塑料齒輪由于具有質輕、價廉、傳動噪聲小等特點，被廣泛應用于汽車、儀表、家用電器、玩具和各種計時裝置中，不僅在很多場合已取代了金屬齒輪，而且能夠用于金屬齒輪不宜使用的許多領域。目前有關塑料齒輪的成型研究多是針對其外齒輪的成型拉，而對于內齒輪的研究則較少。小模數塑料內齒輪在組裝尺寸小、傳動結構復雜的產品時，有著比較明顯的優勢。筆者研究了模數為0.2mm的小模數塑料內齒輪注塑模具的設計，并通過注射成型試驗對注塑模具的成型效果進行了驗證。
一、小模數塑料內齒輪注射成型特點分析
圖1為所要注射成型的小模數塑料內齒輪尺寸示意圖。其齒形參數為：模數0.2mm，齒數36，變位系數1.6，分度圓壓力角20度；內形尺寸為：齒頂圓直徑7.5mm，齒根圓直徑8.2mm；外形尺寸為：外徑10mm，高4mm。
圖1：塑料內齒輪尺寸示意圖
由于塑料內齒輪在注射成型后將因收縮而包緊在型芯上，而且所成型的塑料內齒輪的齒數較多，因此所需的脫模力比較大。此外，因小模數塑料內齒輪的齒根處壁厚僅為0.9mm，若采用推桿進行塑料件頂出，推桿的直徑宜在0.5mm左右，這使得塑料件局部面積上承受的頂出壓力過大，極有可能將塑料件頂穿，造成塑料件破壞及無法脫模，所以需要采用推管或推板進行頂出。若采用推管頂出，不僅型芯的軸向尺寸過大，而且推管的定位精度要求非常高。基于上述分析，筆者選擇使用推板進行塑料件頂出。
聚甲醛(POM)具有強度高、耐疲勞、耐蠕變和尺寸穩定性好等特點，是一種較理想的塑料齒輪材料，所以采用POM進行小模數塑料內齒輪的注射成型。
二、模具設計要點分析
2.1 澆注系統設計
Moldflow是一款具有強大分析功能的專業注射成型CAE軟件，被廣泛應用于注射成型領域的優化設計分析。在設計小模數塑料內齒輪的注塑模具時，筆者首先使用Moldflow軟件進行最佳澆口位置分析。表面網格(Fusion)能夠在保證分析精度的同時，減少計算機運算時間，因此網格類型選擇Fusion。根據塑料件的局部最小尺寸，網格的平均邊長設置為0.2mm。軟件分析結果顯示，宜將澆口設在塑料件中間高度處的里側或外側。筆者選擇將潛伏式澆口設在塑料件中間高度處的外側，如圖2所示，這是因為澆口設在此處不會影響塑料內齒輪的正常使用。
圖2：最佳澆口位置分析結果
潛伏式澆口的尺寸不宜過大，否則流道和塑料件之間不易斷開，繼而影響到流道凝料及塑料件的正常脫模，本澆口尺寸取?0.6mm。對于一模兩腔的型腔安排，澆注系統的整體設計如圖3所示。
圖3：澆注系統示意圖
2.2 成型組件設計
成型組件如圖4所示。小模數塑料內齒輪的齒形采用小模數的金屬外齒輪型芯3成型。型芯的高度為4mm，齒頂厚為0.07mm，齒槽寬為0.16mm。由于齒形小，型芯無法采用齒輪刀具進行加工；又因型芯的高度超過1mm，也無法采用光刻樹脂后電鑄金屬的方法進行加工；適宜的加工方法是采用電火花線切割加工。首先將模具合金鋼坯料精磨為所需厚度的板件，然后在數控線切割機床上使用?0.1mm的鉬絲從板件上切下小模數金屬外齒輪，得到所需的型芯。利用?2.5 mm的標準頂桿作為型芯固定桿，在其桿部加工出螺紋，與M2.5的螺母相配合，將型芯固定在動模嵌件5上端。
圖4：成型組件示意圖
為了方便調整與更換，推板上與動模嵌件相接觸的部分設置了推板嵌套。推板嵌套與動模嵌件之間采用錐面配合，這樣在合模時不會發生刮碰，從而減少磨損、提高模具使用壽命。推板嵌套是以過盈配合的方式固定在推板中，為了在修配模具時便于將推板嵌套取出，推板嵌套內部錐孔的大端半徑比推板上的動模嵌件安裝過孔半徑大1.5mm。
用于成型小模數塑料內齒輪外形的型腔嵌套則設在定模一側。當動、定模分開時，因收縮而包緊在型芯上的塑料內齒輪首先從定模型腔中脫出，塑料件留在動模一側，然后推板將塑料件從型芯上頂出。
潛伏式澆口設置在型腔嵌套上。為保證型腔嵌套上的流道部分與定模板上的流道部分準確接合，型腔嵌套需要設計防轉結構。將該結構設在型腔嵌套的頭部而未設在桿部(如圖4b所示)，這樣既有利于型腔嵌套防轉結構的加工，也有利于定模板上用于安裝型腔嵌套桿部的配合孔的加工，提高了加工的工藝性。
2.3 模具整體結構設計
模具整體結構如圖5所示。推板通過螺釘與復位桿連接。當注塑機的頂桿推動模具的推桿固定板向前運動時，由復位桿帶動推板實現塑料件頂出運動。由于冷料穴設在推板上，如果拉料桿仍像常規設計那樣固定在推桿安裝板上，則拉料桿與推板之間將無相對運動，也就無法使流道凝料脫離拉料桿。為此將拉料桿固定在動模板上，推板在頂出塑料件的同時，會將流道凝料從拉料桿上強制推出。為了便于取下粘附在推板上的流道凝料，推板上的冷料穴設計成一個淺的球狀凹坑。
圖5：模具總體結構圖
圖6示出模具的開模動作。當注塑機執行開模動作時，復位桿上的彈簧使得推板緊靠在動模板上，因此模具在定模板與推板之間分開，包括推板在內的動模部分隨注塑機的動模安裝板向后移動。注射成型的小模數塑料內齒輪因包緊在動模型芯上而從定模型腔中脫出，潛伏式澆口被拉斷，塑料件留在動模一側；在拉料桿的作用下，潛伏式澆口與主流道也從定模部分脫出，留在動模一側。當注塑機執行頂出動作時，注塑機頂桿通過復位桿而帶動推板向前運動，將塑料件和流道凝料分別從型芯與拉料桿上脫下來。注塑機頂桿撤出后，在彈簧的作用下，復位桿帶動推板先復位，然后合模進入下一個工作循環。
圖6：開模動作示意圖
三、注射成型試驗
注射成型材料選擇日本寶理公司的牌號為M9044的POM。注射成型設備為德國BOY公司的12A型微注塑機。由于POM的成型溫度范圍窄，因此注射速度要快，同時需要提高模具溫度。筆者所采用的注射成型工藝參數如圖7所示。
圖7：注塑成型工藝參數
注射成型過程中，模具運行順暢，塑料件與流道凝料順利脫模。所注射成型的小模數塑料內齒輪塑料件如圖8所示。經檢驗，塑料件的外觀與內部齒形均成型質量良好，符合設計要求。
圖8：注射成型的小模數塑料內齒輪塑料件
四、結語
通過分析小模數塑料內齒輪的結構和注射成型特點，在參考Moldflow軟件分析結果的基礎上，設計了潛伏式澆口、推板頂出的注射成型方案。型腔組件結構緊湊，配合可靠。所成型的小模數塑料內齒輪具有良好的外觀與內部齒形，滿足使用要求，可為同類塑料齒輪產品的模具設計提供參考。