摘 要：从小模数塑料注塑齿轮模具设计制作和实践中积累大量原始试验数据，针对小模数塑料注塑齿轮模具成型尺寸及收缩率特性，总结出经验数据。 关键词：小模数 注塑齿轮 收缩率
中图分类号：TG8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-100-02
1 问题的提出
生产一种小模数注塑齿轮，长期生产出现主要尺寸不稳定，即便是同一套模具、同一台设备、同一人操作也会出现多个尺寸的情况，给生产、工装设计、模具设计及制造带来很大的困难。
2 问题分析
塑件之所以发生尺寸变化，是由于成型的收缩所致，塑件的成型收缩是塑料固有的特性。但具体到每一种塑件的收缩量大小却受着诸多因素的影响，如塑料的品种、塑件的几何形状、模具精度、注塑设备、成型工艺条件、操作人员的熟练程度及技术水平等，如图1。
图1
而当塑料品种、塑件的几何形状、模具尺寸、设备一定的情况下，只有成型工艺条件是可变的，即成了影响塑件及收缩的主要原因。分述如下。
2.1 设备的影响
欲得到质地完善的塑件，必须准确地控制加料量，并在每次注射后在料筒的前端留有一定的余料，以便起到传压时缓冲垫作用（此很关键），加料量太少，则无传压介质，此时无论注射压力多大，注射速度多快，保压时间多长，均会出现补缩不足，塑件亦会产生严重收缩。如我们一个塑料齿轮注塑模在15g注塑机上使用，一模用料12g，考虑注射机的实际注射效率为80%，一次加料量刚够成型一个塑件，再加上料粒不均匀，料在料斗内“架桥”等因素，即形成塑件成型后补充不充分，致使塑件收缩范围大，尺寸不稳定。后我们把该套模具在60g注射机上做了对比试验，结果如表1。建议生产塑料齿轮选用螺杆注塑机。
表1
2.2 原材料的影响
(1)材料生产商和材料牌号及批次的影响。这方面通过试验可以总结出对应不同工艺条件加以调整。
(2)材料颗粒大小不均一也是个不可忽视的因素。这主要掺兑二次破碎料造成的，原因是塑料粉碎机筛眼孔大小要控制得当，筛眼孔过大，所回收的料粒和原料料粒相差悬殊，最大的相差十倍之多，这就在很大程度上影响了定量加料的准确性，而常常会出现料粒在料斗中“架桥”现象，造成供料不足，影响塑件的密度和收缩。
(3)料粒干燥不充分。现在生产中料粒干燥第一种是料斗干燥器，第二种是除湿干燥器，第三种专用干燥箱。注塑齿轮多用聚甲醛（POM）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚砜（PSU），我们所用塑料以聚甲醛为主。针对这种塑料，从我们实际操作经验建议以第三种专用干燥箱烘干辅以料斗干燥器干燥工艺，对控制收缩率波动极为有利。
2.3 模具的影响
模具对塑件尺寸的影响一般讲是恒定的，同一套模具在型腔尺寸不变的情况下，一般不会出现忽大忽小，波动较大的异常现象。但模具在设计和制造过程中对收缩率选择不准和制造精度有误差等问题，关键是能否准确地发现问题的结症。我们在生产和模具调试中发现有一套斜齿轮注塑模具成型压力在20MPa的情况下，方可保证其尺寸精度，但是注射压力过大，无论对模具、设备还是对塑件的质量均无益。我们做如下试验：即最大限度地提高料温，将注射压力降至16MPa，但所注塑成型的塑件仍超下限。针对这一问题我们对这套模具进行了修改，修改前和修改后的尺寸变化情况如表2。
表2
据表2数据分析和实践可以看出，即便模具型腔尺寸偏小，只要视其情况调整成型条件也可以生产出合格的塑件。但从有利于模具正常使用寿命和合理安全利用设备考虑，对经过调试模具塑件尺寸偏下限的，建议修改模具，而不是过度依赖调整注塑工艺参数来解决问题，这就是在设计和制造模具过程中对收缩率的选择要经过科学合理的计算并认真积累经验。对于塑件设计精度要经过正确合理的校验。我们常用差比优选法来计算成型尺寸（即选取适当的收缩率）。
对于尺寸精度高的塑料齿轮，型腔又不能经过试模后多次修正，它的成型尺寸必须有比较可靠的计算方法，才能提高模具设计的成功率。即使用差比优选法计算成型尺寸，也必须靠认真记录经验数据。塑料收缩率的变化主要是材料、厚度、浇口、成型温度、压力等因素。如果把材料、浇口、成型温度、成型压力作为相同条件，那么厚度的变化就成为收缩率变化的主要因素。认真积累塑料在各种条件下收缩率变化的资料，比较准确地掌握收缩率变化范围，对提高成型尺寸计算的正确性十分有益。
差比优选法具体的使用是：先根据塑件材料、壁厚、模具设计预案所选取浇口位置、数量、尺寸，估计塑料成型的收缩率范围（最大收缩率、最小收缩率、平均收缩率），再考虑模具制造误差，同齿轮相对应的尺寸公差带相比较，直至优选出理想状态下的收缩率变化范围（因计算较为繁琐，在这里不再叙述）。经过实践，我们总结如下的经验供参考。
(1)齿轮各部收缩是不均匀的，参考照片（大型工具显微镜，50K放大图）
图2中粗实线是模具型腔理想轮廓，阴影部位是塑件收缩后实际轮廓。由图片可以看出：1)齿顶圆收缩最大；2)齿根圆收缩次之；3)分度圆（实测弧齿厚或公法线长度）收缩最小。
根据经验：齿顶圆收缩：齿根圆收缩：公法线收缩=1:0.8:0.7
图2
(2)塑料齿轮的轴孔精度要求较高，且不允许有锥度。如果产品用增加后道工序加工的方法来达到孔的精度，那么孔的表面粗糙度会降低，耐磨性差，且在装夹上容易损坏齿形，所以一般齿轮要求轴孔注塑成型。对于注塑成型的孔，孔的成型收缩率与齿顶圆的收缩率是不同的。在冷却过程中，孔自身要收缩，齿顶圆也要收缩，且齿形收缩是向心的，使孔的收缩率加大。关于孔的收缩率与齿顶圆收缩率比值一般取1.5:1。对于较大孔可以预先把孔做大些，待齿形尺寸经调试合格后再修正模具以期解决。
(3)模具型腔尺寸影响收缩率的另外一个原因是模具温度。因为无论模具型腔选用什么材质制作，都有线膨胀系数的影响，随着模具温度的变化，型腔尺寸也随之产生微小变化，也影响成型尺寸的变化。根据经验，一般生产精密小模数齿轮的模具首先选用变形小的优质模具钢，再者就是严格控制模具温度，特别是新模具在调试前，首先要将模具放置在正常生产环境下，保持模具恒温，待模具温度达到正常生产要求温度再开机试模。另外建议最好配以模温控制机，待检测模具温度稳定后试模50模次后再取样检验。模具温度要控制在?℃~?℃之间。
(4)用以生产塑料齿轮的原料大多属结晶塑料，即使塑件出模后也还会有塑料内部发生再结晶，造成体积收缩，结晶度越高，收缩量越大。所以在试模时检测塑料齿轮齿形尺寸以放置恒温24小时取样检验为宜。
(5)塑料齿轮在从模具脱出后因为模腔压力突然消失，会出现体积膨胀现象，与收缩正好相反，但随着温度的降低又出现自然收缩时效变形，从而影响塑件的最终尺寸。加上塑料还有吸湿特性而出现膨胀，因此建议检测塑料齿轮应综合上述几项采取合理的检测环境，以利于准确选取理想的收缩率。
(6)用于生产塑料齿轮的模具在浇口设计以及顶出机构设计上也应注意浇口设计保证快速填充，均匀流动，平衡进料，均衡出模，以保证收缩均匀，不致因顶出变形影响齿轮的精度。
2.4 人员的影响
由于用于生产塑料齿轮的原料熔融后大多有刺激性气味，所以注塑岗位工人的转岗、换岗较频，工人培训不足，技术参差不齐，加上个别员工不能严格遵守工艺纪律，造成设备、成型工艺条件等外部影响因素的变化直接影响成型不稳定，建议对生产精密塑件岗位员工进行严格岗前培训，以提高质量意识，并严格执行工艺纪律和操作规程，适时做好原始记录，为模具设计、制作提供准确、合理的原始数据和第一手资料。
2.5 成型工艺条件的影响
影响收缩率变形的工艺条件主要有：温度、压力、时间三大因素。
(1)温度：包含料温、模温以及外部环境温度等。
(2)压力：包含注射压力、保压压力、合模压力等。
(3)时间：包含注射时间、保压时间、冷却时间等。
对聚甲醛而言，上述三种因素共同作用而引起收缩率的变化。具体到塑件个体而言需要在模具调试和生产正常使用过程给予综合考虑，以取得理想的工艺参数组合。
3 结束语
影响小模数塑料齿轮收缩率变化的因素，不只是上述所分析的几项，需要对塑料特性、注塑工艺、小模数齿轮齿形设计测量等都要有所了解，切实把影响收缩率变化的因素有效控制。
小模数塑料注塑齿轮模具型腔是渐开线的，因而得到的塑件也是渐开线的。所不同的是虽然塑料收缩但渐开线的形状基本不变，只是压力角略有增大，对于高精度齿轮压力角也要略做修正，不过对于一般精度齿轮压力角的变化可以忽略不计。
参考文献：
[1] 本书编写组.小模数齿轮测量手册[M].国防工业出版社,1972.
[2] 张荫朗.怎样制造塑料模具[M].浙江科学技术出版社,1988.