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(xué)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(xué)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(xué)反應(yīng)而固化。反應(yīng)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(xué)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。