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1、塑料齿轮 模具设计制造技术作者：马瑞伍 深圳市海翔铭实业有限公司 2008.05塑料齿轮模具设计制造技术内容提要内容提要1.认识塑齿 塑齿与金齿异同 塑齿发展历史及现状 2.塑齿制造方法模塑法 3.齿轮模具设计 模具分类 模具结构设计 4.齿轮模具制造 模具加工 模具组装 试模检验塑料齿轮模具设计制造技术1.认识塑齿认识塑齿 1.1塑齿与金齿异同塑齿与金齿异同 （1）材质?塑齿：工程塑料，如POM、PA6/PA66/PA46、PPA、PC、ABS、LCP、 PPS、PEEK等。?金齿：金属，如钢、铜、铝及各种金属合金材料等。 （2）设计?塑齿：对刀具依赖性小，基本参数选择自由灵活。?金齿：受刀
2、具限制，基本参数多选择标准参数。 （3）制造?塑齿：一般采用模塑法，也可采用机加工法，但不推荐。?金齿：主要采用滚/插/磨等机加工法，也可采用压铸/粉末烧结等 成型法。 （4）精度?塑齿：没有标准，参考金齿标准检测，一般为GB8级以下。?金齿：有成熟的精度标准，精度可达GB4级或更高。塑料齿轮模具设计制造技术图 1塑齿产品注：直齿轮 斜齿轮 内齿 齿条 双斜齿 椭圆齿轮 不完整齿 局部齿 蜗轮 蜗杆。塑料齿轮模具设计制造技术1.认识塑齿认识塑齿 1.2塑齿发展历史及现状塑齿发展历史及现状 （1）塑齿发展历史 人类应用齿轮传动的历史可远追至公元前400200年以 前，但是金齿一直都是人们研究和应
3、用的重点。在二战时期， 采用工程塑料棒材滚切加工而成的塑料齿轮已经问世。20世纪 五十年代，随着工程塑料及模具技术的发展，采用模塑法加工 塑齿成为工业生产的重要途径。 （2）塑齿行业现状 目前，国内塑齿行业已经得到极大的发展，据不完全统 计，国内江浙一带的塑齿加工企业高达数百家，而珠三角地区 的塑齿企业也已达上百家。 但与金齿行业相比，国内塑齿行业远未实现标准化及规范 化，其开发能力及制造水平与世界发达工业国家还存在一定的 差距。因此，加快国内塑齿行业的标准化，提高国内塑齿开发 制造能力已经成为一项亟待解决的重要课题。塑料齿轮模具设计制造技术2.塑齿制造方法2.塑齿制造方法模塑法模塑法 塑齿设
4、计制造流程主要包括六大步骤： （1）齿轮齿形参数与结构设计；（2） 工程塑料选用；（3）齿轮模具设计； （4）齿轮模具制造；（5）齿轮注塑生 产；（6）齿轮品质检控。 模塑法是指以工程塑料为原材料， 以模具为成型工具，以注塑机为成型设 备，通过注塑成型工艺成型齿轮产品的 制造方法。 模塑法不仅大幅提高了齿轮的生产 效率，而且有别于齿轮的传统机械加工 方法，降低了对齿轮刀具的依赖性，拓 展了齿轮设计的自由空间，还极大的促 进了齿轮技术与模具技术的交叉与融合。图 2塑齿设计制造流程开始工程塑料选用齿轮齿形参数与结构设计齿轮注塑生产齿轮品质检控结束齿轮模具设计齿轮模具制造及验证塑料齿轮模具设计制造技
5、术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.1齿轮模具分类齿轮模具分类 根据齿轮形式及模具脱模结构的差异，可将常用的塑齿模具 分为四类： (1)直齿类模具：结构最简单的塑齿模。其顶出机构非常简单， 塑件可直接采用顶针或推管等顶出脱模。 (2)斜齿类模具：由于斜齿轮轮齿呈螺旋线状，因此在产品顶出 时必须采用螺旋顶出方式。 (3)蜗杆类模具：蜗杆可以看做是一个齿数等于头数的大螺旋角 的斜齿轮，因此在蜗杆模具出模时必须采用螺旋旋出装置。 (4)蜗轮类模具：由于蜗轮喉圆的存在，导致模具结构非常复杂。 这也是塑齿轮系中常用斜齿轮代替蜗轮来与蜗杆啮合实现交错 轴传动的重要原因。对于蜗轮类模具，当蜗轮齿宽角比较小时
6、 可以采用斜齿轮类模具结构直接旋出；当蜗轮齿宽角较大时， 必须采用滑块结构实现出模，即采用多个滑块包住蜗轮，每个 滑块成型13个齿。采用滑块结构的注塑模具制造塑料蜗轮难度 较大，产品精度较低。塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.2齿轮模具设计齿轮模具设计 齿轮模具结构主要分为型腔、浇注、冷却、排气和脱模机 构五大部分。对塑料齿轮模具而言，型腔与脱模机构是整个模 具设计的难点和关键。 3.2.1型腔设计型腔设计齿轮模具的型腔设计主要是指齿圈设计。齿圈是成型塑齿齿形的 关键成型零件，是整个齿轮模的核心，也是齿轮模设计难度最大的一 环。齿圈设计主要包括三个主要步骤：一是齿形设计
7、，二是放缩调 整，三是放电间隙的调整。 3.2.1.1齿形设计 （1）直齿及小螺旋角的斜齿轮（6）：采用慢走丝加工齿圈， 必须精确绘制齿形，我公司采用KingTouch公司开发的专业渐开线齿 廓绘制软件“渐开线齿廓”绘制齿形，该软件还可以灵活控制齿厚 增减，对塑齿齿形收缩控制特别有利。塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 （2）大螺旋角斜齿轮：齿圈采用电极放电加工，而电极加工多采用 精密滚齿机滚切加工。这时齿形的精度依靠滚刀与滚齿机来保证，因 此无需绘制。 （3）蜗杆及蜗轮：蜗杆与蜗轮的齿圈与斜齿轮加工方式相同，多采 用电火花放电成型加工齿圈。对于ZA齿形的蜗杆电极，可采用专用
8、车 刀在车床上车成；而ZI齿形蜗杆电极则多采用蜗杆磨床或螺纹磨磨削 加工。对于蜗轮电极要求采用专用蜗轮滚刀，在滚齿机上滚切加工来 完成。 3.2.1.2 齿轮放缩 在通过试验获得塑料收缩率数值的基础上采用“变模数法”解决。计 算公式为：式中：m放缩后齿形的模数；m设计齿轮的理论模数；塑料的 收缩率。塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 通过上式我们可以看出：放缩后的齿形是一个非标齿轮的齿 形。这在美国标准“ANSI/AGMA 1106-A97 塑料齿轮齿形尺寸”一文 中表述的更加明确：采取模塑方法制造齿轮，所受到的实际限制 与采用齿轮切削方法来制造有所不同。每个模具都具有固有的
9、“非 标准”属性。模腔（阴模）由于收缩允许误差是变动的，其几何尺 寸不可能遵循一个标准。再者，有几种制造阴模的方法与切削刀 具无关，即便二者有关联，一般也需要采用专用刀具。因此，模 塑塑料齿轮齿形尺寸无需遵循适用机加工成形齿轮的惯用规范。模具型腔齿廓轮齿理论齿廓yx图 3塑齿理论齿廓与模具型腔齿廓图 4齿轮模具型腔塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计3.2.1.3放电间隙放缩后的齿轮是齿圈放电加工的重要依据。对于直齿轮而言，放缩 后的齿形可以直接应于线割加工，如图 5所示。【注：对少齿数齿顶宽 度较窄的模拟甚为紧要。】对于斜齿轮及蜗杆等齿轮，在设计电极时， 必须根据机床的特性和
10、加工工序确定放电间隙，这时需要将放缩后的齿 形等比例缩小以留出放电间隙，如图 6所示的塑齿电极。图 5直齿轮齿圈线丝拟合轨迹图 6塑齿电极塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.2.2 浇口设计浇口设计 浇口位置对齿轮的精度具有显著的影响，特别是径向跳动精 度；而浇口的分布形式则对塑料齿轮的整体力学性能有重要影响。 在塑料齿轮模具浇口设计时，若齿轮产品允许，推荐采用三 点进胶方式设计浇口，且三点最好处于同一圆弧线上并均匀分 布，如图 7所示。采用三点平衡进胶时，塑料熔体从浇口呈辐射 状向四周流动，在流动前沿汇合处会形成三条熔接线。在熔接线 位置，纤维的取向倾向流动前沿平行。在
11、齿轮中，这会导致纤维 在熔接线处呈径向分布，而齿轮其余部位随机分布。这会沿熔接 线形成低收缩区域。熔接线与齿轮其余部位之间纤维取向的差异 比单一浇口齿轮要小，从而齿轮精度也更高。图 8所示是分别采 用单点偏心浇口与三点均匀分布浇口时纤维定向和填充模式的示 意图。塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计图 7三点与一点进胶示意图图 8一点与三点进胶纤维流向对比示意图塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.2.3 排气系统设计排气系统设计 排气是塑料模具设计必 须要考虑的一个问题。对塑 料齿轮模具而言，分型面排 气设计是不能忽视的一点。 由于齿轮模具大部分平面均 为磨
12、床加工，面与面之间贴 合较好，进胶时容易在最末 填充处出现填充不足现象， 需要在分型面开排气槽以消 除困气，一般分型面排气槽 开设如图 9所示。排气孔abc此面（ 0.02）具体 根据塑胶的溢边值根据塑胶的溢边值此面（ 0.02）具体此面( 0.2)0面图 9分型面排气塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.2.4 冷却系统设计冷却系统设计齿轮模具的冷却系统主要是指冷却回路的设计及布置。一般情况 下，尽量多设置冷却水孔的数量，孔径尽可能大一些。冷却回路的布置 方式常用的有四种：模胚冷却回路（图10）、内模冷却回路（图11） 、 镶件与司筒针冷却回路（图12）和齿座冷却回路。图
13、 10模胚冷却回路图 11内模冷却回路塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计图 12镶件或司筒针冷却回路塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计 3.2.5 脱模机构设计脱模机构设计 （1）直齿类顶出方式：a.顶针顶出；b.司筒顶出；c. 推板顶出。 （2）斜齿类旋出方式： a. 角接触球轴承旋出方式：当选择角接触球轴承时，应保证 内圈与外圈同轴度在0.005mm以内，同时为保证齿圈与齿圈座的 同轴度，应使轴承的内孔、外圈分别与齿圈及模胚有少量的过盈 配合。角接触球轴承摩擦力小，但散热性不好，适用于外径较小 的斜齿轮(如图 14所示)。 b.锡青铜轴承套加端面轴承旋出
14、方式：对于外径较大的斜齿 轮，其旋出方式常用铜套加端面轴承的旋出方式（如图 15）。由 于铜套与齿圈为滑动摩擦，所以摩擦力较大。铜套与模胚为过盈 配合，为减小摩擦力，可在铜套内加油槽。铜套散热性较好且耐 磨，加工能保证较高的精度。塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计角接触球轴承+0.01 +0.005-0.005 -0.001端面轴承铜套图14角接触球轴承的旋出方式图15铜套加端面轴承旋出方式塑料齿轮模具设计制造技术3.齿轮模具设计齿轮模具设计c.滚针轴承加端面轴承旋出方式:该旋出方式摩擦力较小，可以承受 较大的径向和轴向载荷，但散热性不佳，主要应用于较大斜齿轮。如图 16所示
15、。端面轴承滚针轴承图 16滚针轴承加端面轴承旋出方式塑料齿轮模具设计制造技术4 .齿轮模具制造齿轮模具制造齿轮模具制造是将模具设计的 概念转变为实物的后续工作。其制 造精度将直接关系到塑料齿轮产品 的尺寸精度。根据模具结构可以分 为两个部分：模仁和模架。在整个 齿轮模具中，齿圈是成型塑齿齿形 的关键部件，因此其加工要求最严 格，也是精度最高的部分，是整个 齿轮模具加工的重中之重。齿轮模 具的加工流程如图 17所示。铣床加工其它模板坐标磨磨齿圈 镶位A、B板CNC粗 加工模胚设计图QC铣床钻孔，留后加 工余量QCNoYesNoYes热处理数控车床粗加工， 留热处理余量数控车床加工，留 外圆加工余
16、量QCQC磨床加工外圆QC慢走丝加工齿圈QC磨床加工，校正齿 圈QC热处理QC装配齿圈加工图YesNoYesYesYesYesYesYesNoNoNoNoNoNo齿轮模具设计图试模图 17直齿轮模具加工流程图塑料齿轮模具设计制造技术4 .齿轮模具制造齿轮模具制造 4.1模仁加工模仁加工 模仁加工是整个塑料齿轮模具制造的关键。由于模塑法加工 塑料齿轮是一种“仿形”加工方式，即型腔的齿廓是齿形的“变形母 板”。因此，对型腔制作的尺寸误差和表面粗糙度必须严格控制， 不得有毛刺、偏心、表面划伤等不良缺陷。为此，必须制定严格 的齿轮型腔加工工艺以保证型腔制作的精度。 齿轮型腔的加工方法主要有四种：线切割法、电火花加工法、 电沉积法和铍铜合金铸造法。这四种方法在加工齿轮型腔时各有 优劣。对于渐开线直齿圆柱齿轮通常采用线切割法，而对斜齿轮 则一般采用电火花加工。另外，对采用电火花加工齿轮型腔用的 电极一般也可以采用线切割方法加工，对于替代蜗轮与蜗杆相啮 合的螺旋角较小(66)的斜齿轮电极仍可以采用线切割加工。 对于大螺旋角的斜齿轮或者蜗
