熱固性樹脂實心棒高效離心澆注機設(shè)計

張軍平 張繼林 馬 沖

（蘭州工業(yè)學院 甘肅省精密加工技術(shù)及裝備工程研究中心，蘭州 730050）

熱固性樹脂是塑料工業(yè)的首創(chuàng)產(chǎn)品。目前，它的加工方式有模壓、層壓、傳遞模塑以及鑄造等。在制造過程中，采用鑄造的加工方式易出現(xiàn)夾渣和氣孔等缺陷；采用離心鑄造的方式，可以提高鑄件致密度，減少氣孔和夾渣等缺陷，增強產(chǎn)品的力學性能。離心澆注機是一種用于套類鑄件澆注生產(chǎn)使用的專用非標設(shè)備，專業(yè)制造公司較少。因此，如何通過離心澆注機實現(xiàn)實心棒成型是目前急需解決的問題[1-2]。本文設(shè)計了一種熱固性樹脂實心棒高效離心澆注機，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，增強企業(yè)的競爭力。

1 離心澆注機設(shè)計過程

1.1 總體方案設(shè)計

選擇離心澆注機總體設(shè)計方案時，設(shè)計了立式和臥式兩種方案。立式離心澆注機，如圖1所示。先由電動機將轉(zhuǎn)矩輸出到聯(lián)軸器，再由聯(lián)軸器將電動機輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸，后由主軸帶著裝有模具的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。此時，模具里熱固性樹脂的組織在離心力的作用下會變得更加致密。臥式離心澆注機，如圖2所示。此離心澆注機以電動機驅(qū)動，以變頻器配合交流電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)速范圍為50～1 430 r·min-1。

圖1 立式離心澆注機方案示意圖

圖2 臥式離心澆注機方案原理圖

經(jīng)過對比兩種設(shè)計方案可知：立式離心澆注機能提高熱固性樹脂棒料的質(zhì)量，但占用空間大，且不能生產(chǎn)太長的棒料；臥式離心澆注機能生產(chǎn)長度更長、直徑更大的熱固性樹脂實心棒料，雖然產(chǎn)品組織不夠均勻，但是基本不影響其性能。因此，選擇臥式離心澆注機為最佳設(shè)計方案。

1.2 模具及保溫套設(shè)計

此模具需要6個型腔，在離心過程中會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，比較耗費能源。因此，可以選擇用鋁做模具的原材料。該材料密度比較小，與其他材料相比，能夠減小產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，節(jié)約能源。此模具由模具體、模具前蓋以及模具后蓋3部分組成。

1.2.1 模具體

為使型腔轉(zhuǎn)動時儲料腔中的熱固性樹脂能夠進入6個型腔，在型腔和儲料腔中間留有一條寬為2 mm的細縫，如圖3所示。模擬的儲料腔中熱固性樹脂的體積如圖4所示。

圖3 模具三維建模圖

圖4 儲料腔內(nèi)熱固性樹脂體積模型圖

1.2.2 模具前蓋

模具前蓋分為兩部分，通過螺釘和模具體相連。加料時，只需將前蓋一半的拆下，就可以將熱固性樹脂注入儲料腔。加完料之后，將模具前蓋固定。模具前蓋外形如圖5所示。

圖5 模具前蓋三維模型圖

1.2.3 模具后蓋

模具后蓋既是封堵模具內(nèi)材料的部件，又是連接模具和主軸的重要部件。它既承載著模具轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)矩，又要使模具固定在軸上。它的三維模型圖如圖6所示。

圖6 模具后蓋三維模型圖

1.2.4 保溫套的設(shè)計及溫度控制

保溫套的作用是在模具轉(zhuǎn)動時將模具加熱到指定溫度[3-4]。設(shè)計時，要保證不能影響模具的轉(zhuǎn)動。保溫套上固定有一個能支撐模具的筋板，加熱部分由內(nèi)層的金屬殼和加外層的絕熱層制成，內(nèi)層材料使用45鋼。保溫套的溫度控制電路應用了智能溫控儀來顯示實時測量的溫度及控制加熱溫度，如圖7所示。在控制過程中，它能夠通過繼電器實現(xiàn)加熱電路的通斷。

圖7 保溫套溫度控制電路圖

1.3 電動機與變頻器的選擇

選擇型號為Y100L2-4的電機，參數(shù)P=3.0 kW，n=1 430 r·min-1。依據(jù)電動機的功率為3.0 kW，電源為380 V的三相交流電，選擇河南升瑞電氣有限公司型號為FRA846-00126-2-60 3.7 kW型的三菱變頻器。

1.4 附件的設(shè)計

1.4.1 帶座軸承的選擇

帶座軸承由外球面球軸承加上外部的軸承套制成，其中外球面球軸承跟深溝球軸承結(jié)構(gòu)相同。帶座軸承分為帶座外球面球軸承和帶凸臺圓形座軸承，分別如圖8和圖9所示。

圖8 帶座外球面球軸承

圖9 帶凸臺圓形座軸承

1.4.2 聯(lián)軸器的選擇

聯(lián)軸器需要根據(jù)電動機軸的尺寸而定，因此選擇LX2型的彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為Tn=560 N·m，許用轉(zhuǎn)速n=6 300r·min-1，兩邊孔直徑分別為25 mm和28 mm。

1.4.3 卡盤的選擇

三爪卡盤的選擇一般根據(jù)所需夾持軸的尺寸及連接卡盤座軸尺寸共同決定，另外要考慮其他因素，如轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。此處選擇直徑D=125 mm的正爪三爪卡盤，夾緊范圍為2.5～40.0 mm。

1.4.4 底架的設(shè)計

底架主要是支撐模具、保溫套以及其他零件的裝置，需要足夠的剛度和強度，以保證機器穩(wěn)定運行。底架的三維模型如圖10所示，其前、后兩部分通過焊接相連。前部分固定模具保溫套，保證模具保溫套能與傳動軸連接；后部分固定電動機和帶座軸承，需要保證連接部位的平面度。

圖10 底架的三維模型

1.5 總裝圖

離心澆注機裝配體，如圖11所示。工作前加料時，要先松開三爪卡盤8，使主軸4與三爪卡盤8斷開，然后開啟氣缸11，使加熱套9和模具7整體在活塞桿的帶動下沿轉(zhuǎn)動軸在第二軸承座6內(nèi)轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)到一定角度后，氣缸11停止運動，此時將熱固性樹脂加入到儲料腔內(nèi)，并用螺釘將蓋板10固定到模具7上，防止離心澆注機在開啟過程中模具中的樹脂在離心力的作用下流出。離心澆注機由電動機3驅(qū)動，以變頻器配合交流電動機實現(xiàn)50～1 800 r·min-1的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電動機3通過連接軸12帶動三爪卡盤8轉(zhuǎn)動，三爪卡盤8夾緊主軸4并帶動其一起轉(zhuǎn)動，從而帶動模具7整體轉(zhuǎn)動。離心澆注機工作時，儲料腔內(nèi)的熱固性樹脂會在離心力的作用下被甩到6個型腔中，直至充滿6個型腔。反應過程中會產(chǎn)生水，因為熱固性樹脂的密度比水大，所以熱固性樹脂會被甩到離中心較遠的位置，而水會保留在原來的儲料腔內(nèi)部。加熱套9的作用是在模具轉(zhuǎn)動時將模具加熱到指定溫度，使模具里的熱固性樹脂發(fā)生化學反應而固化。反應完成后，關(guān)閉加熱套9冷卻至室溫，此時模具內(nèi)會形成熱固性樹脂實心棒。該產(chǎn)品具有剛性大、硬度高、耐溫性高、不易燃以及尺寸穩(wěn)定性好的特點。

2 結(jié)論

針對不同類型的熱固性樹脂所需要離心速度與固化溫度的難題，分析現(xiàn)有離心澆注機的優(yōu)缺點，查閱離心鑄造方面的知識，進行各零部件的設(shè)計計算，利用計算機輔助設(shè)計建立離心澆注機的三維實體模型，對三維模型進行觀察分析，得到如下結(jié)論：

圖11 裝配體

（1）裝置在工作過程中運行良好，無干涉情況，能夠使熱固性樹脂在模具內(nèi)固化，實心棒冷卻成型尺寸為Φ50×600 mm；

（2）裝置能夠針對不同熱固性樹脂所需的固化溫度設(shè)定加熱溫度，并在離心過程中保持設(shè)定的溫度；

（3）裝置能夠?qū)崿F(xiàn)50～1 430 r·min-1的變頻調(diào)速，便于通過調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)速研究熱固性樹脂實心棒的性能與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

離心澆注機在完成任務(wù)要求的同時也存在缺陷，如模具設(shè)計需要利用專業(yè)的流體力學知識研究熱固性樹脂在離心力下的流動問題，使熱固性樹脂實心棒的表面質(zhì)量更佳。