二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 瑜

（廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

多物料（多色）注塑成型是一種變化多樣且日益流行的注塑成型工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)多組分塑料制品的設(shè)計(jì)靈活性，且具有極大的成本優(yōu)勢(shì)。多物料注塑成型通過特殊的模具設(shè)計(jì)，將一種聚合物注塑結(jié)合到另一種已成型的聚合物上，可以得到最佳的多組分制品性能，減少或消除傳統(tǒng)二次組裝、粘接或焊接工藝所造成的生產(chǎn)效率低下和產(chǎn)品缺陷。多物料注塑機(jī)具有特殊的結(jié)構(gòu)，配有變換模具工位的轉(zhuǎn)盤和針對(duì)不同膠料的多個(gè)射臺(tái)。

技術(shù)先進(jìn)的西方國(guó)家針對(duì)多物料注塑成型技術(shù)已有較為詳盡的介紹[1]，但對(duì)其在二板式注塑機(jī)上的高端應(yīng)用還較少提及，因此我國(guó)多物料注塑成型技術(shù)多集中于低端應(yīng)用領(lǐng)域。而設(shè)備的常見問題主要在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)上，如介質(zhì)泄露、運(yùn)轉(zhuǎn)精度差等。

隨著國(guó)內(nèi)注塑成型技術(shù)的發(fā)展，尤其是在汽配行業(yè)的推動(dòng)下，我國(guó)多物料注塑成型設(shè)備和模具均取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，部分企業(yè)更是脫穎而出，逐步邁向高端化。大機(jī)二板化、小機(jī)全電化是當(dāng)前的一個(gè)趨勢(shì)，而汽配行業(yè)對(duì)大型二板式注塑機(jī)的需求正處于爆發(fā)式增長(zhǎng)的階段，二板式多物料注塑機(jī)也因此成為高端應(yīng)用領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

本文作者介紹了一種二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)闡述旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)和精密可靠的防傾覆系統(tǒng)。

1 二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤

注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤主要分兩種，一種是垂直轉(zhuǎn)盤，另一種是水平轉(zhuǎn)盤[2]。其中垂直轉(zhuǎn)盤還可細(xì)分為垂直獨(dú)立轉(zhuǎn)盤[3]和垂直集成轉(zhuǎn)盤，獨(dú)立轉(zhuǎn)盤顧名思義就是可以靈活裝拆，但由于結(jié)構(gòu)厚度所限，無法滿足復(fù)雜模具對(duì)水、油、氣以及電信號(hào)的工藝和控制需求。集成轉(zhuǎn)盤則是與注塑機(jī)合模動(dòng)板設(shè)計(jì)為一體，本文作者介紹的則是二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)（如圖1中序號(hào)1所示）搭配行星減速機(jī)（如圖1中序號(hào)2所示）具有精度高、響應(yīng)快和控制穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，但成本相對(duì)較高；液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一般配合采用機(jī)械限位，也可以采用伺服閥來提高控制精度，大型注塑機(jī)廠商如恩格爾、海天采用液壓馬達(dá)+機(jī)械限位作為標(biāo)準(zhǔn)配置，將伺服電機(jī)+行星減速機(jī)作為高端選配項(xiàng)。

轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)還包括插銷和到位信號(hào)開關(guān)（圖2），戴國(guó)平等[4]介紹了電機(jī)和減速機(jī)的計(jì)算選型、控制系統(tǒng)和動(dòng)作邏輯，章錦雷等[5]介紹了編碼器液壓轉(zhuǎn)盤的控制方法。

圖1 二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤剖視圖

圖2 二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤主視圖

1.2 轉(zhuǎn)盤本體和轉(zhuǎn)盤心軸

轉(zhuǎn)盤本體（如圖1中序號(hào)4所示）和轉(zhuǎn)盤心軸（如圖1中序號(hào)5所示）是主要受力部件，在軸承（如圖1中序號(hào)6所示）選型上，因是承受徑向載荷且在開合模時(shí)必須允許軸向移動(dòng)，滾針軸承和雙列圓柱滾子軸承是此處的首選，受力分析如圖3所示。

由式Fa=G+Fb和Fb×Lb=G×La，可得Fa和Fb，因轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速低于20 r/min，故采用簡(jiǎn)化算法，取安全系數(shù)2，大軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr=2Fa，小軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr=2Fb。

曹淼龍等[6]利用有限元方法模擬和分析了注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力和位移。

圖3 轉(zhuǎn)盤心軸受力分析圖

2 轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)

對(duì)于復(fù)雜的模具系統(tǒng)，除了常見的抽芯所需的液壓油，還有吹氣、抽真空以及熱流道所需的模溫油或模溫水等，若采用傳統(tǒng)從轉(zhuǎn)盤心軸中心走軟管的方式（圖4），不僅無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的360°旋轉(zhuǎn)，且組數(shù)有限，軟管的使用壽命也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的扭曲和摩擦而大為縮短。

若采用市場(chǎng)上通用的滑環(huán)裝置，又無法滿足注塑機(jī)模具的復(fù)雜工藝要求，本文作者介紹的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)由低溫高壓段和高溫低壓段組成（圖5），低溫高壓段針對(duì)模具抽芯液壓油，同時(shí)也可用于吹氣和抽真空裝置，而高溫低壓段針對(duì)熱流道模溫油或模溫水，有效避免了高溫介質(zhì)對(duì)低溫介質(zhì)尤其是液壓油的影響。高溫低壓段采用氟橡膠材質(zhì)的星型密封圈（如圖5中序號(hào)1所示），低溫高壓段采用聚氨酯材質(zhì)的旋轉(zhuǎn)格萊圈（如圖5中序號(hào)2所示），為了避免密封圈失效時(shí)介質(zhì)混流，尤其是防止水混入油中，不同介質(zhì)之間設(shè)計(jì)兩道密封，并增設(shè)卸流口（如圖5中序號(hào)4所示）。旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的固定軸套和旋轉(zhuǎn)軸體之前采用深溝球軸承（如圖5中序號(hào)3所示），保證同軸配合，進(jìn)而確保密封穩(wěn)定可靠。

圖4 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤配管示意圖

圖5 轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于二板式注塑機(jī)，由于沒有肘桿機(jī)構(gòu)在空間上的限制，其動(dòng)板內(nèi)部及背部空間均可用于旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所能容納的介質(zhì)組數(shù)為高端雙色模具技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐，同時(shí)也是開發(fā)多工位轉(zhuǎn)盤的關(guān)鍵技術(shù)前提。旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)如圖6和圖7所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的模具接口結(jié)構(gòu)

圖7 旋轉(zhuǎn)連接系統(tǒng)的外部接口結(jié)構(gòu)

3 轉(zhuǎn)盤防傾覆系統(tǒng)

由圖3可知，注塑機(jī)垂直轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)其實(shí)是懸臂結(jié)構(gòu)，不可避免地存在側(cè)傾問題，趙浩杰等[7]等雖然從關(guān)鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙幾個(gè)角度分析了轉(zhuǎn)盤的側(cè)傾問題，并從中提出優(yōu)化措施，但實(shí)際操作難度較大，并沒有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上給出穩(wěn)定可靠的解決方案。

通過在動(dòng)板碼模面和轉(zhuǎn)盤背面之間設(shè)計(jì)碟形彈簧裝置（如圖8即圖1中放大視圖I所示）和滾針凸輪導(dǎo)向裝置（圖2），構(gòu)成轉(zhuǎn)盤防傾覆系統(tǒng)。圖8中序號(hào)1所示為碟形彈簧，提供高壓鎖模后將轉(zhuǎn)盤推離動(dòng)板所需的彈力，保證轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)與動(dòng)板之間有一定的間隙，間隙的大小由碟形彈簧組的壓縮變形量即允許的轉(zhuǎn)盤傾覆量而定；圖8中序號(hào)2所示為調(diào)整墊片，其厚度影響碟形彈簧組的預(yù)壓縮量，預(yù)壓縮量越大，彈力也越大，則轉(zhuǎn)盤的傾覆量越?。ㄓ捎跐L針凸輪導(dǎo)向裝置的軸向限位，當(dāng)?shù)螐椈山M的預(yù)緊力足夠大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)零傾覆），但同時(shí)轉(zhuǎn)盤所受到的摩擦力也越大，進(jìn)而需要扭矩更大的驅(qū)動(dòng)裝置，因此需衡量具體模具所要求的傾覆精度和成本的關(guān)系，決定所設(shè)計(jì)的預(yù)壓縮量；圖8中序號(hào)3所示為自潤(rùn)滑耐磨片，減小轉(zhuǎn)盤與碟形彈簧裝置之間的摩擦力。

圖2所示滾針凸輪導(dǎo)向裝置相對(duì)傳統(tǒng)的壓板結(jié)構(gòu)，采用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，噪聲小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，潤(rùn)滑要求不高，維護(hù)簡(jiǎn)單。

由于大扭矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本高昂，綜合考慮，所介紹的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下碟形彈簧不預(yù)緊的方案，并選用剛度較大的碟形彈簧（也可采用增加碟形彈簧組數(shù)的方案），通過受力設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用表明，對(duì)于1 000 t二板式注塑機(jī)模具，傾覆量即轉(zhuǎn)盤與動(dòng)板之間的上下間隙之差小于或等于0.1 mm時(shí)，可滿足快速開合模的要求，而最終高壓鎖模時(shí)，由于鎖模力遠(yuǎn)大于蝶形彈簧裝置的作用力，傾覆量被消除，不會(huì)對(duì)模具的生產(chǎn)精度和壽命造成影響。圖9是防傾覆系統(tǒng)的受力分析圖，力矩平衡方程如下：

其中，F(xiàn)為蝶形彈簧裝置的作用力，F(xiàn)′為滾針凸輪導(dǎo)向裝置對(duì)轉(zhuǎn)盤的作用力（屬于被動(dòng)力）。當(dāng)均設(shè)計(jì)為一組 ， 且 L=L′時(shí) ， 此 時(shí) F=F′， 可 得 簡(jiǎn) 化 方 程F1×L1=G×L0，由F1可對(duì)蝶形彈簧和滾針凸輪導(dǎo)向器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

防傾覆系統(tǒng)作為一種可控的結(jié)構(gòu)方案，不僅從原理上解決了轉(zhuǎn)盤和模具的側(cè)傾問題，還可以對(duì)關(guān)鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙等因素造成的側(cè)傾進(jìn)行設(shè)計(jì)補(bǔ)償，有效避免了轉(zhuǎn)盤和動(dòng)板之間的摩擦，保證雙色模具開合模的動(dòng)作精度。

圖8 碟形彈簧裝置結(jié)構(gòu)

圖9 防傾覆系統(tǒng)受力分析圖

4 結(jié)束語

在已有注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤研究的基礎(chǔ)上，介紹了一種穩(wěn)定可靠的二板式注塑機(jī)垂直集成轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，可滿足復(fù)雜多物料注塑成型的工藝要求，尤其對(duì)我國(guó)龐大的汽配市場(chǎng)走向高端化具有重要意義。