一種復(fù)合材料離心風(fēng)機(jī)葉輪的模具設(shè)計(jì)

王 博,胡新科,葉侃侃,劉 邦,白一凡

(1. 西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院,陜西 西安 710077;2. 浙江省金華市創(chuàng)新醫(yī)療器械科技有限公司,浙江 金華 321000)

0 引 言

注塑成型工藝是指將熔融的原料通過加壓、注入、冷卻、脫離等操作制作成一定形狀的零部件的工藝過程。由于其具有成型塑件尺寸精度高,可用于成型復(fù)雜不同類型的塑件,以及成型效率高的三大優(yōu)點(diǎn)[1],該技術(shù)已成為塑料成型中比較成熟且穩(wěn)定的一種方法。注塑模具是注塑成型工藝的重要工具,流體塑料被注射進(jìn)模具中并在其中成型。不合理的模具與工藝設(shè)計(jì)將會導(dǎo)致塑件成型后出現(xiàn)各種缺陷,致使塑件報(bào)廢,進(jìn)而增加成本[2-6]。離心風(fēng)機(jī)的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速,然后減速、改變流向,使動能轉(zhuǎn)換為勢能(壓力)。本研究設(shè)計(jì)了復(fù)合材料離心風(fēng)機(jī)的葉輪的成型模具,使得葉輪的制造成本降低,加工精度得到提高,更加符合現(xiàn)代機(jī)械零件輕量化的要求。

1 風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)分析

圖1為該離心風(fēng)機(jī)葉輪的三維結(jié)構(gòu)圖。該葉輪輪盤外形尺寸為半徑237.5mm,高70mm,圓盤部分,壁厚均為42.5mm,葉輪中間區(qū)域存在8個(gè)直徑為60mm、厚度為7.5mm的裝配孔,整體由82個(gè)薄板圓弧形葉片與輪盤、輪蓋組合而成,選用了ABS樹脂材料,采用UG三維建模軟件設(shè)計(jì)出三維模型。

圖1 離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)圖

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注塑模具的澆注系統(tǒng)是流體塑料進(jìn)入到模具型腔的通道,它對流體塑料的流動狀態(tài)及流向起著決定性的作用。澆注系統(tǒng)主要由主流道、分流道、澆口及冷料穴組成[7]。設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵是確定澆口的位置,由于該塑件的頂部固定板較厚,故將澆口設(shè)計(jì)在頂部平面處比較合理,一方面可以使熔料從厚料斷面流入薄斷面,保證充模完全;另一方面使得充模流程最短,從而減少壓力損失。該塑件的澆注系統(tǒng)采用點(diǎn)澆口分流道。

考慮到離心風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且要保證葉輪成型之后的強(qiáng)度,故葉輪在成型之后不能出現(xiàn)影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的熔接痕。因此,澆注系統(tǒng)中的主流道選用熱流道結(jié)構(gòu),熱流道結(jié)構(gòu)可以保證熔料從注塑機(jī)噴嘴噴出后,到進(jìn)入模具型腔之前一直處于熱熔狀態(tài),防止在成型過程中由于熔料溫度不一致,導(dǎo)致熔接痕的出現(xiàn)。采用熱流道系統(tǒng),不但改善了葉輪的外觀質(zhì)量,而且提高了葉輪的力學(xué)性能。該塑件的澆注系統(tǒng)采用點(diǎn)澆口分流道。圖2所示為澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二維圖,主流道D取10mm,L為332.6mm,d為8.5mm,r為1.5mm。

(a) 澆注系統(tǒng)圖

2.2 冷卻系統(tǒng)及推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

注塑模具冷卻系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì),不僅能縮短成型周期,提高生產(chǎn)效率,而且可以滿足現(xiàn)代工程塑料精密注塑件的需要。該離心風(fēng)機(jī)葉輪模具水路設(shè)計(jì)分為型腔部分和模具整體部分,型腔部分采用環(huán)形水路多層布局,整個(gè)水路圍繞著型腔。

由于葉輪的成型空間主要在定模部分,且動模部分需要設(shè)置頂出機(jī)構(gòu),因此,冷卻水路全部設(shè)置于定模部分,形狀為圓形雙層冷卻水路,采用圓形冷卻水路可以及時(shí)的帶走成型時(shí)制品產(chǎn)生的大量熱,使制品冷卻充分。圓形水路在凹模模板上通過銑削,加工出圓形形狀之后,需要在有接頭的位置裝上圓形橡膠密封套,防止水路漏水。完整的冷卻水路如圖3所示。

圖3 模具水路圖

本項(xiàng)研究選擇機(jī)動推桿推出機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)方案,需要計(jì)算推出距離,即在推出部件的作用下,模具成型零件與相應(yīng)成型表面所產(chǎn)生的角度差值或者直線位移差值。離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片處厚度較薄且分布比較密集,容易因?yàn)橥瞥隽Φ奈⑿∽兓瘬p壞零件,相應(yīng)設(shè)計(jì)的推出桿較粗;而輪盤內(nèi)部呈半球型,受力面積較大,不容易發(fā)生變形,故對應(yīng)的推出桿較細(xì)。頂出機(jī)構(gòu)采用較為典型的頂桿頂出,只需采用直線推出,測量得到推出距離為30mm,零件內(nèi)部底面設(shè)置一粗一細(xì)兩個(gè)推出桿,較粗推桿直徑設(shè)置為10mm,長度215.5mm;較細(xì)推出桿直徑設(shè)置為5mm,長度為237mm,推桿的位置如圖4所示。

2.3 成型零件的設(shè)計(jì)

成型零件是指構(gòu)成制品形狀的各種零件,包括動模、定模和型腔、型芯、成型桿以及排氣口等。在設(shè)計(jì)成型零件前,需確定模具的分型面,也就是動模型腔與定模型腔的結(jié)合面,合理地確定分型面的形式和位置。分型面位置選擇應(yīng)盡量有利于型腔排氣,便于定、動模分型后的型面加工,并且為了保證注塑件的尺寸精度,應(yīng)使尺寸精度要求高的部分形體盡可能位于同一側(cè)模具的型腔內(nèi)。本設(shè)計(jì)考慮到澆注系統(tǒng)的布置,將分型面選在了葉輪的下底面處,分型面的上側(cè)為定模側(cè),下側(cè)為動模側(cè),塑件的外表面成型依靠定模側(cè)成型,而內(nèi)表面的成型分配在動模側(cè)。

接著對型腔的尺寸進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式[7]如下:

凸模的徑向尺寸設(shè)計(jì)公式為:

l=[(1+K)l1+3/4Δ]-δz,

(1)

式中,l表示凸模徑向尺寸,l1表示徑向公稱尺寸,K表示平均收縮率,δz表示注塑模具制造公差,Δ表示尺寸公差。

凸模的高度尺寸設(shè)計(jì)公式為:

h=[(1+K)hs+2/3Δ]-δz,

(2)

K=[(Kmax+Kmin]/2,

(3)

式中,h表示凸模的高度尺寸,hs表示深度方向的公稱尺寸,Kmax表示最大收縮率,Kmin表示最小收縮率。

凹模的輪廓尺寸設(shè)計(jì)公式為:

L=[L1(1+K)-3/4Δ]+δc。

(4)

凹模深度計(jì)算公式為:

H=[(1+K)Hs-2/3Δ]+δ,

(5)

其中,L為凹模的輪廓尺寸;H為凹模的高度尺寸;δ為注塑模具磨損量;δz為注塑模具制造工差;L1為塑件的對應(yīng)尺寸。

風(fēng)機(jī)葉輪的外形尺寸為:半徑237.5mm、厚度42.5mm,高70mm,最大收縮率取1.8%,最小收縮率取0.5%,可得平均收縮率為1.15%,制件允許公差取0.6mm,根據(jù)式(3)可得平均收縮率為1.1%,則離心風(fēng)機(jī)葉輪的徑向外形尺寸為237.5mm,模具型腔徑向制造公差取0.05mm,根據(jù)式(1)得凸模徑向尺寸

型腔的高度制造公差取0.04mm,則根據(jù)式(2)可得凸模的高度尺寸

離心風(fēng)機(jī)葉輪的內(nèi)徑尺寸為195mm,模具型腔制造公差取0.05mm,根據(jù)式(4)可得凹模輪廓尺寸

型腔的高度制造公差取0.04mm,則根據(jù)式(5)可得凹模的高度尺寸

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)葉輪的投影面積、高度及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),計(jì)算確定了動模塊的外形尺寸為450mm×450mm×120mm,定模塊的結(jié)構(gòu)尺寸為450mm×450mm×120mm,如圖所示。

2.4 模芯的設(shè)計(jì)

模芯的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用UG三維作圖軟件,離心風(fēng)機(jī)葉輪的三維結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并且截面較大,所以型芯端面與定模板之間用圓柱銷定位、螺釘連接。如圖5所示。

(a) 動模型腔

3 模具的裝配與工作原理

3.1 模具的整體裝配

模具的整體裝配就是將所設(shè)計(jì)的模具各個(gè)結(jié)構(gòu)部分組裝起來,組裝所選用的模架為細(xì)水口三板模,采用UG三維軟件進(jìn)行模具的整體裝配,所設(shè)計(jì)完成的模具裝配圖如圖6所示。圖7(a)為動模部分的裝配圖,圖7(b)為定模部分裝配圖。

1—?jiǎng)幽Ｗ?2—墊塊;3—?jiǎng)幽０?4—導(dǎo)柱;5—定模板;6—導(dǎo)套;7—撥料板;8—定模座板;9—定模型腔;10—?jiǎng)幽Ｐ颓?11—澆口套;12—推桿;13—型芯;14—推板導(dǎo)柱;15—推板導(dǎo)套;16—推桿固定板;17—推板

注塑模具由動模和定模兩部分組成,動模安裝在注塑成型機(jī)的移動模板上,可以隨著活動座移動;而定模安裝在注塑成型機(jī)的固定模板上,不能移動。在注塑成型時(shí),動模與定模閉合構(gòu)成澆注系統(tǒng)和型腔。開模時(shí),動模和定模分離以便取出制品。其中動模部分主要由動模板、動模座板8、動模型腔10、支撐柱、支撐板、推桿固定板16及推板導(dǎo)套15組成,剩余部分則為定模部分。

3.2 模具的工作原理

注塑成型開始時(shí),合模系統(tǒng)帶著動模部分3朝著定模部分5移動,并在分型面處與定模部分5閉合,伴隨著推桿12逐漸復(fù)位,對合的精確度由合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu),即導(dǎo)柱4和固定在定模板上的導(dǎo)套6來保證。動模3和定模5閉合之后,加工在定模板中的定模型腔9與固定在動模板上的動模構(gòu)成與制品形狀和尺寸一致的閉合模腔,模腔在注塑機(jī)合模過程中被合模系統(tǒng)提供的合模力鎖緊,以避免它在塑料熔體的壓力下脹開。注塑機(jī)從噴嘴中注射出的塑料熔體經(jīng)由開設(shè)在澆注套中的主流道進(jìn)入模腔,再經(jīng)由分流道和澆口進(jìn)入模腔,待熔體充滿模腔并經(jīng)過保壓、補(bǔ)縮和冷卻定型之后,合模系統(tǒng)便帶動動模后撤復(fù)位,從而使動模和定模兩部分從分型面處分開。當(dāng)動模后撤到一定位置時(shí),塑件由于受張力會留在動型膜腔10內(nèi),安裝在其內(nèi)部的頂出脫模機(jī)構(gòu)將在注塑機(jī)頂棒的推頂作用下與動模其他部分產(chǎn)生相對運(yùn)動,于是制品和澆口及流道中的凝料將會被從動模以及動模一側(cè)的分流道中頂出脫落,就此完成一次注塑成型過程。

4 結(jié) 論

本研究是以離心風(fēng)機(jī)葉輪作為研究對象,設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的模具。在分析了其結(jié)構(gòu)尺寸的同時(shí),確定了注塑模具采用點(diǎn)澆式分流道,然后對模具的冷卻系統(tǒng)、推出機(jī)構(gòu)、成型零件、以及模芯進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,最后完成了模具的整體裝配,并對工作原理進(jìn)行了闡述。