一文精通塑胶齿轮的注塑生产技术

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精密塑胶齿轮

一、精密齿轮模概念及运用

1）精密齿轮指在参数尺寸及性能要求上非常高，参数包括齿顶圆外径、齿根圆外径、模数、分度圆直径（又称公法线）、分度圆齿厚、压力角、斜齿倾斜角度、齿圏跳动公差等方面；性能上包括材料的选用和其它装配尺寸上的精度要求。

2）在运用方面，有代表性的产品如打印机及复印机内部传动件，常见的有VCD光碟驱动支架，如果齿轮达不到精密要求，就会出现支架进出动作不稳定，伴有振动或摇摆式幌动，嗓音特大，通过这我们可以对精密的概念及其必要性有个感性上的认识。

3）精密齿轮在精度上是分等级，国标是级别越高越精密，日本标准是级别越小越精密。以JIS标准，大多数精密模具厂只能做到4级、5级齿轮，能做到3级塑胶齿轮已经是水平相当高。

二、精密塑胶齿轮种类：

1）从齿的轴向倾斜角度分：直齿轮、斜齿轮、组合直齿轮，组合斜齿轮和组合直斜齿轮。组合的概念就是直齿轮或斜齿轮在轴向上阶梯分布，一次注射成形。

2）从传动的方面主要有两种：啮合传动齿轮和皮带传动齿轮。

三、模胚的选用：

模胚的精度直接会影响模具的制造及注塑精度，也会影响模具的寿命。经验表明，通用的模胚精度一般很难达到精密齿轮模的要求。

四、塑胶原料的选用：

主要有两种：POM和PA（PA+GF%）。不排除其它原料，如：聚砜等。首选POM与PA原料的最根本的原因：POM、PA制品表面具有良好的自润滑性。

其它共同原因：耐磨性好、耐冲击好及抗疲劳；其次，POM制品刚性大，抗蠕变性优良；PA制品韧性好，必要时可填加GF%以增强其刚性。一般情况POM齿轮可以相互啮合传动使用，PA齿轮同POM齿轮啮合传动使用。

五、模具结构的设计相关要点：

齿轮模具与传统的模具设计不同，齿轮的齿厚（一个轮齿两侧齿廓间的弧长）、模数（用以度量轮齿规模的参数）、压力角（是指不计算摩擦力的情况下，受力方向和运动方向所夹的锐角）都需要结合经验数据修形，不能按收缩率直接加工，已经有一些专业的齿轮和齿轮减速箱制造公司根据塑胶齿轮模具这样的特点，凭借长期的经验积累和计算机软件厂家合作，开发了齿轮模具的型腔参数计算软件，可以直接生成齿轮参数及轮廓，用于齿轮修形、提高齿形精度。

1、塑胶齿轮模具的型腔设计

塑料齿轮模具的型腔设计一向被视为模具工业的一个技术难题。究其原因主要有两点：

首先是塑料收缩率难以精确化：在塑料齿轮模塑法加工过程中，塑料由颗粒状固体原料经高温转变为熔融的塑料熔体，再经冷却后成型固态塑料齿轮产品。这一过程中塑料的收缩率是一个范围值，难以精确地确定塑料的收缩率数值；

其次是模具型腔的非线性收缩计算：对于渐开线小模数塑料齿轮模具而言，模具型腔实际上是一个假想的齿轮。这个假想齿轮既不同于变位齿轮又不同于内齿轮。这个假想齿轮在收缩后就变成了我们想要的塑料齿轮。该假想齿轮在其渐开线齿形上的收缩不同于一般塑料件的各向等比例收缩。在齿轮平面上，x与y方向的收缩量不等，即为非线性收缩，如图所示。正是这种非线性收缩导致渐开线塑料齿轮模具型腔的设计难度大大增加。

塑料齿轮轮齿理论齿廓与模具型腔齿廓对比

面对这一技术难点，采用一般塑料件的各向等比例收缩方法设计模具型腔是难以收到良好的效果的。根据多年的实践检验，在精确估算塑料收缩率的基础上，我们推荐采用变模数法进行齿轮模具型腔的理论设计，然后通过齿形修正来保证模具型腔的精确合理。变模数法认为：齿轮在各加工过程中，基圆直径、分度圆直径、齿顶圆直径和齿根圆直径都一样，都是按照一定比例增大或减小的，与简单的套筒类零件的径向尺寸变化规律一致。对齿轮分度圆而言，由公式d=mz 可知，它只与模数m和齿数z有关。

对于一个具体的齿轮，由于它的齿数是一定的，因此在加工过程中，分度圆直径的变化可以认为是模数在变化。这一规律说明：塑料齿轮模具型腔所包容的空间是一个齿数与压力角不变的假想齿轮，它的沟槽为型腔的齿形。对这个假想齿轮的模数可以采用等比例方法的方法进行计算，其公式为：m’=(1+ η%)m。式中，m’ 为模具型腔齿形的模数；m为设计齿轮的理论模数；η%为塑料的收缩率。用模数 m’ 代入相应的齿轮计算公式得到的齿轮便是模具型腔的假想齿轮。实践证明，采用变模数法设计的齿轮模具型腔能够较好地解决渐开线齿形的非线性收缩难题，如图所示的模具型腔产品图。

齿轮模具型腔

2.塑胶齿轮模具的浇口设计

在模塑法加工塑料齿轮时，浇口位置对齿轮的精度具有显著的影响，特别是径向跳动；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，如图所示。

三点进胶示意图

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。

图 一点与三点进胶纤维流向对比示意图

3.塑胶齿轮模具的排气设计

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，齿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的现象，需要在齿面开排气槽以消除困气，一般齿面排气槽开设如图所示。

齿面排气

4 塑胶齿轮模具的结构设计

鉴于塑料齿轮注塑多采用点浇口形式，故而其模具结构多采用三板式结构，齿轮模具的工作原理如下：

当注塑动作完成后，动模部分在注塑机的带动下，开始分型：

第Ⅰ次分型：由于弹簧1作用，剥料板与A板开始分型，在水口钩针作用下，主流道被固定在剥料板上，进胶点拉断与产品分离；

第Ⅱ次分型：模具开模95mm后，在拉杆组的作用下，剥料板与面板开始分离，将主流道从浇口套脱离出来；

第Ⅲ次分型：模具继续开模，在拉杆组的作用下，A板与B板开始分型，开模至90mm后，顶针板开始运动，顶出产品，在顶出过程中需通过顶针板导柱加强顶出平衡。在弹簧2的作用下顶针板复位。一整套模具开模顶出动作完成。

塑料齿轮模具结构

六、模具制作要点：

1）齿形加工：直齿采用慢走丝精密加工，至少选用1修3刀，达到齿形表面较光的粗糙度；斜齿圈采用齿轮电极螺旋加工，制作斜齿电极的精度非常之高，某公司向西南某军工企业订制，更是把斜齿电极的高精度制作及检测搞的比较“神秘”。

2）分型面圆型管位块的加工要求A、B板同时慢走丝加工，才能确保同轴精确定位。

3）圆柱形模肉及镶件需用内外圆磨床加工，A、B板的模腔一定要求用坐标磨床加工。否则在圆柱度，直圆度，垂直度上及粗糙度上达不到要求。产品无法保证“精密”。

4）一般齿圈镶件，在齿形加工后，工件厚度不充许再用磨床加工，否则会导致齿面上横向毛刺，工件也就 废了。实在需要的情况下，只有采取EDM加工降面。

5）省模：齿形面及边缘是绝对不充许省模或抛光，相关粗糙度只有通过电加工一次加工达到。同时模具一般是啤的时间趆长，钢料齿面会更光滑。

七、试模阶段：

1）T1时，运水必须接上，齿轮模具与机壳模具不同，在设计结构上已决定了T1前就可以制作运水。如果不接运水，样办在尺寸上及局部热平衡上相差很远，直接影响塑胶材料的结晶度及后缩性，影响制品精度及尺寸稳定。

2）T1时，首先保证齿轮外径及厚度尺寸，因为这两尺寸一般是模具没得修或不修的。其次再是其他尺寸，只要保证前两者，并且在成型条件稳定情况下，其它尺寸可暂时接受，再通过修模，第二次完成。一般来说，齿外径保证的情况下，单个齿形的轮廓线就不会与理论上相差很大。

3）一旦制品有两端大小头或中部缩水，如果调机不能解决，请注意，这并不一定代表 样办就是NG。大多数情况下，只要齿轮嚙合情况是合格，客户一般都会接受。

八、齿轮样办检测：

测量齿外径，一般可以选用数显卡尺，但对齿数为3倍数和5倍数齿轮，则要用3勾千分尺，和5勾千分尺。齿形可以进行菲林投影轮廓线。但精密检测必须有专业的齿轮电子检测设备，将样办齿轮装上标准齿相互嚙合，再输入所需求齿轮相关参数，电脑自动将检测数据显示，包括齿轮的径向跳动等参数。

九、模具注塑及保养要点：

1）正常啤作生产时，不许喷脱模剂，否则产品不可接受；理由是脱模剂的润滑影响齿的啮合及啮合测量；并且藏在齿面中不易擦去，也不干净；易粘上灰尘，影响齿轮的精度。

2）模温及炮筒温度是保证连续啤塑尺寸稳定的关键。

3）只要是落模，或停机1小时以上不落模，模具一定要喷防锈剂；落模前要检查是否喷过防锈剂。齿圈镶件一但齿面严重生锈，基本上是没有修的余地，因为是精密模。

4）如果密封胶圈漏水在齿面上，正常情况，不能用布擦。较好的方法是用过滤的气吹净，再用火枪烘干，再喷防锈剂后落模。

5）由于POM与PA料制品刚性及韧性较好，因此产品包装上，同种微小齿轮可以用同 PE袋适量装在一起，形状稍大些的齿轮可以轴向排齐装入胶袋包好，不用但心产品受损，但每箱每层必须加隔纸板。

十，塑料齿轮注塑生产，应该注意哪些缺陷

塑料齿轮的材料，一般都选择的是性能比较均衡的材料，如POM，PA66，PEEK等，一般塑料齿轮的选材要如下性能优异的材料：

（1）强度比较高的材料 （除消音齿轮外）

（2）耐磨性较好的材料

（3）耐冲击强度比较好的材料

（4）耐疲劳性比较好的材料

（5）尺寸稳定性较优良

而在注塑的过程中，材料会因为注塑过程而造成材料性能略有降低，尤其是发生了如下情况：

（1） 玻纤/碳纤增强材料做成的齿轮，有明显的熔接线时；

（2） 材料发生严重降解时；

（3） 模具温度低于Tg点时；

（4） 齿轮未填充完全，有缩孔时；

（5） 玻纤/碳纤增强材料做成的齿轮，加入过多回料时；

（6） 混入与当前材料特性不同的材料时（清洗螺杆后残留）

（7） 产品有冷料时；

（8） 原材料水分含量过高时；

这些都可能会导致强度发生50%以上的性能变化。

如何看一个齿轮是否为合格的齿轮：

（1) 看外观

一般比较好的产品，外观都比较光滑，没有明显的熔接痕，没有明显的缩水的情况。

（2）看工艺参数表

2.1 模具实际温度（非设定温度）是否满足工艺指导书要求？

2.2 熔融温度是否为较佳状态？

2.3 残留料量是否合理？

2.4 注射时间/保压时间是否合理？

2.5 停留时间是否在工艺指导书范围内？

（3） 看尺寸 告

尺寸 告，特别是齿顶圆，齿根圆，公法线等，是否满足图纸要求？

（4）看精度测试 告

看是否满足精度要求。

（5）齿轮切开看缺陷（气孔），看玻纤排布（如有）

（6）齿轮静态扭矩测试。

在1，2 不满足的情况下，不可以安排性能测试，因为这严重影响了强度，测试意义不大。3，4只要超差不明显且5，6合格的情况下，是可以先接收然后实测噪音要求的。

带金属螺杆塑料斜齿轮

近年来在汽车行业高速发展的带动下，采用钢蜗杆与塑料斜齿轮（或塑料蜗轮）啮合的交错轴传动轮系已经在汽车摇窗、雨刮电机和电动座椅调整系统中得到广泛应用。这类轻载交错轴传动轮系与传统的钢蜗杆-钢蜗轮组合比较，具有质量轻、噪音小、制造成本低和减震特性好等优点。此外钢蜗杆与塑料斜齿轮组合对润滑条件要求不高且电绝缘性能良好。图1所示的斜齿轮螺杆组件在车用驱动器上得到应用。

图1 带金属螺杆嵌件塑料斜齿轮

1带金属螺杆嵌件塑料斜齿轮工艺分析