橡膠射出機(jī)穿梭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元分析

石旭偉，蘭林，劉加斌

(無錫德士馬注射機(jī)械有限公司，江蘇 無錫 214000)

橡膠行業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，橡膠制品在汽車行業(yè)、醫(yī)療和日常生活等方面應(yīng)用十分廣泛，如密封圈、絕緣件、輪胎等[1]。目前，我國的橡膠制品多采用平板硫化機(jī)的模壓法進(jìn)行生產(chǎn)，隨著橡膠原材料及用工成本的上漲，平板硫化機(jī)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題日益凸顯。模壓法對形狀復(fù)雜，內(nèi)含金屬嵌件的產(chǎn)品也難以達(dá)到預(yù)期效果。

橡膠注射機(jī)是橡膠制品中的一種成型硫化設(shè)備，注射成型能夠簡化生產(chǎn)工序，提高膠料利用率，保證制品尺寸，提高成品率[2～3]。注射成型無需人工剪料，膠料經(jīng)螺桿塑化后，在注射壓力的作用下直接注入模具型腔內(nèi)。穿梭機(jī)構(gòu)則是在橡膠注射機(jī)的基礎(chǔ)上增加的輔助自動(dòng)化裝置，能夠縮短產(chǎn)品循環(huán)時(shí)間，提高機(jī)器的生產(chǎn)效率。本文所設(shè)計(jì)的滑出穿梭機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于電力行業(yè)直通接頭的生產(chǎn)。

1 穿梭機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維模型的建立

直通接頭的模具為四板模，底模固定于熱板，流道板固定在上提升器，型腔模固定在下提升器。直通接頭的型腔模具重約100 kg，熱板尺寸為525 mm×730 mm，產(chǎn)品嵌件不需要預(yù)熱。為提高機(jī)器的工作效率，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器的硫化時(shí)間內(nèi)進(jìn)行脫模及模具的清理工作，避免輔助工作時(shí)間影響整機(jī)的循環(huán)時(shí)間?？紤]到上述因素，將下提升器做成可穿梭形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖1。當(dāng)機(jī)器工位的型腔模具完成硫化后，型腔模移動(dòng)至工位1進(jìn)行產(chǎn)品脫模及模具清理，與此同時(shí)工位2的型腔模移動(dòng)至機(jī)器工位，進(jìn)行合模注射。

圖1 型腔模穿梭示意圖

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)上述方案，對現(xiàn)有機(jī)器改造并增加自動(dòng)化裝置，如圖2所示。下提升器變更為抱導(dǎo)柱式結(jié)構(gòu)，齒條安裝在滑框上，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條，使得滑框在抱導(dǎo)柱式提升器上來回穿梭。為保證穿梭機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，提升油缸外置并對稱布置?；蚧瑒?dòng)槽為T型結(jié)構(gòu)，在滑動(dòng)槽上增加耐磨條，增加滑框的使用壽命。型腔模安裝在滑框及安裝板上，且滑框兩側(cè)預(yù)留坦克鏈安裝孔位。型腔模在穿梭過程中是否達(dá)到目標(biāo)位置依靠接近開關(guān)進(jìn)行判斷，由于驅(qū)動(dòng)力來源于液壓馬達(dá)，為提高其控制精度，單個(gè)位置檢測使用兩個(gè)接近開關(guān)，一個(gè)為減速信號的反饋，一個(gè)為目標(biāo)位置的檢測，并且在滑框兩側(cè)設(shè)置機(jī)械硬限位。

圖2 穿梭裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 穿梭機(jī)構(gòu)三維模型的建立

利用UG軟件建立穿梭機(jī)構(gòu)各零部件的模型，并安裝至合模單元中，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。抱導(dǎo)柱式提升器穿過格林柱，并以格林柱為導(dǎo)向上下運(yùn)動(dòng)，保證穿梭機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?；緞?dòng)作為：機(jī)器工位的型腔模完成硫化后，滑出穿梭機(jī)構(gòu)抬升，使得型腔模脫離下模板。液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)使得完成硫化的型腔模移動(dòng)至工位1，在工位1進(jìn)行脫模及模具清理。同時(shí)工位2的型腔模移動(dòng)至機(jī)器工位。下提油缸收縮，滑出機(jī)構(gòu)下降，再次合模注射。

圖3 穿梭機(jī)構(gòu)三維模型

2 穿梭機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

穿梭機(jī)構(gòu)依靠滑框在抱導(dǎo)柱式提升器內(nèi)來回穿梭，其主要受力零部件為抱導(dǎo)柱式提升器及滑框，分析穿梭機(jī)構(gòu)在工作過程中受力情況，利用CAE軟件對穿梭機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析。Workbench 是ANSYSY公司成熟的CAE產(chǎn)品，能夠?qū)?fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電磁場等場合進(jìn)行分析模擬[4]。

考慮到穿梭機(jī)構(gòu)零件幾何形狀復(fù)雜，為提高計(jì)算效率，將三維模型中非重要部位的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行簡化[5]，簡化原則為：將倒角、鍵槽等非重要特征進(jìn)行簡化，如齒輪齒條主要為傳動(dòng)件，齒形特征對滑框的承載影響小，對其簡化處理；結(jié)構(gòu)中多個(gè)螺栓連接的零件作一體化處理，如耐磨條與滑框的固定；對非重要零件且不影響結(jié)構(gòu)受力情況的進(jìn)行省略，如坦克鏈。

2.1 材料選擇及網(wǎng)格劃分

考慮到穿梭機(jī)構(gòu)的受力及使用工況，抱導(dǎo)柱式提升器及滑框選用材料為16 Mn，滑框在工作中需要來回滑動(dòng)，因此在加工完成后進(jìn)行等離子氮化處理，提高表面的硬度及耐磨性。耐磨條選用45鋼，并進(jìn)行氮化處理，要求其氮化厚度為0.3 mm，硬度在350～400 HV5。其余零部件選用Q235，表面噴涂處理，防止生銹。簡化模型后導(dǎo)入Workbench軟件，并定義相關(guān)材料屬性，其屬性如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)

穿梭機(jī)構(gòu)中抱導(dǎo)柱式提升器幾何外形復(fù)雜，而耐磨條等形狀簡單，因此優(yōu)先考慮自動(dòng)網(wǎng)格劃分法。穿梭機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型如圖4所示，共產(chǎn)生308 651個(gè)單元及535 601個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元畸變度為0.212，滿足當(dāng)前的分析要求。

圖4 網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件及載荷

穿梭機(jī)構(gòu)安裝在合模單元上，其主要負(fù)載為：（1）下提油缸四個(gè)位置的頂出力；（2）兩套型腔模具的自重；（3）穿梭機(jī)構(gòu)的自重。

2.3 求解結(jié)果及分析

依據(jù)上述載荷條件，計(jì)算結(jié)果如圖5所示：

圖5 等效位移及應(yīng)力云圖

在位移云圖中，最大位移發(fā)生在滑框末端，最大位移量為0.19mm?；蛟诔惺苣＞哓?fù)載時(shí)發(fā)生變形，滑框外側(cè)沒有抱導(dǎo)柱式提升器的支撐，因而變形量會在滑框末端最大化。滑框與抱導(dǎo)柱式提升器設(shè)有間隙0.5 mm，最大變形量不影響滑框的穿梭運(yùn)動(dòng)?；蚰┒俗畲笞冃瘟吭诮咏_關(guān)檢測板上，接近開關(guān)檢測距離在10 mm，不影響位置檢測。在應(yīng)力云圖中，最大應(yīng)力發(fā)生在下提油缸四個(gè)點(diǎn)的受力面上，最大應(yīng)力值為75.1 MPa。穿梭機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)依靠下提油缸的動(dòng)作，這四個(gè)位置是主要受力點(diǎn)，因而會出現(xiàn)最大應(yīng)力位置。16 Mn的屈服強(qiáng)度為343 MPa，取安全系數(shù)n=2，需用應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)條件。

3 穿梭機(jī)構(gòu)與落地三工位機(jī)構(gòu)對比

落地三工位機(jī)構(gòu)也能達(dá)到穿梭模具的功能，但落地三工位穿梭的是底模及型腔模，需要配合兩塊熱板進(jìn)行工作。其承載能力更高，操作空間大，但安裝調(diào)試要求高，機(jī)器成本高。落地三工位一般用于需要輔助加熱的產(chǎn)品，利用機(jī)器工位以外的熱板對模腔進(jìn)行加熱，縮短產(chǎn)品硫化時(shí)間。穿梭機(jī)構(gòu)僅對型腔模進(jìn)行穿梭，沒有輔助加熱的熱板，機(jī)器成本低，適用電力行業(yè)。圖6為落地三工位示意圖。

4 總結(jié)

（1）為提高橡膠注射機(jī)的工作效率，縮短機(jī)器循環(huán)時(shí)間，設(shè)計(jì)了型腔模穿梭機(jī)構(gòu)，并利用UG軟件對零部件進(jìn)行三維建模并裝配。

圖6 落地三工位示意圖

（2）利用CAE軟件對穿梭機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：滑框末端出現(xiàn)最大位移量，不影響滑框運(yùn)動(dòng)及位置檢測；最大應(yīng)力則出現(xiàn)在下提油缸受力點(diǎn)，遠(yuǎn)小于提升器所使用材料的需用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。