锥齿轮注塑模结构设计及成型数值模拟

高 飞，孙一鹏，殷元达，贺 兵，王 浩，林 权*

（1.武夷学院 海峡成功学院，福建 武夷山 354300；2.哈尔滨北方防务装备股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000；3.武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）

塑料齿轮具有传动噪声低、能够吸振、自润滑、模具加工生产效率高等优点[1-3]，在当今电子电气设备产品中，注塑齿轮的应用越来越广泛。注塑模是生产塑料齿轮不可或缺的工艺装备，传统注塑齿轮模具设计大多依靠模具设计师的经验，常因注塑成型缺陷或模具结构不适，导致塑料齿轮成型质量不高，增加修模工序，使得产品设计制造周期长[4-7]。本课题以传动锥齿轮为例，提出基于模流分析技术，探讨点浇口双分型注塑模结构设计。

1 锥齿轮结构工艺

锥齿轮零件图如图1 所示，该塑件结构简单，壁厚不均匀，成型要求内部结构完整，不发生缺料，整体要求没有毛刺、飞边、凹陷等缺陷，表面有光泽度要求，尺寸精度不高，未注尺寸公差为MT5 级，批量生产，选用材料为通用工程塑料之一的聚碳酸酯，牌号为LEXAN-3413，塑件的体积为1.52 cm3，密度为1.20 g/cm3，单个塑件质量为1.82 g，收缩率为0.6%，分型面选择在塑件最大轮廓处。

图1 锥齿轮零件（单位：mm）

2 注塑成型方案设计

为了满足实际的生产需要，以及经济性、效益性最大化，塑件采用一模四腔点浇口进料成型方案设计，如图2 所示。图2 中主流道采用小端直径为3 mm，大端直径为5.5 mm，高度为70 mm，采用二级分流道设计方式，一级分流道长度为82 mm，分流道为圆柱式，直径为6 mm，二级分流道长度为42.5 mm，分流道为圆锥式，始端直径为5 mm，末端为3.5 mm，浇口采用圆锥式点浇口，始端为3.5 mm，末端为1mm，锥度为2°。注塑成型采用的注塑机型号为HTF80XB，成型参数选用材料数据库推荐工艺参数，由于本塑件结构简单，故采用分型面排气方式设计排气结构。

图2 注塑成型方案

3 冷却系统设计

冷却系统设计目的是为了更快更好更均匀地进行产品冷却定型，并减少成型周期，通过应用MoldFlow模流分析中的成型窗口模块，获知该塑件注射周期为2～5 s，冷却周期可设计为5 s，保压时间可以设计为15 s，模具开合模时间可设计为5 s，因此一个注塑成型周期最多为50 s，因此1 h 内注塑成型次数为72次，由此计算每个小时内，模具总的注塑质量W，根据下列公式校核：

式中，W 表示单位时间内模具成型总的质量，kg/h；M表示一次注塑成型塑件质量，kg；n 表示每小时的注塑次数，得到：

进一步计算周期范围内的释放热量，根据下列公式，得到：

式中，Q 表示单位时间内的释放热量，kJ/h；W 表示单位时间内模具成型总的质量，kg/h；Q1表示塑件在固化时候释放的热量，取350 kJ/kg。

按照注塑车间室温条件，采用水冷方式作业降低模温，模具进水口温度约20℃，经过模具一个循环周期后出水口温度约为25℃，水流速度为湍流状态，进出水口温度误差为5℃左右，在一个单位时间内，熔融状态下凝料固化成型时产生的热量等于冷却系统水管带走的热量，水的体积流量计算如下：

式中，qv表示冷却水的体积流量，m3/min；Q 表示单位时间内的释放热量，581 kJ/h；ρ 表示冷却水的密度，取1×103kg/m3；c1表示冷却水的比热容，取4.187 kJ/（kg·℃）；q1表示冷却水的出水口温度，取25℃；q2表示冷却水的进水口温度，取20℃，最后得到水的体积流量qv=0.03 m3，冷却水道直径取φ=8 mm，具体冷却系统设计如图3所示。

图3 冷却系统设计三维图

4 注塑成型模流分析

4.1 注塑位置压力和锁模力

注塑过程中需要关注注塑机压力曲线峰值，压力不能超过注塑机的最大注塑压力的80%的安全数值，图4 和图5 分别为注塑位置处压力曲线和锁模力曲线，通过分析XY 压力图，可知压力峰值为36 Mpa，在注塑成型机允许的范围内，符合要求。通过分析XY 锁模力图，可知锁模力峰值为8 tonne，同样在注塑机允许的范围内，符合成型需求。

图4 注塑位置处压力

图5 锁模力

4.2 型腔压力

除了关注注塑位置处压力和锁模力XY 变化外，还需注意分析和判断塑件成型型腔的压力动态变化。在一个周期范围内塑件成型压力应尽可能均匀地施加在模具型腔内部。塑件成型时间-压力如图6 所示，根据锥齿轮塑件成型时间和压力分布模流分析结果可知，该塑件的压力分布均匀变化，不易造成各型腔的压力不均。

图6 塑件成型时间-压力云图

4.3 充填时间

充填时间是模流分析中最重要的参数之一，充填时间直接影响到整个注塑成型周期，在一个充填时间范围内，塑件相同结构特征处，应该尽可能在统一的时间段充填，锥齿轮塑件充填时间分布云图如图7 所示，从图7 中可以获知该产品充填时间为3.57 s，且各型腔充填时间平衡。

图7 充填时间云图

4.4 气穴

塑料熔体通过浇口进入型腔，流经每个型腔需要排出模具型腔内的空气，在这过程中容易在塑件的熔料交叉区域留下气穴，塑件成型气穴分布如图8 所示，气穴分布特性与塑件自身结构以及模具结构相关，应尽量使气穴分布于充填末端或模具分型面位置，有利于空气从充填末端及时排出。从图8 可获知，锥齿轮塑件的气穴大多数位于充填末端，或者位于锥齿轮大端分型面处，气穴不会对注塑成型质量造成影响。

图8 气穴分布三维图

4.5 零件温度

塑件在脱模前需要冷却至玻璃态温度以下，保证一定的刚性，有利于推出机构对塑件进行推出完成脱模。锥齿轮塑件冷却后零件温度分布如图9 所示，从图9 中可以获知，经历一成型周期后达到稳定状态后，塑件的整体温度都低于70℃，成型流道温度普遍低于70℃，符合塑件推出温度，温度位于安全范围之内，可以保证塑件产品在推出时候的刚性，而不发生变形。

图9 零件温度分布云图

4.6 翘曲变形

翘曲变形量注塑成型质量重要考量指标之一，锥齿轮注塑件翘曲变形量分布云图如图10 所示，结果显示零件不断朝质心收缩，最大翘曲变形量不足1 mm，各型腔变形量比较均匀，塑件变形量小，稳定性高，有助于提高塑件成型质量，适合实际的注塑生产。

图10 翘曲变形分布云图

5 模具主要结构设计

5.1 成型结构设计

型腔主要是成型产品外表面，型腔的设计直接决定了产品的表面质量，模具型腔设计主要有整体式和镶嵌式，镶嵌式便于加工和装拆，材料选择工艺范围宽，锥齿轮塑件选用镶嵌式的型腔结构设计，如图11所示。

图11 模具型腔结构

型芯是成型产品内表面，以及存在产品包紧力最大的区域，因此型芯设计需要考虑脱模问题。型芯设计方式也有整体式和组合镶嵌式。锥齿轮塑件采用组合镶嵌式，镶件安装于主型芯上，有利于模具加工和零件选材，节省成本，同时也保证了维修和拆装方便，具体型芯结构设计，如图12 所示。

图12 模具型芯结构

5.2 顶出机构设计

产品成型冷却后通常收缩包紧在型芯上，此时需要设计顶出系统使产品脱模。常用的顶出机构有两种类型：第一，顶杆、推管、斜顶顶出系统，对于塑件内壁没有太大要求，但一般产品通过顶杆顶出则会在顶出的地方留下痕迹；第二，采用推板推出，没有设计顶杆，推板沿着产品最大轮廓截面处推出，常用于对内壁有较高要求的产品，其优点在于成型时间短、脱模顺畅，缺点就是成本稍贵和结构相对复杂。

6 模具结构总图及工作原理

锥齿轮注塑模总装图如图13 所示，该模具通过定位环16 定位，利用压板和螺丝固定顶板15 和底板1装载于注塑机。注塑成型周期开始时，塑料原料通过料斗进入料筒蜗杆，经过加热塑化成为熔融的胶料，胶料通过浇口衬套18 主流道，再经由分流道和浇口，进入模具型腔内。经过充填、保压、冷却成型，模具在脱料板14 和定模板13 之间第一次打开，打开的距离由通用小拉杆8 控制距离，该距离大于浇注系统的总高度，完成第一次分型。模具第二次分型打开，在顶板15 和脱料板14 之间，分型高度约10 mm，该距离由通用小拉杆8 顶部螺钉间距控制，此次开模将浇注系统和拉料杆17 实现分离，分离后机械手或人工取出浇注系统废料。开模距离满足塑件脱模和取件要求后停止运动。注塑机的顶棍通过顶棍孔顶向推杆板3、推杆固定板4、推管7，同步继续往上运动、顶出塑件，完成脱模。注塑机顶棍退回，顶出系统在复位杆27 和弹簧26 的作用下，完成复位。模具合模，准备下一次注塑周期。装配技术要求对各分型面进行研修，应使垂直分型面接触吻合，水平分型面稍留有间隙，间隙在0.01～0.02 mm 之间；模具所有活动部位应保证位置准确，动作可靠，不得有歪斜和卡滞现象，要求固定的零件不得相对窜动；装配后需要进行试模验收，脱模机构不得有干涉现象。

图13 锥齿轮注塑模具装配总图

7 结束语

运用MoldFlow 模流分析软件，对锥齿轮注塑件进行注塑成型数值模拟，首先进行了一模四腔的型腔布局设计，继而创建了点浇口浇注系统和直流循环冷却系统，然后通过充填、保压、冷却、翘曲分析，获知了产品注塑位置处压力峰值为36 MPa，锁模力峰值为8 tonne，充填时间为3.57 s，锥齿轮塑件的气穴大多数位于充填末端，或者位于锥齿轮大端分型面处，不会对注塑成型质量造成影响，最大翘曲变形量不足1 mm 等成型特性，符合产品生产成型技术要求。最后基于模流分析结果，进行模具结构设计，采用了螺钉拉杆定距的双分型小浇口注塑模具结构设计方式，通过生产实践证明，该模具结构可靠，产品合格。