基于凸轮定位机构的螺纹模具顶出装置设计*

李回庭，赵桂花

(东莞市机电工程学校， 广东 东莞 523846)

0 引言

模具设计工程师经常会遇到一些带螺纹特征的产品，对于这类模具的设计，需要运用一些复杂的机械原理。通常设计的机构，比如滑块、斜顶机构，都是做直线运动，模具结构相对简单。但是有弯管、螺纹特征的产品，都会做旋转或旋转加直线运动，模具结构复杂，制造维护成本较高[1]。本文作者经过长期的实践，摸索出一套螺纹模具，巧用凸轮、滑块定位机构实现精确脱模，能简化模具结构，提高生产精度及模具稳定性，降低产品报废率，节省成本，从而提高生产效率，提升企业竞争力及经济效益。

1 产品要求及工艺性分析

现有某公司产品： 保温杯杯盖,材料为食用聚丙烯(polypropylene, PP)。要求一模四腔，有较高的耐冲击性，机械性质强韧[2]，3D外观和剖面图分别如图1和图2所示。

图1 保温杯盖外观图

图2 保温杯盖剖面图

从产品外形及结构上分析： 外形有两处滑块倒扣，后模有一圈牙需要自动脱螺纹。

因为产品本身结构的原因，牙的起始位置对每一次生产出来的螺纹都要在同一位置，以保证杯盖扭紧后与杯身手柄对齐。

因日用品市场需求很大，模具使用寿命要求在10年以上。所以模具设计针对螺纹制品牙的起始位置，要求相同的结构有牙套退牙机构(见图3)。但是牙套与螺纹轴摩擦容易磨损，导致产品废品率高，生产约5万次就需要下机修模，更换牙套，这样既影响生产效率，又浪费成本。本套模具，客户要求不使用牙套退牙，而要利用产品本身的液压马达推板边顶边退牙，自动生产[3]。这样生产稳定，不用经常从注塑机卸模、修模，保证了生产进度，节省了因模具维修消耗的时间和材料。但是液压马达推板退牙结构是液压马达驱动的，不能保证马达每次都转同样的圈数，每一次不一样的角度使产品的起始牙都不在同一位置，产品容易报废。因此需要增加定位机构来解决这一问题。如果螺纹轴定位都旋转整数圈，则有很多方案可以参考，但很多模具脱模圈数不是整数圈，这给设计带来一定难度。下面对螺纹起始牙定位方案进行分析比较。

图3 牙套退牙结构

2 螺纹起始牙定位方案

1) 齿条的往复直线运动就可以实现起始牙定位[4]。但是如果产品牙的圈数太多，则齿条油缸太长，模具与齿条不成比例，模具整体不美观，同时也需要增加很多加速轮组来减短齿条行程，这样模具非常复杂，也很容易断齿。即便这样,齿条油缸还是很长，所以这种结构并不理想。

2) 步进电机也可以准确控制旋转角度，但步进电机扭矩太小，成本相对较高[5]。

3) 用液压马达驱动凸轮滑块定位机构定位，也就是可以不计圈数地正转，但反转最多只能转一圈就会停止。

以上3种定位方法都能解决往复直线运动产品的定位，但是对于有弯管、螺纹特征的产品，需要旋转或旋转加直线运动来实现定位脱模，这3种方法显然无法实现顺利脱模[6]。但如果设计成凸轮滑块机构，就可以很好解决螺纹模具脱模不是整数圈问题。凸轮滑块定位原理： 齿轮向模具需要的方向旋转，渐开线慢慢压缩滑块弹簧使滑块直线运动，从而实现无障碍旋转。当反转时最多一圈就会被滑块挡住，保证每次都在同一位置，为了防止齿轮损坏滑块，要求生产时，注塑机参数设定马达反转时压力不要太大、时间不能太长，以免长时间生产损坏滑块。现巧用凸轮定位机构进行螺纹模具设计，包含凸轮结合滑块定位机构设计，液压马达驱动、凸轮、滑块定位结构设计，液压马达推板脱牙机构设计，定位凸轮设计注意事项4个部分。

3 凸轮结合滑块定位机构设计

凸轮结合滑块定位机构设计如图4所示，机构处于自由状态，由齿轮、渐开线凸轮、滑块组件、弹簧组成。将凸轮与渐开线齿轮叠加安装，安装要求同轴度小于0.06 mm，齿轮逆时针转动，凸轮转动，驱动顶杆向右移动，滑块压缩弹簧带动模具实现脱模，利用凸轮定位机构可以精确地控制脱模速度和长度，可以解决螺纹脱模不是整数圈问题。

图4 凸轮、滑块定位机构

4 液压马达驱动、凸轮、滑块定位结构设计

液压马达驱动，凸轮、滑块定位结构如图5所示，一模四腔，主动轮通过液压马达驱动，驱动两个惰轮，保持方向与主动轮一致。然后驱动滑块结构、凸轮机构运动。

图5 液压马达驱动，凸轮、滑块定位结构

5 液压马达推板脱牙机构设计

液压马达推板脱牙机构设计结构如图6所示，具体设计零件组成及标注如图7所示。

图6 液压马达推板脱牙结构图

由图7可知： 推板脱牙机构由滑块1、滑块2、后模、限位螺丝、推板、弹簧、圆锥滚子轴承、齿轮、螺纹轴、后模镶件组成。

图7 液压马达推板牙机构设计

液压马达推板脱牙结构动作原理为： 开模后，滑块侧向打开，液压马达转动带动齿轮螺纹轴原地旋转，产品在牙及推板(弹簧)的作用下只能向上移动，慢慢与螺纹轴及后模分离，直到全部牙脱离螺纹轴限螺位，螺丝限位，使推板不能向上弹，机械手取产品完成整个动作。要求弹簧力度大小要合适，力度大了会破坏产品牙型形状；小了弹不动推板，因此要设计成可调节长度的弹簧，并且可以根据弹簧力的大小，由小到大调试模具。

6 定位凸轮设计注意事项

1) 定位凸轮无论模具出多少腔，都只需要一个定位，因为螺纹轴上的齿轮都是同步的，可以保证脱模方向和脱模速度一致。

2) 定位凸轮最好放在螺纹轴齿轮上，这样就不用考虑传动比问题[7]。如果定位凸轮只能放在中间惰轮或主动轮上，则要把惰轮的齿数设计成跟螺纹轴上的齿轮齿数一样，以保证传动比(1∶1)，惰轮与螺纹轴上的齿轮才能同步。定位凸轮放在螺纹轴齿轮也是本设计的独特之处。

7 凸轮定位机构在螺纹模具设计的试模效果

使用本设计和传统设计，分别注塑加工50件零件，试模效果如表1所示。

表1 本设计与传统设计试模效果比较

8 结论

采用液压马达推板自动退牙加上凸轮滑块定位机构，简化了模具结构，提高了生产稳定性，从而降低了生产成本。本设计操作简便，降低了废品率，为其他类似螺纹产品模具设计提供了参考。