工程塑料PEEK/PPS/PI/PPA齿轮模具设计
齿轮模具设计，特别是塑料齿轮模具设计，与传统模具设计有显著不同。齿厚（齿轮齿两侧之间的弧长）、模数（衡量齿轮尺寸的参数）和压力角（力方向与运动方向之间的锐角，不包括摩擦力）等关键参数需要根据经验数据进行调整。
塑料齿轮模具型腔设计
在模具行业，塑料齿轮模具型腔的设计一直是一项技术挑战，主要原因有二：
1. 塑料收缩率的精度：
在塑料齿轮的成型过程中，塑料颗粒在高温下熔化，冷却后形成固体塑料齿轮。该过程中塑料的收缩率是一个范围值，难以精确测定。
2. 模腔非线性收缩计算：
对于渐开线小模数塑料齿轮模具，模腔本质上代表一个假想齿轮。这个假想齿轮既不同于移位齿轮，也不同于内齿轮。收缩后，它就变成了所需的塑料齿轮。与一般塑料零件中常见的各向同性收缩不同，这个假想齿轮渐开线齿廓上的收缩并不均匀。在齿轮平面上，x 和 y 方向的收缩量并不相等，导致非线性收缩，如图 1 所示。这种非线性显著增加了渐开线塑料齿轮模腔设计的复杂性。
齿轮模具型腔设计的正确方法
面对这些技术挑战，采用各向同性收缩法设计模腔往往无法获得最优结果。基于多年的实践经验和对塑性收缩率的精确估算，我们建议采用变模量法进行齿轮模腔的理论设计，然后进行齿廓修正，以确保模腔的精度和合理性。
变模量法假设齿轮在各个加工阶段，其基圆直径、节圆直径、齿顶圆直径和齿根圆直径保持不变，并按比例放大或缩小，类似于简单套筒状零件的径向尺寸变化。对于齿轮的节圆，根据公式 d=mz 计算，它仅取决于模数 m 和齿数 z。
由于特定齿轮的齿数是恒定的，我们可以将加工过程中节圆直径的变化视为模数的变化。这一原理意味着塑料齿轮模腔所包围的空间可以看作是一个假想的齿轮，该齿轮具有恒定的齿数和压力角，其沟槽构成模腔的齿廓。
我们可以使用比例法计算该假想齿轮的模数。计算公式为 m' = (1 + η%)m。其中，m' 代表模腔齿廓的模数，m 是设计齿轮的理论模数，η% 是塑料的收缩率。将模数 m' 代入相应的齿轮计算公式，即可得到模腔的假想齿轮。实践表明，可变模数法能够有效解决渐开线齿廓非线性收缩的问题，如图 2 所示的模腔产品所示。
塑料齿轮模具浇口设计
在塑料齿轮成型过程中，浇口的位置对齿轮的精度，尤其是径向跳动，有着显著的影响。浇口的分布形式也对塑料齿轮的整体力学性能起着至关重要的作用。在设计塑料齿轮模具的浇口时，如果齿轮产品允许，建议采用三点浇口系统。理想情况下，这三个浇口应位于同一圆弧上并均匀分布，如图3所示。
采用三点平衡浇注系统，塑料熔体从浇口呈径向流动，在流动前沿汇聚形成三条熔接线。在这些熔接线处，纤维的取向趋于与流动前沿平行。在齿轮中，这使得纤维在熔接线处呈径向分布，而在齿轮的其他部分则呈随机分布。这导致沿熔接线形成低收缩区域。与采用单浇口的齿轮相比，熔接线与其他齿轮部分之间的纤维取向差异较小，从而提高了齿轮的精度。图 4 显示了使用单偏心浇口和三点均匀分布浇口时纤维取向和填充模式的示意图对比。
塑料齿轮模具的排气设计
排气是塑料模具设计中需要考虑的关键因素。对于塑料齿轮模具而言，齿面上的排气设计尤为重要。我们通常使用磨床加工齿轮模具的大部分表面，以确保良好的表面配合。然而，这种方法往往会导致注塑过程中最后区域的填充不足。为了消除滞留的空气，需要在齿面上设置排气槽。通常，齿面上的排气槽设计如图5所示。
