热固性树脂实心棒高效离心浇注机设计

张军平 张继林 马 冲

（兰州工业学院 甘肃省精密加工技术及装备工程研究中心，兰州 730050）

热固性树脂是塑料工业的首创产品。目前，它的加工方式有模压、层压、传递模塑以及铸造等。在制造过程中，采用铸造的加工方式易出现夹渣和气孔等缺陷；采用离心铸造的方式，可以提高铸件致密度，减少气孔和夹渣等缺陷，增强产品的力学性能。离心浇注机是一种用于套类铸件浇注生产使用的专用非标设备，专业制造公司较少。因此，如何通过离心浇注机实现实心棒成型是目前急需解决的问题[1-2]。本文设计了一种热固性树脂实心棒高效离心浇注机，可以提高企业的生产效率，降低生产成本，增强企业的竞争力。

1 离心浇注机设计过程

1.1 总体方案设计

选择离心浇注机总体设计方案时，设计了立式和卧式两种方案。立式离心浇注机，如图1所示。先由电动机将转矩输出到联轴器，再由联轴器将电动机输出的转矩传递给主轴，后由主轴带着装有模具的转盘转动。此时，模具里热固性树脂的组织在离心力的作用下会变得更加致密。卧式离心浇注机，如图2所示。此离心浇注机以电动机驱动，以变频器配合交流电动机实现变频调速，转速范围为50～1 430 r·min-1。

图1 立式离心浇注机方案示意图

图2 卧式离心浇注机方案原理图

经过对比两种设计方案可知：立式离心浇注机能提高热固性树脂棒料的质量，但占用空间大，且不能生产太长的棒料；卧式离心浇注机能生产长度更长、直径更大的热固性树脂实心棒料，虽然产品组织不够均匀，但是基本不影响其性能。因此，选择卧式离心浇注机为最佳设计方案。

1.2 模具及保温套设计

此模具需要6个型腔，在离心过程中会产生较大的转矩，比较耗费能源。因此，可以选择用铝做模具的原材料。该材料密度比较小，与其他材料相比，能够减小产生的转矩，节约能源。此模具由模具体、模具前盖以及模具后盖3部分组成。

1.2.1 模具体

为使型腔转动时储料腔中的热固性树脂能够进入6个型腔，在型腔和储料腔中间留有一条宽为2 mm的细缝，如图3所示。模拟的储料腔中热固性树脂的体积如图4所示。

图3 模具三维建模图

图4 储料腔内热固性树脂体积模型图

1.2.2 模具前盖

模具前盖分为两部分，通过螺钉和模具体相连。加料时，只需将前盖一半的拆下，就可以将热固性树脂注入储料腔。加完料之后，将模具前盖固定。模具前盖外形如图5所示。

图5 模具前盖三维模型图

1.2.3 模具后盖

模具后盖既是封堵模具内材料的部件，又是连接模具和主轴的重要部件。它既承载着模具转动时的转矩，又要使模具固定在轴上。它的三维模型图如图6所示。

图6 模具后盖三维模型图

1.2.4 保温套的设计及温度控制

保温套的作用是在模具转动时将模具加热到指定温度[3-4]。设计时，要保证不能影响模具的转动。保温套上固定有一个能支撑模具的筋板，加热部分由内层的金属壳和加外层的绝热层制成，内层材料使用45钢。保温套的温度控制电路应用了智能温控仪来显示实时测量的温度及控制加热温度，如图7所示。在控制过程中，它能够通过继电器实现加热电路的通断。

图7 保温套温度控制电路图

1.3 电动机与变频器的选择

选择型号为Y100L2-4的电机，参数P=3.0 kW，n=1 430 r·min-1。依据电动机的功率为3.0 kW，电源为380 V的三相交流电，选择河南升瑞电气有限公司型号为FRA846-00126-2-60 3.7 kW型的三菱变频器。

1.4 附件的设计

1.4.1 带座轴承的选择

带座轴承由外球面球轴承加上外部的轴承套制成，其中外球面球轴承跟深沟球轴承结构相同。带座轴承分为带座外球面球轴承和带凸台圆形座轴承，分别如图8和图9所示。

图8 带座外球面球轴承

图9 带凸台圆形座轴承

1.4.2 联轴器的选择

联轴器需要根据电动机轴的尺寸而定，因此选择LX2型的弹性柱销联轴器，其公称转矩为Tn=560 N·m，许用转速n=6 300r·min-1，两边孔直径分别为25 mm和28 mm。

1.4.3 卡盘的选择

三爪卡盘的选择一般根据所需夹持轴的尺寸及连接卡盘座轴尺寸共同决定，另外要考虑其他因素，如转矩和转速等。此处选择直径D=125 mm的正爪三爪卡盘，夹紧范围为2.5～40.0 mm。

1.4.4 底架的设计

底架主要是支撑模具、保温套以及其他零件的装置，需要足够的刚度和强度，以保证机器稳定运行。底架的三维模型如图10所示，其前、后两部分通过焊接相连。前部分固定模具保温套，保证模具保温套能与传动轴连接；后部分固定电动机和带座轴承，需要保证连接部位的平面度。

图10 底架的三维模型

1.5 总装图

离心浇注机装配体，如图11所示。工作前加料时，要先松开三爪卡盘8，使主轴4与三爪卡盘8断开，然后开启气缸11，使加热套9和模具7整体在活塞杆的带动下沿转动轴在第二轴承座6内转动，待转到一定角度后，气缸11停止运动，此时将热固性树脂加入到储料腔内，并用螺钉将盖板10固定到模具7上，防止离心浇注机在开启过程中模具中的树脂在离心力的作用下流出。离心浇注机由电动机3驱动，以变频器配合交流电动机实现50～1 800 r·min-1的转速调节。电动机3通过连接轴12带动三爪卡盘8转动，三爪卡盘8夹紧主轴4并带动其一起转动，从而带动模具7整体转动。离心浇注机工作时，储料腔内的热固性树脂会在离心力的作用下被甩到6个型腔中，直至充满6个型腔。反应过程中会产生水，因为热固性树脂的密度比水大，所以热固性树脂会被甩到离中心较远的位置，而水会保留在原来的储料腔内部。加热套9的作用是在模具转动时将模具加热到指定温度，使模具里的热固性树脂发生化学反应而固化。反应完成后，关闭加热套9冷却至室温，此时模具内会形成热固性树脂实心棒。该产品具有刚性大、硬度高、耐温性高、不易燃以及尺寸稳定性好的特点。

2 结论

针对不同类型的热固性树脂所需要离心速度与固化温度的难题，分析现有离心浇注机的优缺点，查阅离心铸造方面的知识，进行各零部件的设计计算，利用计算机辅助设计建立离心浇注机的三维实体模型，对三维模型进行观察分析，得到如下结论：

图11 装配体

（1）装置在工作过程中运行良好，无干涉情况，能够使热固性树脂在模具内固化，实心棒冷却成型尺寸为Φ50×600 mm；

（2）装置能够针对不同热固性树脂所需的固化温度设定加热温度，并在离心过程中保持设定的温度；

（3）装置能够实现50～1 430 r·min-1的变频调速，便于通过调节不同的转速研究热固性树脂实心棒的性能与转速的关系。

离心浇注机在完成任务要求的同时也存在缺陷，如模具设计需要利用专业的流体力学知识研究热固性树脂在离心力下的流动问题，使热固性树脂实心棒的表面质量更佳。