二板式注塑機垂直集成轉盤的結構設計

高 瑜

（廣東省機械研究所，廣東廣州 510635）

0 引言

多物料（多色）注塑成型是一種變化多樣且日益流行的注塑成型工藝，能夠實現多組分塑料制品的設計靈活性，且具有極大的成本優勢。多物料注塑成型通過特殊的模具設計，將一種聚合物注塑結合到另一種已成型的聚合物上，可以得到最佳的多組分制品性能，減少或消除傳統二次組裝、粘接或焊接工藝所造成的生產效率低下和產品缺陷。多物料注塑機具有特殊的結構，配有變換模具工位的轉盤和針對不同膠料的多個射臺。

技術先進的西方國家針對多物料注塑成型技術已有較為詳盡的介紹[1]，但對其在二板式注塑機上的高端應用還較少提及，因此我國多物料注塑成型技術多集中于低端應用領域。而設備的常見問題主要在轉盤機構上，如介質泄露、運轉精度差等。

隨著國內注塑成型技術的發展，尤其是在汽配行業的推動下，我國多物料注塑成型設備和模具均取得長足的進步，部分企業更是脫穎而出，逐步邁向高端化。大機二板化、小機全電化是當前的一個趨勢，而汽配行業對大型二板式注塑機的需求正處于爆發式增長的階段，二板式多物料注塑機也因此成為高端應用領域的一大熱點。

本文作者介紹了一種二板式注塑機垂直集成轉盤的結構設計，并重點闡述旋轉連接系統和精密可靠的防傾覆系統。

1 二板式注塑機垂直集成轉盤

注塑機轉盤主要分兩種，一種是垂直轉盤，另一種是水平轉盤[2]。其中垂直轉盤還可細分為垂直獨立轉盤[3]和垂直集成轉盤，獨立轉盤顧名思義就是可以靈活裝拆，但由于結構厚度所限，無法滿足復雜模具對水、油、氣以及電信號的工藝和控制需求。集成轉盤則是與注塑機合模動板設計為一體，本文作者介紹的則是二板式注塑機垂直集成轉盤，具體結構如圖1所示。

1.1 轉盤驅動和控制系統

轉盤驅動系統可分為電機驅動和液壓馬達驅動，伺服電機（如圖1中序號1所示）搭配行星減速機（如圖1中序號2所示）具有精度高、響應快和控制穩定可靠的優點，但成本相對較高；液壓馬達驅動一般配合采用機械限位，也可以采用伺服閥來提高控制精度，大型注塑機廠商如恩格爾、海天采用液壓馬達+機械限位作為標準配置，將伺服電機+行星減速機作為高端選配項。

轉盤控制系統還包括插銷和到位信號開關（圖2），戴國平等[4]介紹了電機和減速機的計算選型、控制系統和動作邏輯，章錦雷等[5]介紹了編碼器液壓轉盤的控制方法。

圖1 二板式注塑機垂直集成轉盤剖視圖

圖2 二板式注塑機垂直集成轉盤主視圖

1.2 轉盤本體和轉盤心軸

轉盤本體（如圖1中序號4所示）和轉盤心軸（如圖1中序號5所示）是主要受力部件，在軸承（如圖1中序號6所示）選型上，因是承受徑向載荷且在開合模時必須允許軸向移動，滾針軸承和雙列圓柱滾子軸承是此處的首選，受力分析如圖3所示。

由式Fa=G+Fb和Fb×Lb=G×La，可得Fa和Fb，因轉盤轉速低于20 r/min，故采用簡化算法，取安全系數2，大軸承的基本額定動載荷Cr=2Fa，小軸承的基本額定動載荷Cr=2Fb。

曹淼龍等[6]利用有限元方法模擬和分析了注塑機轉盤的應力和位移。

圖3 轉盤心軸受力分析圖

2 轉盤旋轉連接系統

對于復雜的模具系統，除了常見的抽芯所需的液壓油，還有吹氣、抽真空以及熱流道所需的模溫油或模溫水等，若采用傳統從轉盤心軸中心走軟管的方式（圖4），不僅無法實現轉盤的360°旋轉，且組數有限，軟管的使用壽命也會因為長時間的扭曲和摩擦而大為縮短。

若采用市場上通用的滑環裝置，又無法滿足注塑機模具的復雜工藝要求，本文作者介紹的轉盤旋轉連接系統由低溫高壓段和高溫低壓段組成（圖5），低溫高壓段針對模具抽芯液壓油，同時也可用于吹氣和抽真空裝置，而高溫低壓段針對熱流道模溫油或模溫水，有效避免了高溫介質對低溫介質尤其是液壓油的影響。高溫低壓段采用氟橡膠材質的星型密封圈（如圖5中序號1所示），低溫高壓段采用聚氨酯材質的旋轉格萊圈（如圖5中序號2所示），為了避免密封圈失效時介質混流，尤其是防止水混入油中，不同介質之間設計兩道密封，并增設卸流口（如圖5中序號4所示）。旋轉連接系統的固定軸套和旋轉軸體之前采用深溝球軸承（如圖5中序號3所示），保證同軸配合，進而確保密封穩定可靠。

圖4 傳統轉盤配管示意圖

圖5 轉盤旋轉連接系統結構

對于二板式注塑機，由于沒有肘桿機構在空間上的限制，其動板內部及背部空間均可用于旋轉連接系統的設計，所能容納的介質組數為高端雙色模具技術的發展提供了有力支撐，同時也是開發多工位轉盤的關鍵技術前提。旋轉連接系統的接口設計如圖6和圖7所示。

圖6 旋轉連接系統的模具接口結構

圖7 旋轉連接系統的外部接口結構

3 轉盤防傾覆系統

由圖3可知，注塑機垂直轉盤系統其實是懸臂結構，不可避免地存在側傾問題，趙浩杰等[7]等雖然從關鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙幾個角度分析了轉盤的側傾問題，并從中提出優化措施，但實際操作難度較大，并沒有在結構設計上給出穩定可靠的解決方案。

通過在動板碼模面和轉盤背面之間設計碟形彈簧裝置（如圖8即圖1中放大視圖I所示）和滾針凸輪導向裝置（圖2），構成轉盤防傾覆系統。圖8中序號1所示為碟形彈簧，提供高壓鎖模后將轉盤推離動板所需的彈力，保證轉盤在旋轉時與動板之間有一定的間隙，間隙的大小由碟形彈簧組的壓縮變形量即允許的轉盤傾覆量而定；圖8中序號2所示為調整墊片，其厚度影響碟形彈簧組的預壓縮量，預壓縮量越大，彈力也越大，則轉盤的傾覆量越小（由于滾針凸輪導向裝置的軸向限位，當碟形彈簧組的預緊力足夠大時，可實現零傾覆），但同時轉盤所受到的摩擦力也越大，進而需要扭矩更大的驅動裝置，因此需衡量具體模具所要求的傾覆精度和成本的關系，決定所設計的預壓縮量；圖8中序號3所示為自潤滑耐磨片，減小轉盤與碟形彈簧裝置之間的摩擦力。

圖2所示滾針凸輪導向裝置相對傳統的壓板結構，采用滾動摩擦代替滑動摩擦，噪聲小，運轉平穩可靠，潤滑要求不高，維護簡單。

由于大扭矩驅動系統成本高昂，綜合考慮，所介紹的轉盤系統采用旋轉狀態下碟形彈簧不預緊的方案，并選用剛度較大的碟形彈簧（也可采用增加碟形彈簧組數的方案），通過受力設計計算及實際應用表明，對于1 000 t二板式注塑機模具，傾覆量即轉盤與動板之間的上下間隙之差小于或等于0.1 mm時，可滿足快速開合模的要求，而最終高壓鎖模時，由于鎖模力遠大于蝶形彈簧裝置的作用力，傾覆量被消除，不會對模具的生產精度和壽命造成影響。圖9是防傾覆系統的受力分析圖，力矩平衡方程如下：

其中，F為蝶形彈簧裝置的作用力，F′為滾針凸輪導向裝置對轉盤的作用力（屬于被動力）。當均設計為一組 ， 且 L=L′時 ， 此 時 F=F′， 可 得 簡 化 方 程F1×L1=G×L0，由F1可對蝶形彈簧和滾針凸輪導向器進行設計選型。

防傾覆系統作為一種可控的結構方案，不僅從原理上解決了轉盤和模具的側傾問題，還可以對關鍵受力部件的變形、配合間隙和軸承游隙等因素造成的側傾進行設計補償，有效避免了轉盤和動板之間的摩擦，保證雙色模具開合模的動作精度。

圖8 碟形彈簧裝置結構

圖9 防傾覆系統受力分析圖

4 結束語

在已有注塑機轉盤研究的基礎上，介紹了一種穩定可靠的二板式注塑機垂直集成轉盤系統，可滿足復雜多物料注塑成型的工藝要求，尤其對我國龐大的汽配市場走向高端化具有重要意義。