劉 峙

（許昌技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，河南許昌 461000）

1 引言

硅橡膠具有較好的高、低溫性能，它能夠在-70℃～200℃之間仍能保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且力學(xué)性能無明顯變化。特別是硅橡膠還具有優(yōu)異的絕緣性能、耐電暈性、耐電弧性以及很強(qiáng)的耐候性，在氧、臭氧、紫外線、油、化學(xué)試劑等惡劣的戶外環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的物理機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性能以及電性能，并且硅橡膠無毒、無味、無嗅，不與人體組織發(fā)生粘連，很少會(huì)對(duì)肌體組織產(chǎn)生反應(yīng)。因?yàn)楣柘鹉z如此優(yōu)異的特性，現(xiàn)被廣泛用作高壓電器設(shè)備絕緣件制作的原材料。下面以某型號(hào)高壓互感器外絕緣護(hù)套的壓制成型模具為例，介紹具有非垂直結(jié)構(gòu)特征的硅橡膠壓制模具設(shè)計(jì)以及解決模具中一些非垂直結(jié)構(gòu)特征加工難題的技巧。

2 案例來源

某高壓電器生產(chǎn)企業(yè)，主營(yíng)產(chǎn)品高壓互感器，生產(chǎn)中需要大量配套的高壓互感器絕緣外護(hù)套作為互感器的絕緣保護(hù)，耐受110KV以上高壓甚至350KV的瞬間高電壓，這需要具有對(duì)地、對(duì)設(shè)備和對(duì)自然界生物具有絕對(duì)安全的絕緣防護(hù)措施。目前，針對(duì)高壓互感器設(shè)備絕緣防護(hù)套通常采用硅橡膠全包絡(luò)設(shè)計(jì)，這種高壓互感器全包絡(luò)硅橡膠護(hù)套的制作一般有兩種方法：一是采用液體硅橡膠注射模具成型的方式；二是采用混煉型硅橡膠（又稱為固態(tài)硅橡膠）壓制模具成型。因固態(tài)硅橡膠比液態(tài)硅橡膠價(jià)格上要便宜很多，且兩種不同形態(tài)的原材料加工后成品的各項(xiàng)性能指標(biāo)相差不是很大，因此很多電器絕緣件生產(chǎn)企業(yè)都采用了物美價(jià)廉的混煉型硅橡膠利用壓制模具壓制成型的辦法來生產(chǎn)高壓電器設(shè)備的外絕緣護(hù)套。

市面常見某型號(hào)高壓互感器產(chǎn)品外觀圖及外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電器外圍所包絡(luò)棕褐色結(jié)構(gòu)件為高壓互感器絕緣護(hù)套，材質(zhì)為硅橡膠，作用主要起絕緣、隔弧等作用。圖2所示為本案某公司自行設(shè)計(jì)的高壓互感器的絕緣護(hù)套產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，該產(chǎn)品材質(zhì)為硅橡膠，總體尺寸為345×235×125mm，壁厚為5mm。該產(chǎn)品外形像一個(gè)倒扣的“澡盆”，最突出的結(jié)構(gòu)特征為“澡盆”底有兩個(gè)與水平面成77.5°的圓柱筒。

圖1 某型號(hào)高壓互感器產(chǎn)品外觀圖和外形全結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某型號(hào)高壓互感器絕緣護(hù)套產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖

3 模具整體情況

針對(duì)該絕緣護(hù)套外形及結(jié)構(gòu)特征，所設(shè)計(jì)的該護(hù)套壓制模具裝配圖如圖3所示。

圖3 絕緣護(hù)套壓制模具裝配圖

3.1 模具結(jié)構(gòu)

該副模具按照使用功能結(jié)構(gòu)特征，共分成6個(gè)部分，從上向下依次為上模墊板、上模板、上模芯、上模芯拼塊、下模腔、下模墊板。上模墊板、上模板和上模芯之間采用內(nèi)六角螺釘聯(lián)結(jié)，上模墊板與四立柱液壓機(jī)的壓排相連。下模腔用內(nèi)六角螺釘固定在下模墊板上，為了脫模方便，上模芯拼塊從下模腔底部?jī)呻姌O孔穿過，用內(nèi)六角螺釘固定在下模墊板上。

整副模具6個(gè)基本組成部分中，上模芯、上模芯拼塊和下模腔采用40Gr材質(zhì)，其它部位均采用45鋼。

為了確保硅橡膠壓制后產(chǎn)品的質(zhì)量、精度和壓制過程中上下模具的位置精度，在上下模具上設(shè)置4副定位導(dǎo)柱套結(jié)構(gòu)。

本壓制模具采用40t四柱三梁液壓機(jī)，該型號(hào)液壓機(jī)公稱壓力為400kN，系統(tǒng)壓力為25MPa，最大行程280mm，最大開口400mm，工作臺(tái)600×500mm。

3.2 模具中非垂直結(jié)構(gòu)特征元素

這樣的模具結(jié)構(gòu)在模具設(shè)計(jì)行業(yè)算是常見通用型，屬于典型的上下結(jié)構(gòu)。但是該模具中存在有兩處與上下模板不垂直的結(jié)構(gòu)特征，這是區(qū)分一般模具的地方，屬于非典型性結(jié)構(gòu)。如圖4所示，上模芯設(shè)計(jì)圖中，上模芯底部有兩處圓柱形凸起，凸起的兩圓柱體直徑為?61.5mm，這兩處圓柱形凸起與上模芯整體輪廓結(jié)構(gòu)不相垂直，且凸起的圓柱體中心線與上模芯豎直中心線呈12.5°的夾角，兩凸起圓柱體距離上模板頂面中心點(diǎn)的位置相距115.8mm，凸起底平面離上模板垂直高度為158.3mm，上模板高度為29.8mm。為了產(chǎn)品使用功能、外觀及脫模需要，上模芯摒棄尖角和直角設(shè)計(jì)，大多數(shù)的過渡位置都采用圓弧和過渡圓角處理。

圖4 上模芯設(shè)計(jì)圖

圖5所示為模具下模腔的設(shè)計(jì)圖，包含了下模腔的主視圖、俯視圖、左視圖和仰視圖，其中主視圖和左視圖為了看清內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，采用了全剖視圖的表達(dá)方式。仰視圖重點(diǎn)表達(dá)下模板與下模腔之間的聯(lián)結(jié)示意，其它三幅圖重點(diǎn)表達(dá)下模腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是與上模芯配套的兩處與整體結(jié)構(gòu)不垂直的圓柱形腔體的示意圖。A、B兩圓柱形腔體直徑為?71.76mm，兩圓柱形腔體中心線夾角為25°，與下模腔體中心線呈12.5°的夾角，模具的主要結(jié)構(gòu)特征與模具體的主要輪廓呈非垂直關(guān)系，這是這副模具中最為突出的結(jié)構(gòu)特征。

圖5 下模腔設(shè)計(jì)圖

4 模具中非垂直結(jié)構(gòu)特征元素的加工分析

為了保證電壓互感器護(hù)套產(chǎn)品的使用性能、結(jié)構(gòu)功能、產(chǎn)品的制造成本以及產(chǎn)品外觀等要素，模具設(shè)計(jì)考慮通過模具壓制一次性成型，盡量減少護(hù)套產(chǎn)品的二次加工。所以在模具設(shè)計(jì)時(shí)很多關(guān)鍵配合部位的表面粗糙度值要求都比較低，很多電極接觸面，模具制造要求達(dá)到Ra0.8μm，一些非關(guān)鍵配合部位表面粗糙度值也要求在Ra3.2μm以上，非配合表面粗糙度值為Ra6.3μm。

模具上模芯和下模腔，均存在兩處與主要輪廓呈一定夾角關(guān)系的形狀特征，這些非垂直的圓柱凸起和圓柱形腔體的中心線與模具體中心線呈12.5°的夾角，與模具體的上下墊板呈77.5°的夾角，這些非垂直性表面結(jié)構(gòu)特征是整副模具加工的難點(diǎn)。

4.1 加工難點(diǎn)

模具體中大多數(shù)的待加工輪廓結(jié)構(gòu)都是與機(jī)床工作臺(tái)保持垂直或水平的位置關(guān)系，包括模具體中的一些圓弧結(jié)構(gòu)特征的待加工部位，對(duì)于數(shù)控銑床或者普通加工中心來說都是可以通過圓弧加工程序正常解決的。但是模具中一些與模具體主要輪廓呈非垂直結(jié)構(gòu)特征的待加工表面，再加上這些待加工表面還有很高的粗糙度要求，這是機(jī)械加工的難點(diǎn)。

目前，模具制造通常采用以下3種方式：第一，是模具鉗工+手工制作的方式（這種模具制造方式費(fèi)時(shí)費(fèi)工，生產(chǎn)效率很低，通常用于單件模具的修護(hù)等，此種工藝在工業(yè)生產(chǎn)中基本已淘汰）；第二種方式為利用普通車、銑、鉆、鏜等方式完成，或者利用數(shù)控銑削或數(shù)控加工中心等數(shù)控智能型設(shè)備來完成，這種方式一般適合中小型企業(yè)；第三種利用5軸或5軸以上的加工中心的智能機(jī)床設(shè)備來加工。這種工藝主要存于大中型模具生產(chǎn)企業(yè)或者專門從事機(jī)械加工制造企業(yè)，因?yàn)橐慌_(tái)5軸或5軸以上的加工中心設(shè)備的價(jià)格都在百萬以上，有的甚至高達(dá)數(shù)百萬，并且這類機(jī)床的附件配置下來也需要十幾萬甚至幾十萬，這不是一般的企業(yè)所能承受的。

承擔(dān)高壓互感器護(hù)套生產(chǎn)任務(wù)的企業(yè)，屬于中小型電器生產(chǎn)企業(yè)，具有一般機(jī)械加工能力，配置有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、普通銑床、鉆床、數(shù)控鏜床等通用機(jī)械加工設(shè)備，這也是現(xiàn)代中小型機(jī)械加工企業(yè)或電氣設(shè)備制造企業(yè)的典型設(shè)備配置（高檔設(shè)備的利用率低，產(chǎn)品制造成本太高）。一般這類企業(yè)使用的模具和工裝夾具都是有金工車間或者模具車間利用現(xiàn)有設(shè)備自行制造完成，基本能滿足本企業(yè)生產(chǎn)需求。

普通數(shù)控銑床和3軸或3軸半加工中心，刀具相對(duì)于工作臺(tái)只能按照上下、前后、左右的方向移動(dòng)，刀具以Z軸為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，甚至有些機(jī)床的工作臺(tái)還能相對(duì)于XY平面實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，這一類CNC機(jī)床的刀具一般都不能實(shí)現(xiàn)相對(duì)于XYZ軸的傾斜旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)于本案中非垂直的圓柱形凸起和非垂直圓柱形腔體的加工則顯得束手無策。

4.2 解決思路

針對(duì)非垂直結(jié)構(gòu)特征機(jī)械形體的加工，業(yè)內(nèi)常用有3種解決辦法：一種辦法是制作鑲塊，把圓柱體凸起和圓柱體型腔，切挖出來，單獨(dú)加工好后，再焊接或裝配到整個(gè)模具體上；第二種辦法就是購(gòu)買5軸或5軸以上加工中心，利用高檔智能型機(jī)床進(jìn)行加工；第三種辦法就是利用墊鐵把非垂直性結(jié)構(gòu)調(diào)整為與CNC機(jī)床工作臺(tái)水平或者垂直的位置狀態(tài)，滿足加工需求。

對(duì)比以上3種解決辦法，第一種模具壓制過程中焊接的鑲塊或機(jī)械裝配上的鑲塊很難承受住幾百千牛壓力和數(shù)十兆帕壓強(qiáng)，且鑲塊裝配時(shí)兩連接件之間會(huì)存在一定的不平度，在壓制過程中，嚴(yán)重影響高壓互感器絕緣護(hù)套的產(chǎn)品質(zhì)量，甚至?xí)档徒^緣護(hù)套的機(jī)械力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性能，無法滿足產(chǎn)品的使用性能要求。第二種加工方法，需要購(gòu)買昂貴的高檔機(jī)床加工設(shè)備，一般企業(yè)都不愿意進(jìn)行此項(xiàng)投資。第三種方法通過制作工裝或墊鐵，對(duì)待加工部位進(jìn)行調(diào)整找平。因此，第三種加工方案則顯得簡(jiǎn)單易行，并且具有很強(qiáng)的可操作性。

5 模具體非垂直結(jié)構(gòu)特征機(jī)械加工輔助工裝的設(shè)計(jì)與制造

根據(jù)以上的分析，此種具有非垂直結(jié)構(gòu)特征模具體的加工，最好的方式就是利用墊鐵把非垂直的結(jié)構(gòu)特征墊平，利用水平儀和百分表進(jìn)行找正，然后利用數(shù)控銑床或者普通加工中心完成機(jī)械加工。此種解決方案的設(shè)計(jì)靈感來源于正弦規(guī)工作原理。圖6所示為根據(jù)此靈感設(shè)計(jì)的模具非垂直結(jié)構(gòu)特征機(jī)械加工的輔助工裝。

圖6 模具非垂直結(jié)構(gòu)特征機(jī)械加工輔助工裝

此工裝設(shè)計(jì)共分上中下3個(gè)部分，最下邊一部分為固定旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)，用螺栓固定在CNC機(jī)床工作臺(tái)上；中間一部分半圓柱體形狀為可旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)，這一部分放置在最下部固定滑臺(tái)與半圓柱體等徑的半圓柱體凹槽內(nèi)，通過緊定螺釘和定位柱銷實(shí)現(xiàn)下部與中部的精確定位聯(lián)結(jié)；最上邊部分為固定平板，主要作用是實(shí)現(xiàn)與上模芯大平面或下模腔下平面的聯(lián)結(jié)。此輔助工裝采用45鋼。

此輔助工裝在使用時(shí)，首先把輔助工裝的最下部固定在CNC機(jī)床的工作臺(tái)上合適的位置，用螺栓進(jìn)行固定；第二步放置工裝中部可轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)到工裝最下部的圓柱體凹槽內(nèi)，并調(diào)整到前后兩端平齊的位置；第三步把最上部的固定平板通過內(nèi)六角螺釘固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)上；第四步把待加工上模芯或下模腔固定在此工裝最上邊的固定平板上；第五步對(duì)工裝中部可轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)部分進(jìn)行位置調(diào)整，利用百分表、水平儀等輔助工量具，對(duì)非垂直特征結(jié)構(gòu)待加工位置進(jìn)行找正，讓兩處非垂直結(jié)構(gòu)待加工圓柱體（或圓柱腔體）中心線調(diào)整到相對(duì)于機(jī)床工作臺(tái)呈垂直狀態(tài)；第六步利用緊定螺釘和定位銷釘對(duì)可轉(zhuǎn)動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行固定，確保機(jī)械加工過程中的待加工零件不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。經(jīng)過這六步對(duì)輔助工裝的調(diào)整即可滿足數(shù)控銑床或普通加工中心此模具體中非垂直結(jié)構(gòu)部位的加工。

6 結(jié)束語

在模具制造中，一些非垂直性結(jié)構(gòu)特征的機(jī)械加工，一直以來都是中小型機(jī)械制造企業(yè)無法回避的難題，這類特征結(jié)構(gòu)的零部件加工難度很大，尺寸精度和形位公差不好保證，加工后的表面質(zhì)量也很難達(dá)到要求。本例中，針對(duì)這一類特征結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械加工，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一副非常實(shí)用的工裝，輕松解決了這一技術(shù)難題，并且操作使用相當(dāng)簡(jiǎn)便，加工質(zhì)量非?？煽浚圃斐杀疽脖容^低廉，非常值得推廣。