第３Ｏ卷第１１期 中 国 塑料 Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．，２０１６ ２０１６年１１月 ＣＨＩＮＡ ＰＬＡＳＴＫ 塑料谐波齿轮柔轮的结构和模具设计 王鑫，邵凤翔，袁衡欣 （河南工程学院机械工程学院，河南郑州４５１１９１） 摘要：用工程塑料替代钢制材料来构成某一谐波减速器，设计了满足传动要求的塑料柔轮参数和结构，并合理地 设计了柔轮注塑模具；在模具设计中，运用计算机辅助工程（ＣＡＥ），验证了设计的浇注系统不会产生滞流现象，在冷 却系统设计时，保证了柔轮内径的变形量小于０．３ ｉｎｎｌ，满足柔轮设计要求。 关键词：谐波齿轮；工程塑料；柔轮结构；注塑模具 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—９２７８（２０１６）１１—０１００—０５ 中图分类号：ＴＱ３２０．６６ ２ Ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍｏｌｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｗｈｅｅｌｓ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ，ＳＨＡ０ Ｆｅｎｇｘｉａｎｇ，ＹＵＡＮ Ｈｅｎｇｘｉｎ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｎａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｏｓｔ ｆｏｒ ａ ｓｔｅｅｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅａｒ，ａ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｅｅｌ ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎ ｓｕｃｈ ａ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ，ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＣＡＥ）ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈａｔ ｎｏ ｓｔａｇｎａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｌｓｏ ｅｎｓｕｒｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｌｅＳＳ ｔｈａｎ ０．３ ｍｍ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅａｒ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ；ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ ０前言 谐波齿轮传动由刚轮、柔轮和波发生器３部分组 成（图１），其原理是利用柔轮的弹性变形波进行运动和 波齿轮的结构和传动设计研究还处于初期，缺乏相关 标准和经验，其中柔轮又是谐波齿轮传动的关键部件， 不仅要求具有一定的强度，还要求其弹性好、抗冲击性 能好，其内径公差要求较严，因此，选择合适的材料和 动力的传递。谐波齿轮传动以其体积小、传动比大、承 载能力强、运动精度高等一系列优点，在各领域得到了 广泛的应用和发展［１ ］。目前谐波齿轮多采用钢制齿 轮，但钢制齿轮存在材料性能和制造成本两个问题，严 重影响了谐波齿轮的推广和应用。工程塑料成型工艺 好、制造成本低、弹性好、疲劳极限与弹性模量的比值 大，因此用工程塑料制造谐波齿轮，适合谐波齿轮工作 的特点，具有一定的优越性＿＿３＿４］，然而，目前工程塑料谐 收稿日期：２０１６—０８—０４ 联系人，ｈａｉｙａｎｇ６３０＠１６３．ｃｏｒｎ （ ｛ ／ ２１ ．１一刚轮２一柔轮３一波发生器 图１谐波齿轮传动 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅａｒ ｄｒｉｖｅ ２０１６年１１月 中国塑料 设计合理的模具使其满足要求的意义重大。本文以工 程塑料为原料，在满足短筒柔轮谐波减速器传动要求 的基础上，对柔轮进行了结构设计，并设计了成型柔轮 的注塑模具。 柔轮的２～３倍，此次壁厚设计为金属柔轮的２倍，其 他参数参照金属柔轮计算得到＿６］，最终设计的塑料柔 轮结构如图４所示，经三维造型后如图５所示。 １谐波齿轮减速器性能指标 某型号短筒柔轮谐波齿轮减速器的主要性能指标 为：轮齿间传动比（ ）为１００，回转波数（ ）为２，电机回 转速度为３０００ ｒ／ｍｉｎ，柔轮输出转矩（ 为５００ Ｎ・ｍ， 计划使用时间为３０００ ｈ，环境最高温度为６Ｏ℃，无冲 击载荷，采用初始润滑，一天工作８～１０ ｈ。传动方案 拟定为２波谐波运转机构，其中刚轮固定，偏心圆盘波 发生器作为输入部件，筒形柔轮作为输出部件［５－６￣。 ２柔轮结构设计 ２．１柔轮材料的选择 图３谐波传动承载能力图 Ｆｉｇ．３ Ｔｏｒｑｕｅ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｐｌｉｎｅ 柔轮是变形复杂的薄壁元件，而聚酰胺６６的力学 性能优良，拉伸性能和抗热老化性能好，又能在较高温 度中连续使用，故根据柔轮的工作环境、负载和设计要 求，选定聚酰胺６６为谐波柔轮的材料，其成型收缩率 设计为１．５ 。 ２．２柔轮齿形参数计算 表１柔轮齿形几何参数计算 Ｔａｂ．１ Ｇｅｏｍｅｆｆｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ｔｏｏｔｈ ｓｈａｐｅ 如图２所示为柔轮基本结构，分度圆直径（ ）、波 高（ ）和齿数（ＺＲ）是柔轮基本尺寸，由Ｍ一５００ Ｎ・ｍ、 』 ｉ一 ＝＝＝１００和图３的谐波传动承载能力图，确定 “ ｄＲ一１５０ ｍｍ、ｄ一１．５ Ｆｉｌｍ、 一２、ＺＲ一２００。其他主要 参数计算如表１所示。 图２柔轮基本尺寸 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ２．３柔轮结构的确定 图４塑料柔轮结构（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ 为了满足强度要求，塑料柔轮的壁厚一般为金属 ・１０２・ 塑料偕波齿轮柔轮的结构和模具设汁 形，其直径为７ ｍｍ，长为３２ ｍｍ，冷料贮存采用Ｚ头冷 料穴，直径为１０ ｍｍ，其结构如图８所示。按照浇注系 统设计，在Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件中建模，对产品进行充填分 析，分析结果如图９所示。从结果看，产品能够顺利充 填，无明显滞流现象，说明浇注系统设计合理。 冈５塑料柔轮二维造型 Ｆｉｇ．５ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ３模具设计 ３．１分模操作 产品结构为筒形结构，没有侧孔和倒扣结构，无需 没计行位或斜顶结构，故模具主分型面选择在柔轮最 大轮廓处，位置如图６所示。另外由于柔轮顶面有 ６个圆孔，故从便于制造和排气的角度考虑，成型圆孔 位置设计为镶件ｌ－ 。模具要求１模２腔，经三维软件 分模后如图７所示。 图８浇注系统设计（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ 填充时间 ＝２ Ｉ８７ Ｓ Ｓ ２ ８７● ｌ ６４０ ｆ ０９３ ０ ５４６６ ｎ－ 图６柔轮分型面的选择 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｐａｒｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ 图９充填分析 Ｆｉｇ．９ Ｆｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ３．３顶出系统设计 仁 为了保证塑件变形量较小，顶出设计为圆形顶针 顶出，其生产加工容易，成本也较低，顶针直径为 １２ ｍｍ，每个产品由５个顶针顶出，沿产品中心以及四 周均匀分布，其分布如图ｌ０所示。该产品高度为 １４２．５ ｍｍ，根据产品顶出距离为产品高度＋安全距离 为５～１０ ｍｍ ］，本次设计的顶出行程为１６０ ｍｍ，如图 １１所示。 图７柔轮分模图 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｐａｒｔｉｎｇ ｍｏｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｅｘｓｐｌｉｎｅ ３．４冷却系统设计 根据零件的结构和排布，定模采用两侧直流式和 顶部串联式相结合的水路，直流式水路水道直径为 ８ ｍｍ，水路间距为４０ ｍｍ。由于筒体内部尺寸较大， 动模产品内部的冷却采用双向水道排列，水路直径为 ８ ｍｍ，水路到模仁边界的距离设计为４３ ｍｍ。设计的 ３．２浇注系统设计 考虑到模具成本和产品结构，本次模具采用两板 模结构，圆形侧浇口进胶，这样对产品的表面品质影响 小，浇口设计长为２ ｍｍ，直径为ｌ ｍｍ，分流道采用圆 中 国塑料 图１Ｏ顶针的长度和排列分布（ 位：ｍｍ） Ｆｉｇ．１ ０ Ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ￣ｅｃｔｏｒ ｐｉｎ 图ｌ４冷却水路布局形式 Ｆｉｇ．１，ｔ Ｆｈｅ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 件 动 一 —— ● ３．５模具装配 如图１５所示为该产品的模具装配图。注塑机注 动 奠 顶针 ： 一—射熔融塑料。通过浇注系统将塑料充满模具型腔，经水 —— ／ ／ — ／ ／ 路冷却后，模具沿分型面打开，塑料柔轮在动模仁的带 动下，沿动模一起打开。待下顶针板接触注塑机顶棍 后，模具顶出机构开始工作，带动上下顶针板及顶针顶 出制品和浇注系统凝料。待取出产品和凝料后，模具 重新合模。进行循环生产。 ｌｍ Ｉ ｌ ‘ ２ ｌ 【 卜城 ＿十彼 ｌ动模底橱 ｌ ｌ ｑ 图１１顶出行程示意图（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．１ ｌ Ｔｈｅ ｅｊｅｃｔｏｒ ｓｔｒｏｋｅ ｓｋｅｔｃｈ 冷却水道在Ｍｏｌｄｆｌｏｗ中二维建模如图１２、１３所示，整 ／ 冒 ０＇ ｌ ｌ／／／／／／ ／ 个水路在模具中的布局如 ｌ４所示。经分析该水路 设计可以有效达到冷却的目的，使柔轮内径的变形量 小于０．３ ｍｍ，满足柔轮内径公差的要求『 Ｊ。 Ｉ ｌ。 ｆ 】！Ｌ！ｌ！ ・ 【 Ｉ・Ｉｒ／ 一， 一 一 一 一 ／ 一 一 一 —— ／ ／ ＇ｒ １ ｒ 、ｒ ｒ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ定模鹰板６冷却水道１１垫板２浇口套７定模仁３¨定位环８顶针４定模扳５镶件 ９拉料杆１（）定模ｆ ｌ２上顶针板ｌ３下顶针板１＿４垃圾钉 图ｌ５装配模具 １２定模部分水路设汁 Ｆｉｇ．１ ２ Ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｍｏｌｄ Ｆｉｇ．１ ５ Ｔｈｅ ｍｏｌｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｉｇｕｒｅ ４ 结论 （１）对塑料谐波齿轮柔轮进行了结构设计．并在此 基础上对柔轮进行了注塑模具设计； （２）在模具设计过程中，运用ＣＡＥ分析软件验证 －ｒ浇注系统设计的合理性．并通过冷却系统设计，实现 了该塑件的合理冷却； １３动模部分水路设计 Ｆｉｇ．１ ３ Ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｍｏｌｄ （３）该模具结构简单．能够较好地满足谐波齿轮的 设计和使用要求。 ・１０４・ 塑料谐波齿轮柔轮的结构和模具设计 参考文献： ［１］范又功，曹炳和．谐波齿轮传动技术手册［Ｍ］．北京：机械 ］ Ｉ 出版社，１９８５：３６—６６． 欧阳志喜．石照耀．塑料齿轮设计与制造［Ｍ］．北京：化学 工业出版社，２０１ １：８－２６９． 机械设计手册编委会．机械设计手册．轮系［Ｍ］．第４ 版．北京：机械工业出版社．２００７：ｌ７—１５６． Ｊｏｈａｎ Ｄ，Ｋａｙｈ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｆｉｍｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｐ— ｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｕｎｄｅｒ ［２］摧博文，沈允文．谐波齿轮传动的接触状态分析及侧隙计 算［ｊ］．机械科学与技术，１９９６，１５（４）：５６９—５７２． Ｃｕｉ Ｂｏｗｅｎ．Ｓｈｅｎ ＹｕｎｗｅｒＬ Ｔｏｏｔｈ Ｃｏｎｔａｃｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈａｒ— ｍｏｎｉｃ（；ｅａｒ Ｄｒｉｖｉｎｇ ａｎｄ Ｂａｃｋｌａｓｈ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉ— ｃａ［Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６．１５（４）：５６９—５７２． Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔ ｉｏｎａ［Ｊｏｕｒ ｎａｌ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅ— ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２０００．１９（２）：４２０—４２５． ［３］ｆ１艳红．杨育林． 料谐波齿轮传动的试验研究［Ｊ］．机械 设计与研究．２００１，１７（３）：７Ｏ一７１． Ｙａｎ Ｙａｎｈｏｎｇ。Ｙａｎｇ Ｙｕｌｉｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ Ｏ１３．Ｐｌａｓｔｉｃ 付宏生，刘京华．注塑制品与注塑模具设计［Ｍ］．北京：化 学工业出版社．２００３：７２—８０． Ｈａｍｌｏｎｉｃ Ｇｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ． ２００１．】７（３）：７０～７１． 塑料模设汁手册编写组．塑料模设计手册［Ｍ］．第３版． 北京：机械工业出版社．２００２：１６７—１７Ｏ． ］ ］ ］ ］ ］ 育、消费电子和汽车等领域。阿科玛中国张家港基地（江苏省）主要生产生物源特种聚酰胺，阿科玛目前正不断提 升该基地的复合产能。到２０１７年．阿科玛将在基地内现有ＰＡｌ０工厂基础上，投产两条Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌ１生产线。 Ｒｉｌｓａｎ ＰＡｌｌ出众的冲击性性、耐化学腐蚀性、轻质及易加工的特性，使其成为优选材料，以满足客户在汽车、消费 电子和体育用品领域的特殊需求。近年来．阿科玛对张家港基地不断投资。加之阿科玛旗下Ｒｉｌｓａｎ 品牌生物源 聚酰胺产品在亚洲工厂生产的灵活性，阿科玛正在显著加强在该领域的供货能力。阿科玛将继续投资于本地资 源．以满足全球客户的需求。在美国，阿科玛在其宾夕法尼亚州伯兹伯勒基地的新投资，将为体育用品和电子产品 市场生产新型Ｐｅｂａｘ＂生物源级别产品。此举将完善阿科玛Ｐｅｂａｘ＂热塑性弹性体产品种类，特别提升其轻质、抗冲 击性、坚固度和－－４０ Ｃ低温下的高柔韧性等特性。这些举措也将助力阿科玛进一步研究和发展轻质材料、材料设 ｉ１‘、电子产品解决方案和生物源产品等。阿科玛集团在欧洲、亚洲和美国均拥有生产基地及研发设施，可以为商业 伙伴提供高端的技术产品及一流的当地物流服务。作为世界领先的高科技聚合物生产商，阿科玛为客户广泛提供 各种创新材料，包括Ｒｉｌｓａｎ”、Ｐｅｂａ￣和Ｋｙｎａｒ 等国际知名品牌。 专吣Ｃ
