高 瑜
(廣東省機械研究所,廣東廣州 510635)
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,能夠實現多組分塑料制品的設計靈活性,且具有極大的成本優(yōu)勢。多物料注塑成型通過特殊的模具設計,將一種聚合物注塑結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,減少或消除傳統二次組裝、粘接或焊接工藝所造成的生產效率低下和產品缺陷。多物料注塑機具有特殊的結構,配有變換模具工位的轉盤和針對不同膠料的多個射臺。
技術先進的西方國家針對多物料注塑成型技術已有較為詳盡的介紹[1],但對其在二板式注塑機上的高端應用還較少提及,因此我國多物料注塑成型技術多集中于低端應用領域。而設備的常見問題主要在轉盤機構上,如介質泄露、運轉精度差等。
隨著國內注塑成型技術的發(fā)展,尤其是在汽配行業(yè)的推動下,我國多物料注塑成型設備和模具均取得長足的進步,部分企業(yè)更是脫穎而出,逐步邁向高端化。大機二板化、小機全電化是當前的一個趨勢,而汽配行業(yè)對大型二板式注塑機的需求正處于爆發(fā)式增長的階段,二板式多物料注塑機也因此成為高端應用領域的一大熱點。
本文作者介紹了一種二板式注塑機垂直集成轉盤的結構設計,并重點闡述旋轉連接系統和精密可靠的防傾覆系統。
注塑機轉盤主要分兩種,一種是垂直轉盤,另一種是水平轉盤[2]。其中垂直轉盤還可細分為垂直獨立轉盤[3]和垂直集成轉盤,獨立轉盤顧名思義就是可以靈活裝拆,但由于結構厚度所限,無法滿足復雜模具對水、油、氣以及電信號的工藝和控制需求。集成轉盤則是與注塑機合模動板設計為一體,本文作者介紹的則是二板式注塑機垂直集成轉盤,具體結構如圖1所示。
轉盤驅動系統可分為電機驅動和液壓馬達驅動,伺服電機(如圖1中序號1所示)搭配行星減速機(如圖1中序號2所示)具有精度高、響應快和控制穩(wěn)定可靠的優(yōu)點,但成本相對較高;液壓馬達驅動一般配合采用機械限位,也可以采用伺服閥來提高控制精度,大型注塑機廠商如恩格爾、海天采用液壓馬達+機械限位作為標準配置,將伺服電機+行星減速機作為高端選配項。
轉盤控制系統還包括插銷和到位信號開關(圖2),戴國平等[4]介紹了電機和減速機的計算選型、控制系統和動作邏輯,章錦雷等[5]介紹了編碼器液壓轉盤的控制方法。
圖1 二板式注塑機垂直集成轉盤剖視圖
圖2 二板式注塑機垂直集成轉盤主視圖
轉盤本體(如圖1中序號4所示)和轉盤心軸(如圖1中序號5所示)是主要受力部件,在軸承(如圖1中序號6所示)選型上,因是承受徑向載荷且在開合模時必須允許軸向移動,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,因轉盤轉速低于20 r/min,故采用簡化算法,取安全系數2,大軸承的基本額定動載荷Cr=2Fa,小軸承的基本額定動載荷Cr=2Fb。
曹淼龍等[6]利用有限元方法模擬和分析了注塑機轉盤的應力和位移。
圖3 轉盤心軸受力分析圖
對于復雜的模具系統,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,若采用傳統從轉盤心軸中心走軟管的方式(圖4),不僅無法實現轉盤的360°旋轉,且組數有限,軟管的使用壽命也會因為長時間的扭曲和摩擦而大為縮短。
若采用市場上通用的滑環(huán)裝置,又無法滿足注塑機模具的復雜工藝要求,本文作者介紹的轉盤旋轉連接系統由低溫高壓段和高溫低壓段組成(圖5),低溫高壓段針對模具抽芯液壓油,同時也可用于吹氣和抽真空裝置,而高溫低壓段針對熱流道模溫油或模溫水,有效避免了高溫介質對低溫介質尤其是液壓油的影響。高溫低壓段采用氟橡膠材質的星型密封圈(如圖5中序號1所示),低溫高壓段采用聚氨酯材質的旋轉格萊圈(如圖5中序號2所示),為了避免密封圈失效時介質混流,尤其是防止水混入油中,不同介質之間設計兩道密封,并增設卸流口(如圖5中序號4所示)。旋轉連接系統的固定軸套和旋轉軸體之前采用深溝球軸承(如圖5中序號3所示),保證同軸配合,進而確保密封穩(wěn)定可靠。
圖4 傳統轉盤配管示意圖
圖5 轉盤旋轉連接系統結構
對于二板式注塑機,由于沒有肘桿機構在空間上的限制,其動板內部及背部空間均可用于旋轉連接系統的設計,所能容納的介質組數為高端雙色模具技術的發(fā)展提供了有力支撐,同時也是開發(fā)多工位轉盤的關鍵技術前提。旋轉連接系統的接口設計如圖6和圖7所示。
圖6 旋轉連接系統的模具接口結構
圖7 旋轉連接系統的外部接口結構
由圖3可知,注塑機垂直轉盤系統其實是懸臂結構,不可避免地存在側傾問題,趙浩杰等[7]等雖然從關鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙幾個角度分析了轉盤的側傾問題,并從中提出優(yōu)化措施,但實際操作難度較大,并沒有在結構設計上給出穩(wěn)定可靠的解決方案。
通過在動板碼模面和轉盤背面之間設計碟形彈簧裝置(如圖8即圖1中放大視圖I所示)和滾針凸輪導向裝置(圖2),構成轉盤防傾覆系統。圖8中序號1所示為碟形彈簧,提供高壓鎖模后將轉盤推離動板所需的彈力,保證轉盤在旋轉時與動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盤傾覆量而定;圖8中序號2所示為調整墊片,其厚度影響碟形彈簧組的預壓縮量,預壓縮量越大,彈力也越大,則轉盤的傾覆量越小(由于滾針凸輪導向裝置的軸向限位,當碟形彈簧組的預緊力足夠大時,可實現零傾覆),但同時轉盤所受到的摩擦力也越大,進而需要扭矩更大的驅動裝置,因此需衡量具體模具所要求的傾覆精度和成本的關系,決定所設計的預壓縮量;圖8中序號3所示為自潤滑耐磨片,減小轉盤與碟形彈簧裝置之間的摩擦力。
圖2所示滾針凸輪導向裝置相對傳統的壓板結構,采用滾動摩擦代替滑動摩擦,噪聲小,運轉平穩(wěn)可靠,潤滑要求不高,維護簡單。
由于大扭矩驅動系統成本高昂,綜合考慮,所介紹的轉盤系統采用旋轉狀態(tài)下碟形彈簧不預緊的方案,并選用剛度較大的碟形彈簧(也可采用增加碟形彈簧組數的方案),通過受力設計計算及實際應用表明,對于1 000 t二板式注塑機模具,傾覆量即轉盤與動板之間的上下間隙之差小于或等于0.1 mm時,可滿足快速開合模的要求,而最終高壓鎖模時,由于鎖模力遠大于蝶形彈簧裝置的作用力,傾覆量被消除,不會對模具的生產精度和壽命造成影響。圖9是防傾覆系統的受力分析圖,力矩平衡方程如下:
其中,F為蝶形彈簧裝置的作用力,F′為滾針凸輪導向裝置對轉盤的作用力(屬于被動力)。當均設計為一組 , 且 L=L′時 , 此 時 F=F′, 可 得 簡 化 方 程F1×L1=G×L0,由F1可對蝶形彈簧和滾針凸輪導向器進行設計選型。
防傾覆系統作為一種可控的結構方案,不僅從原理上解決了轉盤和模具的側傾問題,還可以對關鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙等因素造成的側傾進行設計補償,有效避免了轉盤和動板之間的摩擦,保證雙色模具開合模的動作精度。
圖8 碟形彈簧裝置結構
圖9 防傾覆系統受力分析圖
在已有注塑機轉盤研究的基礎上,介紹了一種穩(wěn)定可靠的二板式注塑機垂直集成轉盤系統,可滿足復雜多物料注塑成型的工藝要求,尤其對我國龐大的汽配市場走向高端化具有重要意義。