橡膠射出機穿梭機構的設計及有限元分析

石旭偉，蘭林，劉加斌

(無錫德士馬注射機械有限公司，江蘇 無錫 214000)

橡膠行業是我國重要的基礎產業，橡膠制品在汽車行業、醫療和日常生活等方面應用十分廣泛，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的模壓法進行生產，隨著橡膠原材料及用工成本的上漲，平板硫化機生產工藝復雜，人員勞動強度大，自動化程度低，產品質量不穩定等問題日益凸顯。模壓法對形狀復雜，內含金屬嵌件的產品也難以達到預期效果。

橡膠注射機是橡膠制品中的一種成型硫化設備，注射成型能夠簡化生產工序，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，膠料經螺桿塑化后，在注射壓力的作用下直接注入模具型腔內。穿梭機構則是在橡膠注射機的基礎上增加的輔助自動化裝置，能夠縮短產品循環時間，提高機器的生產效率。本文所設計的滑出穿梭機構主要應用于電力行業直通接頭的生產。

1 穿梭機構的結構設計及三維模型的建立

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，產品嵌件不需要預熱。為提高機器的工作效率，實現在機器的硫化時間內進行脫模及模具的清理工作，避免輔助工作時間影響整機的循環時間。考慮到上述因素，將下提升器做成可穿梭形式，其結構形式如圖1。當機器工位的型腔模具完成硫化后，型腔模移動至工位1進行產品脫模及模具清理，與此同時工位2的型腔模移動至機器工位，進行合模注射。

圖1 型腔模穿梭示意圖

1.1 結構設計

依據上述方案，對現有機器改造并增加自動化裝置，如圖2所示。下提升器變更為抱導柱式結構，齒條安裝在滑框上，液壓馬達驅動齒輪齒條，使得滑框在抱導柱式提升器上來回穿梭。為保證穿梭機構的上下運動穩定性，提升油缸外置并對稱布置。滑框滑動槽為T型結構，在滑動槽上增加耐磨條，增加滑框的使用壽命。型腔模安裝在滑框及安裝板上，且滑框兩側預留坦克鏈安裝孔位。型腔模在穿梭過程中是否達到目標位置依靠接近開關進行判斷，由于驅動力來源于液壓馬達，為提高其控制精度，單個位置檢測使用兩個接近開關，一個為減速信號的反饋，一個為目標位置的檢測，并且在滑框兩側設置機械硬限位。

圖2 穿梭裝置結構圖

1.2 穿梭機構三維模型的建立

利用UG軟件建立穿梭機構各零部件的模型，并安裝至合模單元中，其結構形式如圖3所示。抱導柱式提升器穿過格林柱，并以格林柱為導向上下運動，保證穿梭機構運動平穩性。基本動作為：機器工位的型腔模完成硫化后，滑出穿梭機構抬升，使得型腔模脫離下模板。液壓馬達轉動使得完成硫化的型腔模移動至工位1，在工位1進行脫模及模具清理。同時工位2的型腔模移動至機器工位。下提油缸收縮，滑出機構下降，再次合模注射。

圖3 穿梭機構三維模型

2 穿梭機構的靜力學分析

穿梭機構依靠滑框在抱導柱式提升器內來回穿梭，其主要受力零部件為抱導柱式提升器及滑框，分析穿梭機構在工作過程中受力情況，利用CAE軟件對穿梭機構進行靜力學分析。Workbench 是ANSYSY公司成熟的CAE產品，能夠對復雜的機械結構進行靜力學、動力學、電磁場等場合進行分析模擬[4]。

考慮到穿梭機構零件幾何形狀復雜，為提高計算效率，將三維模型中非重要部位的細節特征進行簡化[5]，簡化原則為：將倒角、鍵槽等非重要特征進行簡化，如齒輪齒條主要為傳動件，齒形特征對滑框的承載影響小，對其簡化處理；結構中多個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構受力情況的進行省略，如坦克鏈。

2.1 材料選擇及網格劃分

考慮到穿梭機構的受力及使用工況，抱導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，因此在加工完成后進行等離子氮化處理，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。簡化模型后導入Workbench軟件，并定義相關材料屬性，其屬性如表1所示。

表1 材料特性參數

穿梭機構中抱導柱式提升器幾何外形復雜，而耐磨條等形狀簡單，因此優先考慮自動網格劃分法。穿梭機構的網格劃分模型如圖4所示，共產生308 651個單元及535 601個節點，單元畸變度為0.212，滿足當前的分析要求。

圖4 網格劃分模型

2.2 邊界條件及載荷

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

2.3 求解結果及分析

依據上述載荷條件，計算結果如圖5所示：

圖5 等效位移及應力云圖

在位移云圖中，最大位移發生在滑框末端，最大位移量為0.19mm。滑框在承受模具負載時發生變形，滑框外側沒有抱導柱式提升器的支撐，因而變形量會在滑框末端最大化?；蚺c抱導柱式提升器設有間隙0.5 mm，最大變形量不影響滑框的穿梭運動?；蚰┒俗畲笞冃瘟吭诮咏_關檢測板上，接近開關檢測距離在10 mm，不影響位置檢測。在應力云圖中，最大應力發生在下提油缸四個點的受力面上，最大應力值為75.1 MPa。穿梭機構上下運動依靠下提油缸的動作，這四個位置是主要受力點，因而會出現最大應力位置。16 Mn的屈服強度為343 MPa，取安全系數n=2，需用應力遠大于最大應力值，滿足設計條件。

3 穿梭機構與落地三工位機構對比

落地三工位機構也能達到穿梭模具的功能，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行工作。其承載能力更高，操作空間大，但安裝調試要求高，機器成本高。落地三工位一般用于需要輔助加熱的產品，利用機器工位以外的熱板對模腔進行加熱，縮短產品硫化時間。穿梭機構僅對型腔模進行穿梭，沒有輔助加熱的熱板，機器成本低，適用電力行業。圖6為落地三工位示意圖。

4 總結

（1）為提高橡膠注射機的工作效率，縮短機器循環時間，設計了型腔模穿梭機構，并利用UG軟件對零部件進行三維建模并裝配。

圖6 落地三工位示意圖

（2）利用CAE軟件對穿梭機構進行靜力學分析，結果表明：滑框末端出現最大位移量，不影響滑框運動及位置檢測；最大應力則出現在下提油缸受力點，遠小于提升器所使用材料的需用應力，滿足設計要求。