星空体育股份有限公司-精密模具制造专家|starskysports官方网站
摘要：塑料斜齿轮运行平稳且可在无润滑条件下运行，噪声低、抗腐蚀成本低。与金属斜齿轮相比较，具有惯性小、动载荷轻、接触均匀、啮合冲击小和传动平稳等特点，它不仅用于小扭矩精密机械的传动中，还广泛用于电子和日用家电中。因此，在一些重要的传动场合，常常被采纳。而注射模具又称注射成型，是热塑性制件的一种主要成形方式，是指通过注射机的螺杆或柱塞的作用，将熔融塑料射入闭合的模具型腔，经过保压、冷却、硬化定型后，即可得到由模具成形出的塑件。注射成形所使用的模具即为注射模（也称注塑模）。本课题为斜齿轮注射模具设计，即在生产实践中，根据给定的斜齿轮零件图和加工批量及精度要求，完成该制品的注射成型工艺分析及注射模具设计。本文首先介绍了斜齿轮以及有关模具的一些概况，分别对其发展、国内外研究现状和应用趋势进行说明。接着进行塑料注射模设计分析，包括尺寸的确定和参数校核等。最后概述了整个设计过程中需要注意的几个方面，从而全面阐述了该课题的研究要求。
斜齿轮是齿轮按齿线相对于齿轮母线方向分类中（直齿、斜齿、人字齿、曲线］，因轮齿齿向相对于齿轮的轴线倾斜了一个角度，故称为斜齿轮。由于斜齿轮存在着螺旋角B（斜齿轮的齿廓曲面与其分度圆柱面相交的螺旋线的切线与齿轮轴线之间所夹的锐角，齿轮螺旋的旋向有左右之分，螺旋角B也有正负之别），故当一对斜齿轮啮合传动时，其轮齿是先由一端进入啮合逐渐过渡到轮齿的另一端而最终推出啮合，其齿面上的接触线先是由短变长，再由长变短。因此，斜齿轮的轮齿在交替啮合时所受的载荷是逐渐加上，再逐渐卸掉的，所以传动比较平稳，冲击、振动和噪声较小，适合于高速、重载运动。与其他齿轮传动比较，斜齿轮具有如下主要优点：啮合性能好，传动平稳、噪声小；重合度大，降低了每对齿轮的载荷，提高了齿轮的承载能力；不产生根切的最少齿数少⑵。因此，斜齿轮是齿轮中重点研究的范畴。
由于塑料齿轮运行平稳且可在无润滑条件下运行，噪声低、抗腐蚀成本低，与钢和铸铁 齿轮相比较,具有惯性小、动载荷轻等特点，因此它不仅用于小扭矩精密机械的齿轮传动，例 如复印机、传真机、石英表、仪器仪表、各类玩具等，还广泛用于电子和日用家电中，正逐 步朝着应用到较大功率的机械传动中发展⑶，例如汽车、摩托车、机床的传动等。其中塑料 斜齿轮的传动更具有接触均匀、啮合冲击小和传动平稳等特点。因此，在一些重要的传动 场合,常常被采纳。
模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动， 使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本 低而广泛应用于制造业中。模具工业是国民经济的基础工业，是国际上公认的关键工业。模 具生产技术水平的高低是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，它在很大程度上决定 着产品的质量，效益和新产品的开发能力。振兴和发展我国的模具工业，正日益受到人们的 关注。早在1989年3月中国政府颁布的《关于当前产业政策要点的决定》中，将模具列为 机械工业技术改造序列的第一位。
模具工业既是高新技术产业的一个组成部分，又是高新技术产业化的重要领域。模具 在机械，电子，轻工，汽车，纺织，航空，航天等工业领域里，日益成为使用最广泛的主要 工艺装备，它承担了这些工业领域中60%〜90%的产品的零件，组件和部件的生产加工。 模具制造的重要性主要体现在市场的需求上，仅以汽车，摩托车行业的模具市场为例。汽车， 摩托车行业是模具最大的市场，在工业发达的国家，这一市场占整个模具市场一半左右。汽 车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车工业重点是发展零部件，经济型轿车和重型 汽车，汽车模具作为发展重点，已在汽车工业产业政策中得到了明确。汽车基本车型不断增 加，2005年将达到170种。一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上亿元。为了适应市 场的需求，汽车将不断换型，汽车换型时约有80%的模具需要更换。中国摩托车产量位居 世界第一，据统计，中国摩托车共有14种排量80多个车型，1000多个型号。单辆摩托车 约有零件2000种，共计5000多个，其中一半以上需要模具生产。一个型号的摩托车生产需 1000副模具，总价值为1000多万元。其他行业，如电子及通讯，家电，建筑等，也存在巨 大的模具市场。
目前世界模具市场供不应求，模具的主要出口国是美国，日本，法国，瑞士等国家。 中国模具出口数量极少，但中国模具钳工技术水平高，劳动成本低，只要配备一些先进的数 控制模设备，提高模具加工质量，缩短生产周期，沟通外贸渠道，模具出口将会有很大发展。 研究和发展模具技术，提高模具技术水平，对于促进国民经济的发展有着特别重要的意义。
塑料模是指在一定的温度和压力条件下，塑料可以用模具成形出具有一定形状和尺寸的 制件，并且当外力解除后，在常温下仍能使形状不变，成形所用的模具称为塑料膜，它是型 腔模的一种⑷。而成型是塑料生产制品生产过程中最重要的工序。塑料的种类很多，其成型 方法也很多⑸，其模具的种类也很多，常用的塑料成形方法及塑料模有以下几种：注射成形 及注射模、压缩成形及压缩模、压注成形及压注模、挤出成形及挤出模，而注射成形及注射 模是其中最重要的一种。注射成型又称注射模具，注射成形所使用的模具即为注射模（也称 注塑模）。
塑料注射模是一种用来生产塑料零件的模具，它被安装在塑料注射机上，由塑料注射机 将塑料颗粒融化成热熔体，经过合模、高压注射、保压冷却定型、开模、推出制件等工序， 获得所需的塑料零件。注射成形及注射模主要用于热塑性塑料的成形，在塑料制件的生产中 占很大的比重，据统计，注射模的产量占塑料成形模具产量的一半以上。
由于注塑成型加工不仅产量多，而且适用于多种原料，能够成批、连续地生产，并且具 有固定的尺寸，可以实现生产自动化、高速化，因此具有较高的经济效益。
注塑成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有嵌件的制品；对成型各种塑料 的适应性强；生产效率高，易于实现全自动化生产等一系列优点，是一种经济而先进的成型 技术。近年来注塑技术发展迅速，已经朝着高速化和自动化的方向发展［6］。
作为注塑成型加工的主要工具之一的注塑模具，在质量、精度、制造周期以及注塑成型 过程中的生产效率等方面水平的高低，直接影响产品的质量、产量、成本以及产品的更新换 代，同时也决定了企业在市场竞争中的反映能力和速度。与其它机械行业相比，模具制造业 主要具有以下的特点：
（1） 模具不能像其它的机械那样可以作为基本定型的商品随时可以到机电市场上购买。 这是因为每一副模具都是针对特定的塑料制品的规格而生产的，由于塑料制品的形状、尺寸 各异，差距甚大，其模具结构也是大相径庭，所以模具不可能成批生产。换句话说，模具是 单件生产的，其寿命越长，重复加工的可能性就越小，因此模具加工的成本较高；
（2） 因为注塑模具是为产品中的塑料而定制的，作为产品，除了质量、价格等因素之 外，很重要的一点就是要尽快的投放市场，所以对于塑料制品而特殊定制的模具来说，其制 造的周期一定要短；
（3） 模具制造是一项技术很强的工作，其加工过程集中了机械加工中的先进技术的部 分精华与钳工技术的手工技巧，因此要求模具工人具有较高的文化技术水平，特别是对于企 业来说要求培养全能工人，使其适应多工种要求，这种技术工人对模具单件生产方式组织均 衡生产是非常重要的。
综上所述，模具制造业存在成本高，要求制造周期短，技术性强等特点，目前，随着科 学技术的不断发展和计算机的应用，这些问题得到了很大的改善。由于有了计算机辅助设计 （CAD）和计算机辅助加工（CAM），从根本上改变了模具生产的面貌，可靠地保证了模具所需的 精度和质量。坚硬、易切削以及高光亮等，新型模具材料的应用，大大地方便了加工及热处 理。另外，模具标准件和以标准件为基体地特殊定制零件地普及，明显地缩短了模具制造的 周期。
由于塑料特有的良好特性，使得塑料零件获得愈来愈广泛的应用，塑料模已成为广泛使 用的一类模具。我国石化工业一年生产500多万吨聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂，很大一 部分需要塑料模具成形，做成制品，用于生产和生活的消费。生产塑料管件和塑钢门窗，也 需要大量的塑料模具成形。塑料模已成为模具中应用最广泛的一种。
从20世纪80年代初开始，发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出来，并发展 成为独立的工业部门，其产值已超过机床工业的产值。我国对模具工业的发展十分重视，国 务院于1989年就将模具技术的发展作为机械行业的首要任务，我国的模具工业也取得了较 大的发展。近年来，我国的模具工业每年以15%的增长速度快速发展，现已拥有模具企业 1.8万家，仅浙江宁波和黄岩地区，从事模具制造的集团企业和私营企业就达数千家，成为 国内知名的“模具之乡”和最具发展活力的地区之一。2001年我国模具工业产值约为300 多亿元人民币，折合30多亿美元，并出口 1.88亿美元。
改革开放以来，我国的经济逐渐起飞，也为模具产业的发展提供了巨大的动力。20世 纪90年代以后，大陆的工业发展十分迅速，模具工业的总产值在1990年仅60亿元人民币， 1994年增长到130亿元人民币，1999年已达到245亿元人民币，2000年增至260~270亿元 人民币。今后预计每年仍会以10%〜15%的速度快速增长。目前，我国17000多个模具生 产厂点，从业人数五十多万。除了国有的专业模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括 集体企业，合资企业，独资企业和私营企业等，都得到了快速发展。其中，集体和私营的模 具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。在广东，一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业， 为了提高其产品的市场竞争能力，纷纷加入了对模具制造的投入。例如，科龙，美的，康佳 和威力等知名集团都建立了自己的模具制造中心。中外合资和外商独资的模具企业则多集中 于沿海工业发达地区，现已有几千家。
在模具工业的总产值中，企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。其 中，冲压模具约占50%（中国台湾：40%），塑料模具约占33%（中国台湾：48%），压铸 模具约占6%（中国台湾：5%），其他各类模具约占11（中国台湾：7%）。
经过多年的建设与努力，我国的模具工业已初具规模，取得了相当的成就，目前从事模 具技术研究的机构和院校已达30余家，从事模具技术教育和培训的院校已超过50家，为我 国的经济建设输送了大批人才，并同时取得了一大批科研成果。其中获得国家重点资助建设 的有华中科技大学模具技术国家重点实验室、上海交通大学模具CAD国家工程研究中心、北 京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州大学橡塑模具国家工程研究中心等，在模具 CAD/CAM/CAE技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成形与快速制模技术、新型模具材 料等方面取得了显著的进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了巨大贡 献。
随着模具工业规模的不断扩大，我国的模具技术水平也有较大的提高，已能制造体现现 代模具设计制造水平的大型、复杂、精密的模具，部分模具达到了国际先进水平。在塑料模 方面，已能制造48〃大屏幕彩电塑壳模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和 整体仪表板的塑料模具，并开始使用先进的热流道和气体辅助注射成形技术。电视机、空调、 洗衣机等家用电器所需的塑料模具基本上可立足于国内生产，重量达10〜20t的汽车保险杠 和整体仪表板等塑料模具和多达600腔的塑封模具已可自行生产。在精度方面，塑件的尺寸 精度可达IT6、IT7级，型面的表面粗糙度达到Ra0.05〜0.025um，模具使用寿命达100万 次以上。
在塑料注射成形方面，CAE技术应用有国际上著名的有MOLDFLOW软件，国内有华中科 技大学的华塑CAE，它们可对塑料注射成形过程中的流动、冷却、保压、翘曲等过程进行分 析，从而预测出在不同的注射工艺条件下的塑料制品的成形质量，评价注塑工艺方案[7] 1.2.2塑料模具的应用趋势和前景
在模具的设计制造过程中，已广泛地使用了数字化设计制造技术、先进的数控机床和各 类相关的技术设备。
现代模具设计技术已逐步由2D的计算机辅助绘图向3D的计算机辅助设计方向发展，并 实现CAD/CAM的集成。近年来，国际上一些CAD/CAM开发商都投入了大量的人力和物力，在 通过CAD/CAM系统基础上开发模具行业专用的CAD/CAM系统，针对各类模具的特点，推出宜 人化、集成化和智能化的专业系统。例如，美国UGS公司推出的用于塑料模设计的Mould Wizard,该软件可辅助设计人员快速地完成塑料件的收缩计算、型腔布置、分模及模具结构 的详细设计；另外，UGS还与华中科技大学联合开发出了用于连续模设计的Progressive Die Wizard，该软件可辅助设计人员快速地进行冲压工艺设计、毛坯排样、条料排样以及连续模 结构与零件的设计。美国PTC公司也在PRO/ENGINEER上推出了 PRO/MOLD塑料模设计软件， 该软件可辅助模具设计人员进行分模设计、型芯型腔设计和标准模架的设计。又如英国 DELCAM公司推出的PowerSHAPE系统，包括PS-Moldmaker模块，它是面向模具制造的模具 结构设计专家系统，可自动为复杂注塑模、吹塑模创建模具结构及抽芯机构，自动产生分模 面，且相关零件的加工信息可直接输出到PowerMILL模块产生加工程序。还有日本UNISYS 株式会社推出的专用于塑料模设计和制造的CADCEUS系统，该系统综合了塑料产品设计、模 具设计到模具生产所需要的全部功能，可实现三维设计与二维视图的关联。
尽管我国模具工业有了长足的进步，部分模具已达到国际先进水平，但无论是数量还是 质量仍满足不了国内市场和国民经济高速发展的需要，每年仍需进口 10多亿美元的各类大 型、精密、复杂模具。与发达国家的模具工业相比，在模具技术上仍有不小的差距。我国未 来模具技术发展趋势和应用方向可以归纳为以下几点：
本次设计为斜齿轮注射模具设计，即用塑料注射模具生产塑料制品斜齿轮。根据给定的 斜齿轮零件图和加工批量及精度要求，完成该制品(斜齿轮)的注射成型工艺分析及注射模 具设计，有效地将机械工程学科与模具技术紧密联系起来，加强了学科间的交叉渗透。通过 查阅相关资料及对该课题的研究，可以综合运用所学的理论知识，全面阐述设计要求，以提 高自己应用理论分析问题和解决问题的能力。同时设计出的产品可用于生产研究，具有很高 的实用价值。
本课题主要围绕塑料斜齿轮的注射模具进行分析设计。对于塑料注射模具设计，包括装 配图和零件图绘制。具体设计内容有成型方法及工艺流程制定、模具类型和结构形式确定、 成型工艺条件确定、工艺计算(即注射量、注射压力、锁模力、成型零件工作尺寸、冷却参 数、注射温度和注射时间等)、浇注系统设计、分型面设计、成型零件设计、导向与定位机 构设计、脱模机构设计、冷却系统设计，绘制模具装配图和成型零件图，编写设计说明书等。 2制品的工艺性能分析
塑料齿轮主要用于强度不太高的传动机构，用做齿轮的塑料有尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、 聚砜等。为了满足注射成型工艺，齿轮的轮毂、辐板和轮毂应有一定的厚度，齿轮各部分尺 寸作如下规定：
给定某塑料斜齿轮零件图，模数m=1,齿数Z=40，螺旋角B=10°,为压力角a=20°的 正常齿，齿宽b=3mm，转速n=300r/min，工作环境温度为50°C，传递功率P=0.01kw，用聚 甲醛(POM)塑料成型，制品为5级精度。
模具结构及其制造精度对保证齿轮精度至关重要。模具的型芯固定与型腔都应在动模 边。一模一件的模具结构对提高齿轮精度有利，但具体应根据生产批量等综合考虑。也有将 互相啮合的两个齿轮放在同一副模具里。同时，模具里浇口类型和位置也是影响齿轮精度的 因素。由于塑件由聚甲醛为原材料且加工精度较高，为确保精度，须对制品进行后处理；为 满足制品高精度采用点浇口，选三点均匀分布；为了方便加工和热处理，型腔与型芯部分采 用镶拼结构。
在设计注塑模成形零件时，为了使塑件成形后易于从模具型腔内脱模以及顺利地从型芯 中被顶出，在垂直分型面的定模与动模型腔和型芯工作面上，必须设计出脱模斜度。在设计 时，若没有特殊要求一般可取25〜1°，在不影响塑件质量与精度的情况下，应尽量选取 最大值。脱模斜度选取计算方法是：型腔的尺寸以大端为准。而斜度应从大端向小端尺寸进 取；型芯恰好相反，应以小端尺寸为准，斜度应从小端向大端方向进取。查表2-1得：型腔 的脱模斜度为35〜1° 30，取1° ；型芯的脱模斜度为30〜40，取30。
由于大多数制品是成型在分型面一分型面为界的动、定模两个部分中，所以制品不可避 免地要遇到“错模”问题，因而必须适当地提高模具精度和注射机精度。在设计的斜齿轮注 塑模中，塑件侧壁没有孔、凹槽或凸台等，因而没有侧向抽芯机构的设计。
聚甲醛（Polyoxymethylene,POM）是一种性能优良的热塑性工程塑料，其性能不亚于尼 龙，而价格却比尼龙便宜。聚甲醛表面硬而光滑，呈淡黄或白色，薄壁部分半透明，其流动 性中等，属于结晶型塑料。有较高的机械强度及抗拉、抗压性和突出的耐疲劳强度，特别适 合于用作长时间反复承受外力的齿轮材料。聚甲醛特别适合于制作轴承、凸轮、滚轮、辊子、 齿轮等耐磨传动零件，还可以用于制造汽车仪表板、汽化器、各种仪器外壳、罩盖、箱体、 化工容器、泵叶轮、鼓风机叶片、配电盘、线圈座、各种输油管、塑料弹簧等。
聚甲醛尺寸稳定，吸水率小，相容性和热敏性较好，不易应力开裂和熔体破裂，具有优 良的减摩、耐磨性能。能耐扭变，有突出的回弹能力，可用于制造塑料弹簧制品，常温下一 般不溶于有机溶剂，能耐醛、酯、烃、弱碱和弱酸，但不耐强酸。耐汽油及润滑油性能也很 好。有较好的电气绝缘性能。其缺点是成型收缩率大，在成型温度下的热稳定性较差。