橡胶射出机穿梭机构的设计及有限元分析

石旭伟，兰林，刘加斌

(无锡德士马注射机械有限公司，江苏 无锡 214000)

橡胶行业是我国重要的基础产业，橡胶制品在汽车行业、医疗和日常生活等方面应用十分广泛，如密封圈、绝缘件、轮胎等[1]。目前，我国的橡胶制品多采用平板硫化机的模压法进行生产，随着橡胶原材料及用工成本的上涨，平板硫化机生产工艺复杂，人员劳动强度大，自动化程度低，产品质量不稳定等问题日益凸显。模压法对形状复杂，内含金属嵌件的产品也难以达到预期效果。

橡胶注射机是橡胶制品中的一种成型硫化设备，注射成型能够简化生产工序，提高胶料利用率，保证制品尺寸，提高成品率[2～3]。注射成型无需人工剪料，胶料经螺杆塑化后，在注射压力的作用下直接注入模具型腔内。穿梭机构则是在橡胶注射机的基础上增加的辅助自动化装置，能够缩短产品循环时间，提高机器的生产效率。本文所设计的滑出穿梭机构主要应用于电力行业直通接头的生产。

1 穿梭机构的结构设计及三维模型的建立

直通接头的模具为四板模，底模固定于热板，流道板固定在上提升器，型腔模固定在下提升器。直通接头的型腔模具重约100 kg，热板尺寸为525 mm×730 mm，产品嵌件不需要预热。为提高机器的工作效率，实现在机器的硫化时间内进行脱模及模具的清理工作，避免辅助工作时间影响整机的循环时间。考虑到上述因素，将下提升器做成可穿梭形式，其结构形式如图1。当机器工位的型腔模具完成硫化后，型腔模移动至工位1进行产品脱模及模具清理，与此同时工位2的型腔模移动至机器工位，进行合模注射。

图1 型腔模穿梭示意图

1.1 结构设计

依据上述方案，对现有机器改造并增加自动化装置，如图2所示。下提升器变更为抱导柱式结构，齿条安装在滑框上，液压马达驱动齿轮齿条，使得滑框在抱导柱式提升器上来回穿梭。为保证穿梭机构的上下运动稳定性，提升油缸外置并对称布置。滑框滑动槽为T型结构，在滑动槽上增加耐磨条，增加滑框的使用寿命。型腔模安装在滑框及安装板上，且滑框两侧预留坦克链安装孔位。型腔模在穿梭过程中是否达到目标位置依靠接近开关进行判断，由于驱动力来源于液压马达，为提高其控制精度，单个位置检测使用两个接近开关，一个为减速信号的反馈，一个为目标位置的检测，并且在滑框两侧设置机械硬限位。

图2 穿梭装置结构图

1.2 穿梭机构三维模型的建立

利用UG软件建立穿梭机构各零部件的模型，并安装至合模单元中，其结构形式如图3所示。抱导柱式提升器穿过格林柱，并以格林柱为导向上下运动，保证穿梭机构运动平稳性。基本动作为：机器工位的型腔模完成硫化后，滑出穿梭机构抬升，使得型腔模脱离下模板。液压马达转动使得完成硫化的型腔模移动至工位1，在工位1进行脱模及模具清理。同时工位2的型腔模移动至机器工位。下提油缸收缩，滑出机构下降，再次合模注射。

图3 穿梭机构三维模型

2 穿梭机构的静力学分析

穿梭机构依靠滑框在抱导柱式提升器内来回穿梭，其主要受力零部件为抱导柱式提升器及滑框，分析穿梭机构在工作过程中受力情况，利用CAE软件对穿梭机构进行静力学分析。Workbench 是ANSYSY公司成熟的CAE产品，能够对复杂的机械结构进行静力学、动力学、电磁场等场合进行分析模拟[4]。

考虑到穿梭机构零件几何形状复杂，为提高计算效率，将三维模型中非重要部位的细节特征进行简化[5]，简化原则为：将倒角、键槽等非重要特征进行简化，如齿轮齿条主要为传动件，齿形特征对滑框的承载影响小，对其简化处理；结构中多个螺栓连接的零件作一体化处理，如耐磨条与滑框的固定；对非重要零件且不影响结构受力情况的进行省略，如坦克链。

2.1 材料选择及网格划分

考虑到穿梭机构的受力及使用工况，抱导柱式提升器及滑框选用材料为16 Mn，滑框在工作中需要来回滑动，因此在加工完成后进行等离子氮化处理，提高表面的硬度及耐磨性。耐磨条选用45钢，并进行氮化处理，要求其氮化厚度为0.3 mm，硬度在350～400 HV5。其余零部件选用Q235，表面喷涂处理，防止生锈。简化模型后导入Workbench软件，并定义相关材料属性，其属性如表1所示。

表1 材料特性参数

穿梭机构中抱导柱式提升器几何外形复杂，而耐磨条等形状简单，因此优先考虑自动网格划分法。穿梭机构的网格划分模型如图4所示，共产生308 651个单元及535 601个节点，单元畸变度为0.212，满足当前的分析要求。

图4 网格划分模型

2.2 边界条件及载荷

穿梭机构安装在合模单元上，其主要负载为：（1）下提油缸四个位置的顶出力；（2）两套型腔模具的自重；（3）穿梭机构的自重。

2.3 求解结果及分析

依据上述载荷条件，计算结果如图5所示：

图5 等效位移及应力云图

在位移云图中，最大位移发生在滑框末端，最大位移量为0.19mm。滑框在承受模具负载时发生变形，滑框外侧没有抱导柱式提升器的支撑，因而变形量会在滑框末端最大化。滑框与抱导柱式提升器设有间隙0.5 mm，最大变形量不影响滑框的穿梭运动。滑框末端最大变形量在接近开关检测板上，接近开关检测距离在10 mm，不影响位置检测。在应力云图中，最大应力发生在下提油缸四个点的受力面上，最大应力值为75.1 MPa。穿梭机构上下运动依靠下提油缸的动作，这四个位置是主要受力点，因而会出现最大应力位置。16 Mn的屈服强度为343 MPa，取安全系数n=2，需用应力远大于最大应力值，满足设计条件。

3 穿梭机构与落地三工位机构对比

落地三工位机构也能达到穿梭模具的功能，但落地三工位穿梭的是底模及型腔模，需要配合两块热板进行工作。其承载能力更高，操作空间大，但安装调试要求高，机器成本高。落地三工位一般用于需要辅助加热的产品，利用机器工位以外的热板对模腔进行加热，缩短产品硫化时间。穿梭机构仅对型腔模进行穿梭，没有辅助加热的热板，机器成本低，适用电力行业。图6为落地三工位示意图。

4 总结

（1）为提高橡胶注射机的工作效率，缩短机器循环时间，设计了型腔模穿梭机构，并利用UG软件对零部件进行三维建模并装配。

图6 落地三工位示意图

（2）利用CAE软件对穿梭机构进行静力学分析，结果表明：滑框末端出现最大位移量，不影响滑框运动及位置检测；最大应力则出现在下提油缸受力点，远小于提升器所使用材料的需用应力，满足设计要求。