塑料齿轮由于具有质轻、价廉、传动噪声小等特点，被广泛应用于汽车、仪表、家用电器、玩具和各种计时装置中，不仅在很多场合已取代了金属齿轮，而且能够用于金属齿轮不宜使用的许多领域。目前有关塑料齿轮的成型研究多是针对其外齿轮的成型拉，而对于内齿轮的研究则较少。小模数塑料内齿轮在组装尺寸小、传动结构复杂的产品时，有着比较明显的优势。笔者研究了模数为0.2mm的小模数塑料内齿轮注塑模具的设计，并通过注射成型试验对注塑模具的成型效果进行了验证。
一、小模数塑料内齿轮注射成型特点分析
图1为所要注射成型的小模数塑料内齿轮尺寸示意图。其齿形参数为：模数0.2mm，齿数36，变位系数1.6，分度圆压力角20度；内形尺寸为：齿顶圆直径7.5mm，齿根圆直径8.2mm；外形尺寸为：外径10mm，高4mm。
图1：塑料内齿轮尺寸示意图
由于塑料内齿轮在注射成型后将因收缩而包紧在型芯上，而且所成型的塑料内齿轮的齿数较多，因此所需的脱模力比较大。此外，因小模数塑料内齿轮的齿根处壁厚仅为0.9mm，若采用推杆进行塑料件顶出，推杆的直径宜在0.5mm左右，这使得塑料件局部面积上承受的顶出压力过大，极有可能将塑料件顶穿，造成塑料件破坏及无法脱模，所以需要采用推管或推板进行顶出。若采用推管顶出，不仅型芯的轴向尺寸过大，而且推管的定位精度要求非常高。基于上述分析，笔者选择使用推板进行塑料件顶出。
聚甲醛(POM)具有强度高、耐疲劳、耐蠕变和尺寸稳定性好等特点，是一种较理想的塑料齿轮材料，所以采用POM进行小模数塑料内齿轮的注射成型。
二、模具设计要点分析
2.1 浇注系统设计
Moldflow是一款具有强大分析功能的专业注射成型CAE软件，被广泛应用于注射成型领域的优化设计分析。在设计小模数塑料内齿轮的注塑模具时，笔者首先使用Moldflow软件进行最佳浇口位置分析。表面网格(Fusion)能够在保证分析精度的同时，减少计算机运算时间，因此网格类型选择Fusion。根据塑料件的局部最小尺寸，网格的平均边长设置为0.2mm。软件分析结果显示，宜将浇口设在塑料件中间高度处的里侧或外侧。笔者选择将潜伏式浇口设在塑料件中间高度处的外侧，如图2所示，这是因为浇口设在此处不会影响塑料内齿轮的正常使用。
图2：最佳浇口位置分析结果
潜伏式浇口的尺寸不宜过大，否则流道和塑料件之间不易断开，继而影响到流道凝料及塑料件的正常脱模，本浇口尺寸取?0.6mm。对于一模两腔的型腔安排，浇注系统的整体设计如图3所示。
图3：浇注系统示意图
2.2 成型组件设计
成型组件如图4所示。小模数塑料内齿轮的齿形采用小模数的金属外齿轮型芯3成型。型芯的高度为4mm，齿顶厚为0.07mm，齿槽宽为0.16mm。由于齿形小，型芯无法采用齿轮刀具进行加工；又因型芯的高度超过1mm，也无法采用光刻树脂后电铸金属的方法进行加工；适宜的加工方法是采用电火花线切割加工。首先将模具合金钢坯料精磨为所需厚度的板件，然后在数控线切割机床上使用?0.1mm的钼丝从板件上切下小模数金属外齿轮，得到所需的型芯。利用?2.5 mm的标准顶杆作为型芯固定杆，在其杆部加工出螺纹，与M2.5的螺母相配合，将型芯固定在动模嵌件5上端。
图4：成型组件示意图
为了方便调整与更换，推板上与动模嵌件相接触的部分设置了推板嵌套。推板嵌套与动模嵌件之间采用锥面配合，这样在合模时不会发生刮碰，从而减少磨损、提高模具使用寿命。推板嵌套是以过盈配合的方式固定在推板中，为了在修配模具时便于将推板嵌套取出，推板嵌套内部锥孔的大端半径比推板上的动模嵌件安装过孔半径大1.5mm。
用于成型小模数塑料内齿轮外形的型腔嵌套则设在定模一侧。当动、定模分开时，因收缩而包紧在型芯上的塑料内齿轮首先从定模型腔中脱出，塑料件留在动模一侧，然后推板将塑料件从型芯上顶出。
潜伏式浇口设置在型腔嵌套上。为保证型腔嵌套上的流道部分与定模板上的流道部分准确接合，型腔嵌套需要设计防转结构。将该结构设在型腔嵌套的头部而未设在杆部(如图4b所示)，这样既有利于型腔嵌套防转结构的加工，也有利于定模板上用于安装型腔嵌套杆部的配合孔的加工，提高了加工的工艺性。
2.3 模具整体结构设计
模具整体结构如图5所示。推板通过螺钉与复位杆连接。当注塑机的顶杆推动模具的推杆固定板向前运动时，由复位杆带动推板实现塑料件顶出运动。由于冷料穴设在推板上，如果拉料杆仍像常规设计那样固定在推杆安装板上，则拉料杆与推板之间将无相对运动，也就无法使流道凝料脱离拉料杆。为此将拉料杆固定在动模板上，推板在顶出塑料件的同时，会将流道凝料从拉料杆上强制推出。为了便于取下粘附在推板上的流道凝料，推板上的冷料穴设计成一个浅的球状凹坑。
图5：模具总体结构图
图6示出模具的开模动作。当注塑机执行开模动作时，复位杆上的弹簧使得推板紧靠在动模板上，因此模具在定模板与推板之间分开，包括推板在内的动模部分随注塑机的动模安装板向后移动。注射成型的小模数塑料内齿轮因包紧在动模型芯上而从定模型腔中脱出，潜伏式浇口被拉断，塑料件留在动模一侧；在拉料杆的作用下，潜伏式浇口与主流道也从定模部分脱出，留在动模一侧。当注塑机执行顶出动作时，注塑机顶杆通过复位杆而带动推板向前运动，将塑料件和流道凝料分别从型芯与拉料杆上脱下来。注塑机顶杆撤出后，在弹簧的作用下，复位杆带动推板先复位，然后合模进入下一个工作循环。
图6：开模动作示意图
三、注射成型试验
注射成型材料选择日本宝理公司的牌号为M9044的POM。注射成型设备为德国BOY公司的12A型微注塑机。由于POM的成型温度范围窄，因此注射速度要快，同时需要提高模具温度。笔者所采用的注射成型工艺参数如图7所示。
图7：注塑成型工艺参数
注射成型过程中，模具运行顺畅，塑料件与流道凝料顺利脱模。所注射成型的小模数塑料内齿轮塑料件如图8所示。经检验，塑料件的外观与内部齿形均成型质量良好，符合设计要求。
图8：注射成型的小模数塑料内齿轮塑料件
四、结语
通过分析小模数塑料内齿轮的结构和注射成型特点，在参考Moldflow软件分析结果的基础上，设计了潜伏式浇口、推板顶出的注射成型方案。型腔组件结构紧凑，配合可靠。所成型的小模数塑料内齿轮具有良好的外观与内部齿形，满足使用要求，可为同类塑料齿轮产品的模具设计提供参考。