深海玻璃浮球模具、壓機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造

董為勇，徐 煒，溫家俊

(1.安徽凱盛基礎(chǔ)材料科技有限公司，蚌埠 233000；2.浮法玻璃新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蚌埠 233000)

深海玻璃浮球是一種獨(dú)特的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的可為在海洋環(huán)境下的電子設(shè)備的存儲(chǔ)提供浮力的產(chǎn)品。國(guó)外生產(chǎn)玻璃浮球的國(guó)家主要有美國(guó)的Teledyne Benthos，另外還有德國(guó)的SCHOTT DURAN，除此之外日本也有自己的玻璃浮球產(chǎn)品。

目前國(guó)外企業(yè)制造深海浮球時(shí)使用模具脫模制備的方法以保證玻璃浮球精度。每個(gè)半球邊緣均研磨至非常平整，當(dāng)用作浮球時(shí)這些半球先成對(duì)匹配，接著內(nèi)部抽真空至低于0.3個(gè)大氣壓，抽真空過(guò)后，先在半球連接處涂上密封劑然后纏上保護(hù)膠帶，以這種方式密封好的球在常壓下幾乎是不可能用外力打開(kāi)的，以直徑為432 mm的深海浮球?yàn)槔?，打開(kāi)需要超過(guò)880 kg的外力。

盡管玻璃浮球在過(guò)去的50多年里一直在深海技術(shù)中得到應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn)，一直在進(jìn)口國(guó)外的產(chǎn)品應(yīng)用在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)每年需要使用各種深海玻璃浮球達(dá)20 000個(gè)，而深海玻璃浮球的價(jià)格國(guó)外一般都在2 000美元/個(gè)，儀器浮球價(jià)格更能達(dá)到3 000美元/個(gè)。所以深海玻璃浮球的國(guó)產(chǎn)化制備迫在眉睫。

目前安徽凱盛基礎(chǔ)材料科技有限公司承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《玻璃球艙半球的成型技術(shù)和退火工藝》的研制工作，深海玻璃浮球制備時(shí)玻璃液的料滴參數(shù)、模具和壓機(jī)的設(shè)計(jì)以及半球的退火工藝都會(huì)對(duì)深海玻璃浮球的成型有關(guān)鍵性影響，作者通過(guò)半球成型工藝的研究從而對(duì)深海玻璃浮球的模具及壓機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造。

1 料滴溫度、粘度測(cè)定及合料模擬

1)料滴粘度系數(shù)的測(cè)定

目的：對(duì)即將熔融試驗(yàn)的玻璃液的狀態(tài)有一個(gè)理性的認(rèn)識(shí)。

試驗(yàn)：準(zhǔn)備300 g的高硼硅玻璃粉體，利用高溫粘度測(cè)試儀對(duì)其高溫粘度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

2)玻璃液熔融試驗(yàn)

目的：對(duì)即將去鳳陽(yáng)熔融試驗(yàn)的玻璃液的狀態(tài)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。并觀察冷卻的玻璃液與模具的粘連性。

試驗(yàn)：加熱至1 550 ℃，保溫2 h。如圖2所示。

3)料滴合料模擬

以432 mm尺寸的深海玻璃浮球舉例，由于單個(gè)半邊浮球質(zhì)量高達(dá)12.5 kg，球艙用半球質(zhì)量較大，難以通過(guò)單一料滴形式取料。該研究采用兩個(gè)料滴的方式進(jìn)行取料并加入模具中。采用Ansys PolyFlow軟件，對(duì)兩個(gè)玻璃料滴在模具內(nèi)的融合過(guò)程進(jìn)行了二維簡(jiǎn)化模擬分析。所采用的模型如圖3所示，兩個(gè)不同大小的球形玻璃料滴由不同高度加入模具內(nèi)，在重力作用下流到模具底部并相互融合。模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

根據(jù)料滴融合過(guò)程的二維模擬結(jié)果可知，料滴在重力作用下迅速流入模具底部，并相互接觸、融合，融合過(guò)程的最后階段耗時(shí)較長(zhǎng)，需要控制玻璃料滴溫度，加速融合過(guò)程的進(jìn)行，減小愈合痕的影響，確保玻璃料滴在模具底部形成完整的球缺形狀，保證后續(xù)玻璃半球壓制過(guò)程的成型精度。

2 浮球模具及壓機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造

根據(jù)玻璃液的粘度曲線及玻璃液融合過(guò)程的模擬及球艙用浮球玻璃組成、球艙結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)要求，分別對(duì)浮球的模具及壓機(jī)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.1 模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了如圖6所示的球艙玻璃半球壓制用模具，半球外徑432 mm、內(nèi)徑390 mm，模具加工精度±0.25 mm以下，以保證半球成型精度的嚴(yán)格要求。由于玻璃半球尺寸大，出模難度較大，在陰模底部設(shè)有頂出結(jié)構(gòu)。

普通玻璃模具一般采用球墨鑄鐵及球墨合金鑄鐵。特點(diǎn)：熱變形量小但不耐高溫易開(kāi)裂、易氧化對(duì)產(chǎn)品外觀有影響。高檔器皿模具一般用不銹鋼模具。特點(diǎn)：耐高溫不氧化、膨脹較大，對(duì)產(chǎn)品外觀尺寸控制較難?，F(xiàn)采用的模具材料需滿足確保產(chǎn)品尺寸符合設(shè)計(jì)要求：1)耐熱不變形。2)內(nèi)腔不氧化。3) 要承受20 t的機(jī)械壓力。4)要有良好的熱傳導(dǎo)性。5)采用合金鑄鐵主要成分鉬、鉻、銅、硅、鈦、鐵。

同時(shí)模具設(shè)計(jì)與加工需滿足如下條件：

1)因產(chǎn)品尺寸較大重量較重，成型溫度高，成型壓力大，下模設(shè)計(jì)模具壁厚50 mm。增加承載加強(qiáng)筋、加熱冷卻系統(tǒng)。

2)模具沖頭表面采用鎳基噴焊工藝，保證高溫不變形不氧化。內(nèi)部采用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

3)沖頭蓋板配合面也采用噴焊加工工藝。保證間隙配合確保產(chǎn)品規(guī)格尺寸。

4)底模配合尺寸控制0.1 mm,確保產(chǎn)品順利脫模。做好冷卻。

5)模具加工全部以數(shù)控加工為主，內(nèi)腔、沖頭、蓋板配合尺寸采用加工中心加工，保證加工精度。

而模具鑄造需同時(shí)具備如下條件：1)嚴(yán)格按照模具材料配方，加強(qiáng)爐前檢測(cè)，確保模具材質(zhì)。2)精密鑄造。3)內(nèi)腔采用冷鐵鑄造工藝，確保內(nèi)腔致密度。

生產(chǎn)工藝如下：

1)玻璃料用電爐熔化，電窯爐熔制工藝穩(wěn)定，能提供合格的玻璃液，給后期的產(chǎn)品成型提供極大便利。

2)原供料系統(tǒng)大都采用供料機(jī)供料，因產(chǎn)品重量23 kg目前國(guó)內(nèi)外無(wú)此大供料機(jī)，需采用多滴供料，使產(chǎn)品易產(chǎn)生折疊氣泡，降低產(chǎn)品強(qiáng)度及光學(xué)性。采取白金管流料供料，一次性完成供料。白金管耐高溫不氧化可通電加熱，有效的控制玻璃液溫度，給成型提供便利條件。

3)三工位全制動(dòng)壓機(jī)，沖頭壓力20 t以上。高硼玻璃粘度大流動(dòng)性差，只有大壓力方可成型。

4)火焰拋光增加產(chǎn)品表面光潔度通透性。

5)退火窯長(zhǎng)度60 m以上，確保產(chǎn)品應(yīng)力小于3級(jí)，保證產(chǎn)品不爆裂。為保證產(chǎn)品機(jī)械加工性能，需要進(jìn)行二次精退火，用精退火爐進(jìn)行36 h精退火，使應(yīng)力完全消失。

按圖紙要求，用加工中心完成機(jī)械加工，保證產(chǎn)品互換性。用1 000目金剛石研磨器完成口平面研磨，見(jiàn)圖7。

2.2 壓機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.2.1 壓機(jī)的設(shè)計(jì)

球艙用玻璃半球體積大、成型精度要求高，玻璃料滴的入模溫度與形態(tài)對(duì)成型有顯著影響，在加入玻璃料滴前需要對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱與保溫，壓機(jī)中需設(shè)置預(yù)熱機(jī)位和工作機(jī)位，以滿足半球壓制工藝過(guò)程的嚴(yán)格溫度控制需求。

在圖6所示模具設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，開(kāi)展了球艙玻璃半球壓制成型用壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖8所示。預(yù)熱機(jī)位設(shè)置有兩組噴槍分別對(duì)模具外側(cè)和內(nèi)側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，模具內(nèi)部設(shè)有測(cè)溫?zé)犭娕?，持續(xù)監(jiān)控模具溫度情況。當(dāng)模具預(yù)熱完成、玻璃料滴就位后，將模具移至工作機(jī)位，將玻璃料滴準(zhǔn)確放入陽(yáng)模底部，開(kāi)始半球壓制成型操作。陰模到達(dá)限定位置后，保壓一定時(shí)間，確保半球尺寸精確達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)監(jiān)控模具溫度，達(dá)到玻璃出模溫度后，將半球取出并置入退火爐中進(jìn)行精密退火操作。

2.2.2 玻璃半球壓制過(guò)程的模擬分析

球艙玻璃半球的壓制成型過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的傳熱與彈塑性變形的強(qiáng)耦合過(guò)程，其具有顯著的材料非線性和幾何非線性特征，且存在大變形。研究利用專業(yè)的粘彈性流體有限元CFD分析軟件Ansys PolyFLow對(duì)球艙半球壓制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到玻璃液的流動(dòng)情況，以期深入認(rèn)識(shí)模具設(shè)計(jì)思路以及玻璃半球成型質(zhì)量的影響因素。

2.2.3 球艙半球成型過(guò)程三維模擬

按照?qǐng)D9(a)所示球艙半球模具結(jié)構(gòu)尺寸，采用Ansys SpaceClaim前處理軟件建立了幾何模型，如圖9(b)所示，采用四面體網(wǎng)格劃分，設(shè)定相應(yīng)計(jì)算參數(shù)，壓制過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)為2 s。球艙半球壓制成型過(guò)程的PolyFlow模擬結(jié)果如圖10～圖12所示。

根據(jù)球艙玻璃半球等速壓制過(guò)程PolyFlow模擬結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)壓制成型過(guò)程中，玻璃液由陽(yáng)模底部被擠壓并逐漸填充滿陽(yáng)模與陰?？臻g，形成半球結(jié)構(gòu)。玻璃液流速在流動(dòng)前端最大；在壓制成型結(jié)束時(shí)，玻璃液內(nèi)部壓力趨于一致，有利于玻璃液充分填充模具空間，保證半球的成型精度。

經(jīng)過(guò)上述工作的準(zhǔn)備，我司已經(jīng)在2021年成功研制出了上述浮球，并在近日遠(yuǎn)赴南海進(jìn)行相關(guān)可靠實(shí)驗(yàn)。圖13～圖15分別為研制過(guò)程圖片介紹。

3 結(jié) 論

綜合上述，模擬分析能夠有效指導(dǎo)玻璃浮球模具及壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造，并通過(guò)理論參數(shù)結(jié)合實(shí)際的方法成功研制出深海用玻璃浮球，使得深海用玻璃浮球國(guó)產(chǎn)化、工業(yè)化成為可能。