件,另一個(gè)分型面用于取出澆注系統(tǒng)凝料。3.3成型零部件設(shè)計(jì)由于塑料件外形輪廓為齒輪，型腔不易加工，為了拆卸方便,將凹模設(shè)計(jì)為整體嵌入式,即凹模加工成帶臺(tái)階的鑲塊,從凹模定模板下部嵌入,用支承板螺釘將其固定。結(jié)構(gòu)如圖4所示。"9〃9圖4型腔結(jié)構(gòu)固定圖由于所成型塑料件尺寸較小，型芯單獨(dú)制造后，再嵌入模板中，用螺釘將支承板與型芯連接起來,材料為50,鋼，頭部鍍鉻，正火布氏硬度為183~235,表面粗糙度Ra=0.8pm。該制品中間有尺寸較小金屬嵌件，需要安裝定位桿，使嵌件保持在合適的位置避免晃動(dòng)，以保證其形位精度。由于該裝置頭部位于嵌件中，溫度較高，為便于散熱，材料定為鈹青銅砂型或熔模鑄造，調(diào)質(zhì)處理后布氏硬度達(dá)到70［8］其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。H8〃7■IT[5LJjF1\1Zy圖5定位桿固定結(jié)構(gòu)圖塑料件精度為MT5，假設(shè)塑料各方向收縮均勻，由塑料件的基本尺寸可得大齒輪型腔齒頂圓直徑、分度圓直徑、齒根圓直徑、齒厚和型腔模數(shù)分別為：33.37+0.160、32.64、30.98+0.160、0.7+0.050、0.51mm;小齒輪型腔齒頂圓直徑、分度圓直徑、齒根圓直徑、齒厚和型腔模數(shù)分別為：26.23+0.160、25.5、23.84+0.160、0.7+0.050、0.51mm。齒輪型腔所包容的空間是一個(gè)齒數(shù)不變、模數(shù)為Mm的假想齒輪，它的溝槽是型腔的齒形，齒形為型腔的溝槽。型腔深度分別為3.76+0.180、2.8+0.140mm。3.4澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)是指在模具中由注塑機(jī)噴嘴到模具型腔之間的進(jìn)料通道。為便于將凝料從主流道中拔出，將主流道設(shè)計(jì)成圓錐形，其斜度取4°，內(nèi)壁粗糙度Ra=0.8卩m，同時(shí)為了使熔料順利進(jìn)入分流道,在主流道出料端設(shè)計(jì)r=5mm的圓弧過渡,主流道澆口套與定位圈設(shè)計(jì)成整體形式,用螺釘固定于定模座板上。該塑料件體積較小,形狀較簡(jiǎn)單,壁厚均勻且塑料流動(dòng)性好，為減少熔接痕,可采用單點(diǎn)進(jìn)料的方式，分流道的截面形狀為U形［13］。為滿足塑料件外觀質(zhì)量要求，同時(shí)盡量使模具結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，并結(jié)合已確定的分型面位置選擇如圖6所示的點(diǎn)澆口進(jìn)料方式,澆口位置選擇在嵌件附近［14］。圖6點(diǎn)澆口結(jié)構(gòu)圖3.5模溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)塑料注射模溫度調(diào)節(jié)能力不僅影響塑料件質(zhì)量,而且決定著生產(chǎn)效率。冷卻水道應(yīng)避開塑料件易產(chǎn)生熔接痕處,冷卻水道離型腔表面的距離取15mm,冷卻水道直徑取10mm。由于POM模具溫度要求80~120°C,故需加熱裝置，其結(jié)構(gòu)型式與冷卻回路相同，將介質(zhì)改為熱水即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求［15］。4模具工作原理注塑機(jī)開模，分流道開設(shè)在定模座上,開模后在彈簧21的作用下,首先從I處分型，通過點(diǎn)澆口及拉料桿16的作用，將澆注系統(tǒng)從定模座板12中拉出，使它們附著在中間流道板9上,模具從II處分型，將點(diǎn)澆口拉斷,澆注系統(tǒng)凝料靠自重墜落;當(dāng)主流道凝料完全脫出定模板后，導(dǎo)柱6和限位釘11阻止中間流道板繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)開模，為塑料件的脫模留出空間，嵌件從流道板9中的嵌件定位孔中拉出。最后注塑機(jī)推出系統(tǒng)動(dòng)作，動(dòng)模側(cè)的推管27將塑料件從凹模型腔上推出［16］。5結(jié)論通過對(duì)塑料件精度和結(jié)構(gòu)的分析,優(yōu)化了雙聯(lián)圓柱齒輪的注射成型工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)。采用1模4腔成型，提高了生產(chǎn)效率。安裝了定位桿，使嵌件在合適的位置避免晃動(dòng)，以保證其形位精度。模具采用點(diǎn)澆口澆注系統(tǒng)形式保證塑料件表面質(zhì)量。塑料件外形呈圓筒形，采用推管推出，防止塑料件發(fā)生變形。型芯宜采用組合式型芯結(jié)構(gòu)，有利于模具的安裝與維修，達(dá)到了很好的效果。該模具可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)量。參考文獻(xiàn)(英)T.A奧斯瓦德,L特恩格,PJ.格爾曼??注射成型手冊(cè)?北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.36?37奚永生?精密注塑模具設(shè)計(jì)?北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1997.20?22李桂華，費(fèi)業(yè)泰?標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪熱變形時(shí)的非漸開線特性研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006.30?38陳文娟，馬建寧?精密小模數(shù)塑料齒輪注射模具型腔尺寸計(jì)算及成型工藝.中國(guó)塑料,2005,5(14):48?50李建心?精密塑料齒輪注射模具型腔設(shè)計(jì)及成型工藝.模具工業(yè),2007(7):30?31王成,方宗德?直齒圓柱齒輪精確的參數(shù)建模及有限元分析.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(2):10?13⑺周坤魯，劉建柱?提高塑料件尺寸精度的研究?工程塑料應(yīng)用,2003(1):23?24溫崇哲.熱工及熱應(yīng)力基礎(chǔ).北京)機(jī)械工業(yè)出版社,1982.55?59李黎明.Ansys8.0有限元分析實(shí)用教程?北京:清華大學(xué)出版社,2005.90?95[張朝暉.Ansys熱分析教程與實(shí)例解析?北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.44?45濮良貴?機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.66~78傅則紹.微分幾何與齒輪嚙合原理[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1999.86~99姚英姿?齒輪的精確建模及其接觸應(yīng)力有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2004(6)：16-17.李世國(guó).Pro/ENGINEERWildfire中文版范例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.321~329楊萍.ANSYS與Pro