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(图)橡胶支座总成的设计

日期:2012-05-04 17:07:02  点击:

郑洪喜李腾英

(中国重汽(香港)有限公司橡塑件制造部  邮编:250306)

摘要:论述了橡胶支座总成的产品结构设计、注射模结构特点和工作过程。

关键词:橡胶支座总成  注射模  结构特点

作者:郑洪喜: 工程师  设计员  电话:85581653

      李腾英: 高级工程师 经理 电话:85581651

前言

橡胶支座总成是重汽集团新款车型中的重要橡胶配件,它按装在钢板弹簧的两端,上端与钢板弹簧相连,下端与支架相连,构成一种新型的汽车断开式平衡轴悬架系统,是一种新型的汽车用橡胶弹簧产品,靠橡胶独特的高弹性、优异的抗疲劳强度、高吸收性和同时承受多方向负荷等特性,给汽车的钢板弹簧施以向上支承力,以缓和对汽车桥梁的冲击,减轻车身的振动。

1  产品结构设计

橡胶支座总成的结构如图1所示,从图中可见,总成是由上端钢板、下端钢板、外包胶的两端内钢板和中间内钢板,通过橡胶硫化联接成一体,再用螺栓和螺母上紧,组成橡胶支座总成。本产品的整体结构其高度尺寸,决定着汽车车架的高度,影响到汽车的减震效果;上端钢板与螺栓上顶面之间的间隙,下端钢板与螺栓下底面之间的间隙,决定着支座在受压状态下的自由压缩变形量;橡胶体部分断面结构为7个矩形和8个变截面相结合,其结构和尺寸,决定着本产品的弹性、疲劳强度和压缩负荷与变形曲线及寿命长短;上下钢板的平面度公差和平行度公差,影响本产品的按装质量;在橡胶支座的侧面有对称分布的定位台,决定着内钢板的精确位置。七层内钢板作为加强层,起阻止橡胶侧向膨胀的作用,从而可显著提高橡胶层的抗拉强度和刚度,并具有较大的抗剪切变形能力,以满足支座结构的水平位移要求。

产品要求⑴ 橡胶与各金属镶件粘合牢固,橡胶内部组织致密,表面无气泡、缺胶、开裂等缺陷。⑵ 产品使用环境温度为-45度至+60度⑶ 外露金属表面部分漆以双层优质保护性涂层。

橡胶支座所选用的橡胶材料为天然橡胶和丁本橡胶的组合。是我们开发出的新型专用配方,邵氏A硬度为65±5度。


 


橡胶支座总成结构简图

2  模具结构设计

橡胶支座结构复杂,外形尺寸较大,各钢板之间的相对位置要求精确,橡胶部分必须密实无缺陷,另外由于各骨架之间的相互位置和形体特点决定了在硫化成型过程中胶料既存在阻碍收缩,又存在自由收缩。阻碍收缩主要在制品的水平方向上,由于胶料与骨架粘合成一体,橡胶收缩带来的影响可忽落不计;自由收缩主要在制品的厚度方向,由于胶料与骨架有较大的粘合面积,因此在此方向上也不像纯橡胶制品那样完全处于自由收缩状态。此件单车用量4件,年需求量在50万件以上。因此,为保证橡胶支座的质量和提高生产效率,我们设计出新型高效的一模二腔注射成型模具。

2为橡胶支座总成注射模结构简图,该模具是在带有外顶出机构,注射量为5000cc的立式橡胶注射成型机上生产。考虑到生产效率、设备利用率和胶料的工艺性能,模具设计成二开模结构,12腔。在生产过程中模具随同机器的锁模系统一起开合,产品完成硫化后将通过顶出机构被自动顶出。


3  模具主要参数的确定

3.1产品骨架的定位

3.1.1上下端钢板的定位

由图2可见,产品的生产硫化方向是横向的,上下端钢板高度方向定位是靠上模型腔和下模型腔共同完成的,长度方向的定位由靠左右模芯球面与钢板相应球面研配,厚度方向的定位是靠,上下薄厚板滑块来保证的,上滑块有10°的斜面,下滑块有5°的斜面,合模后两斜面与上下模相应斜面研配,保证上下钢板厚度方向只留有10丝的间隙,以保证封住胶料不外溢,见图3


3  上、下端钢板的定位简图

3.1.2中间内钢板的定位

产品的中间内钢板呈椭圆形,四边均包有2mm厚的橡胶,形成内悬浮式骨架。如在模具中无精确定位,可能造成两边包橡胶厚度不一致,或一边包有橡胶,一边无橡胶等缺陷,这是本模具设计的一大难题。针对此问题,我们研制出了点定位法与线定位相应结合的方式,即在椭圆形钢板的宽度方向各取对应2点,在长度方向取30mm长的圆弧边定位见图4,而模具的分型面又在产品的中间,这就正好使中间内钢板插入下模型腔定位槽中时被精确定位,随着合模动作的进行,全部内钢件都被各自的定位点固定。为减化操作,我们还设计了专用的内钢板放置架,事先就将内钢板位置确定,操作时只需将下挡板抽出,内钢板自动落入型腔中,合模前再将两侧的档板抽出即可;各定位槽内侧均有45度斜面,保证钢板插入的方向,并起导向作用,不至于发生啃模现象,合模时依靠合模力来锁紧上下方向的移动,见图4


4   中间内钢板的定位简图

3.2  模具的定位

注射模具在使用过程中要安装在成型机器的固定板上,这样模具就必须有严格的导向,使得模具内嵌件精确定位,动定模紧密合拢。如果模具不能合理的定位,则在高锁模压力作用下将会损坏模具,除此之外,不精确的导向,还将引起模具上下模错位,制品壁厚变化,而达不到产品尺寸要求。

3.2.1  模具与设备的定位

这里我们采用在上模通过1017*13mm的椭圆通孔用M12的螺栓与设备的上吊耳相连接,再与注射机的上加热板接触,这里与螺栓配合的孔由原¢12.5现改进成椭圆形,以包纳机床和模具加工带来的误差,装配时通过调整螺栓,将主浇道中心与设备喷嘴中心对齐精确定位,保证了注射头下行时与进料点位置吻合。下模通过8个宽14mm的长方形的开槽用M12的螺栓与设备相应的T型槽中的专用螺母相配合,使之与设备的下加热板紧固,这里下模的装配孔也改成长方形的开口槽,以利于螺栓的调整和装配。

3.2.2  上下模之间的定位

模具上下模本身同样需要导向以保证精确定位,在大型注射模我们采用四个导向系统(定位销和销套)来完成,为了便于安装、上下模准确合拢定位,将其中一组定位销相对其它偏移开来,以起到模具合模时导向作用。定位销一般固定在上模,在上下模分开时,上模带动定位销一起上升,而当下模移出机床加压区时,在下模上只有4个定位销孔以利于取件时增加活动空间,定位销作成台阶,是为了防止上下模分离时开模力过大或定位销与上模之间的配合不紧,使定位销脱离,定位销与定位销孔之间的配合选用H8/f7,足能保证上下模的合模精度

为了使定位销具有良好的导向性能,在定位销的先导部分做成球形,导向部分的尺寸应比型腔深度大出20mm左右,而定位部分为10mm, 完全保证了上下模的定位要求,见图2

3.2.3  左右模芯与上下模之间的定位

左右模芯与上下模之间的定位:是靠一端的10°斜面与上下模相应斜面相研配来保证的,上模10°斜面为左右方向都有,这样就把模芯在左右方向的位置完全精确的固定,下模10°斜面只在靠进型腔处有,(即左模芯的右侧,右模芯的左侧,这样设计的目的是为了方便操作,操作时先将各铁件放入下模型腔中定好位,再从左右两边斜面开放处插入左右模芯,)这样就造成左右模芯与下模配合后,在模具左右方向存在活动现象,为了避免下模在进入设备工作区内因移动而造成左右模芯在斜面处无定位而发生的位移,所以又增加了左右模芯定位销,此定位销为活动件,它与左右模芯和下模之间的配合可略微大点,选定为0.5mm,这样就决定了模芯在下模中的最大位移量只有0.5 mm见图2

3.3  分型面的确定

分型面的选择是一个比较复杂的问题,因为它受到制品的形状、成型位置、顶出方式、模具制造及操作等各种因素的影响。通常在在选择时考虑以下几个要点:①为便于制品的脱模,应使制品在开模时尽可能留在动模部分②分型面应尽可能选择在不影响制品外观的部位,而且在分型面处所产生的飞边应容易修整加工③制品的同轴度和脱模斜度的要求④考虑模具的加工成本⑤分型面的选择应有利于排气,一般分型面应与熔体流动的末端重合。

本产品的外形为长方体,我们将产品横着生产,它可能造成模具的横截面积增加,但注射机硫化平板的工作区域完全能满足要求,因此模具的分型面选在产品的中心横截面上,上下对称,利于制品的脱出,胶料进入模腔内的流动距离比较短,利于缩短硫化时间,见图2

3.4  浇注系统的确定

浇注系统是用来将料筒射出的熔体导向模具型腔的一种系统,其形态、尺寸以及与制品的联结形式,直接影响到熔体的充模过程,对制品的成型过程和质量有重要影响。浇注系统主要由主流道、分流道(可由第一、第二等等分流道组成)和浇口组成,设计浇注系统的要求如下:

①浇注系统各部分尺寸应与模具型腔数量和型腔容量相适应,尺寸偏小则使注射时间延长,胶料流动不畅,易造成压力降增大,甚至使胶料焦烧;尺寸偏大则浪费胶料,同时增大浇注系统加工量及模具的制造成本。

②浇注系统应在合理的范围内选择胶料流动路径最短方案,并尽可能做到平衡,

③浇注系统各组成部分的表面粗糙度一般为Ra0.8um,若表面太粗糙,人仅会使胶料流动的压力降增大,而且也易积粘胶垢,给模具的清洁带为困难。

3.4.1 专利REP浇道的应用

现国内橡胶注射模的浇道(指主浇道和分浇道)均采用线状的通畅路径,胶料从注射机喷嘴射出时,断面为圆柱状,橡胶柱外围边缘温度与中心处温度差值达5左右,形成热胶在壁边上流动,冷胶在壁中间流动的状态。而胶料射入型腔所用时间在40-50秒之间,短时间内不可能将胶料温度均匀化,这样就形成进入型腔的胶料温度不均,造成产品密集度差和硫化时间加长以及产品交联程度不一的现象。

橡胶支座注射模我们采用专利REP浇道,它是在主浇道转弯处或平直段较长处增设混料箱装置,由注射机喷嘴射出的温度不均胶料,从主浇道的平直段经过混料箱装置(即叠加段到台阶段到叠加段),进入分浇道,胶料经过多次叠加混合,使胶条内外部分温度区域差缩小,进入型腔中的胶料温度平衡,见下照片。


胶料混料箱              胶产混料箱装置 

   装置

 

3.4.1  分流道布局

分流道是主流道与浇口之间的部分,是指胶料熔体从主流道进入多腔模的各个型腔或单腔模多处进料的通道,起分流和转向的作用,分流道的要求是胶料熔体在流动中热量和压力损失最小,同时使流道中的胶料量最小。因此,分流道系统应在合理的范围内选择胶料流动路径最短方案,并尽可能的做到平衡,使到达所有浇口时胶料具有相同的压力和温度,并同时凝固,这样一个模具生产的所有制品才会具有一致的性能。

本模具采用以主浇口为中心,首先分成左右二支,即第一分流道,每支再分成上下二支,即第二分流道,每支再分成二支,即第三分流道,最后由2个第三分流道同时流入第四分流道,而在4个第四分流道中都有4个浇口,各分流道的走向形状全部采用弧形结构,以减小胶料流动的压力降,这样整个浇道系统形成上下及左右对称布局结构。形成平衡的布局结构,但是它还没有做到决对的平衡,具体见图5,在第3分流道的胶料流入第4分流道时,首先流入靠进第3分流道的2个浇口,然后再流入另外2个浇口,这样就形成了分段进料的局面,为了解决这一问题,我采用了设计浇口大小不同的方式,即靠进第3分流道的2个浇口采用小浇口直径¢4,而远离第3流的2个浇口采用大浇口直径¢4.3,通过实际验证达到了平衡原则,见图5

      


5  浇道系统分布图

3.4.2  分浇道的截面

分流道的截面形状和尺寸大小,应根据制品的成型体积、制品壁厚、制品形状、所用胶料的工艺特性、注射速率、分流道的长度等因素不确定,截面过小,会使流道压力损失太大并降低单位时间内输送的胶料量,使填充时间延长,制品常出现密度低、缺料、波纹等缺陷;截面过大,不仅积存空气增多,制品易产生气泡,而且增大胶料消耗量,延长冷却时间,因此,在设计分流道时,要求所设计的分流道应能满足良好的压力传递和保证合理的填充时间。


本模具分流道的截面采用抛物线形式的截面形状,可在上模的同侧加工,且热量损失最小,见图6

图6  分浇道截面形状

3.4.3  自动切断浇口的设计

由于该产品纯胶部分呈长方形状,且注射量较大,为了使浇口到型腔端点符合等流程原理,采用每腔2,每排8个浇口且在每层钢板的中心进料方式,使注胶速度快,制品不致于因胶硫化不能注入而缺胶,同时也保护了各内钢板,使其不致于因单向受力而变形,见图7所示,我们采用点浇口的形式,因它直径很小,胶料通过时,有很高的剪切速率,这对降低胶料熔体的表观粘度是有利的,同时,还有摩擦生热提高料温的优点,浇口容易在开模时实现自动切断。

3.4.3.1  浇口长度

浇口长度应尽可能地短,以便获得较低的充模压力和减少流动阻力,本模具采用了一个长4mm的平直段,以提供一个近乎锐的拐角,胶料在此处能进一步受到剪切作用,干净地断开。

3.4.3.2  浇口直径


浇口直径太小胶料会提前硫化,影响注胶压力,造成制品充模不完整,浇口过早冻结;

浇口直径太大,将影响到闭模,需要延长循环时间,还会在产品表面造成浇口残迹。通过多次试验,确定浇口直径为¢4.3mm,见图7


7 浇口形状

3.4.4  拉料槽的设计

为使浇注系统能比较顺利地清理余料,特别是主流道和各个型腔上方点浇口位置,在主流道下方或分流道拐弯处和点浇口上处特意设计了拉料槽,主流道下方为¢20mm的半球形 分流道与点浇口的交接处为¢8mm的半球形,

3.5  模具的排气

模具型腔在胶料的填充过程中,除了型腔内原有的空气外,还有因胶料受热或凝固而产生的低分子挥发气体,龙其是在高速注射成型时,模腔内的气体必须能够逸出,这样注入的胶料才可充满整个空间,如模腔内有空气存在,注射时这些空气被挤进一个角落,因为它的体积被压缩,它的热焓就被集中在很小的体积里,因而造成很大的温升,温度可能会达到数百摄氏度,使注入的胶料前沿灼伤;别外它的气体压强将变大,这就对胶料向这个角落的充填造成很强的阻力,气体的体积压缩得越小,压强和充填模腔最后空间的阻力就越大,造成缺陷,因此在模具设计时必须考虑到内部气体的排出问题。本模具的排气装置为排气孔和溢胶槽两部分组成

3.5.1  排气孔的设计

在上模型腔每层钢板之间胶料的中心部位设计1个排气孔,10(因有胶道的存在,不易打通孔) ,这样在胶料至下而上注满型腔时,被挤压的空气就被排到出气孔内;在下模型腔每层钢板之间胶料的中心部位对称设计2个排气孔,这样胶料往下注射时还没来得及向上排的气体,就被挤入下模的排气体孔内,排到模具型腔外,见图8

8 模具的排气简图

3.5.2  溢胶槽的排气

在上下模的分型面,沿型腔轮廓开设三角形深度为3mm的的溢胶槽,它与型腔相通,将型腔内的气体随余胶一块流入溢胶槽,见图9

9  溢胶槽简图

3.6  顶出机机构的设计

在注射成型模具中,完成将制品从模具型腔或型芯上完整地取出的装置称为顶了装置,顶出机构动作要求灵活、可靠、制造方便、配换容易等,要做到顶出的可靠性,就必须要计算顶出力的大小,影响顶出力的主要因素由制品收缩时型芯的包紧力,大气压力,机构本身运动的磨擦阻力及制品和模具之间的粘附力。

本模具由于在上下模型腔部位设计了滑块装置,在开模的瞬间,上下滑块也同时被内置的弹簧弹出一定高度,从而离开上下端钢板,这时制品的上下端钢板与型腔之间的磨擦力就消除了,见图2,就只有制品收缩引起的包紧力和橡胶与型腔之间的磨擦力成为主要阻力。

本模具的顶出机构设在设备的顶出装置上,它与模具是分开的,开模后,动模退出加热区,进入顶出装置区,由顶杆先将顶出销顶出,再由顶出销将顶出型腔,

3.6.1  顶杆位置的设计

顶杆应设置在顶出阻力大的地方,但不应离型腔太近,以避免胶料溢出进入顶出孔内造成顶出困难;当制品各处阻力相同时,顶杆应均等设置,使制品顶出时受力均匀,以免制品变形,若制品上有嵌件或成型滑块时,则顶出位置应设于嵌件上,本产品由于上下钢板只在一面挂胶,且有一部分是在胶料型腔的外侧,我们在钢板的两端设计顶杆,达到均匀顶出受力的要求。

3.6.2  顶杆的直径

顶杆直径不宜过细,应有足够的刚度承受顶出力,以免顶杆在顶出时弯曲或折断,,本模具采用的顶杆直径为¢20mm,材料为45#,抗拉强度达到600N/mm2

3.6.3  顶杆的高度

顶杆的高度应能保证产品从型腔中取出方便,一般是高于型腔10就可以,本模具的顶杆高度=拖拉板的高度+下模型腔高度+顶出型腔后高出20mm

3.6.4  顶杆的截面

因圆形截面的顶杆容易加工,配合精度和粗糙度容易保证,滑动阻力小,并可制成标准件便于更换,本模具选用¢20mm的台阶顶杆。

3.6.5  顶杆与顶杆孔的配合间隙

顶杆与顶杆孔的配合间隙应不大于所用胶料的溢边值,以免产生飞边.本模具是采用二级顶出机构,一级顶出时,顶出销与顶出孔的配合采用10°锥面研配,保证胶料不流进二级顶出孔内,二级顶出,考虑到加工误差,装配误差和活动间隙,取顶出孔为¢22mm

3.6.6  顶杆与固定板的联接


由于顶出时,靠顶出板将注射机顶杆的力通过模具顶杆传递给制品,所经顶杆承受着巨大的弯曲力,为了使顶杆的推力均匀,顶杆与固定板之间的配合必须牢固,本模具采用螺纹锁紧的方式,即在顶杆的一端设计有M16的螺纹与固定板旋紧后,再用M16的螺母进一步上紧,以防止松动.而顶杆螺纹部分的长度可长点,以便于调整顶杆的顶出高度,见图10

10   顶出机构简图

4  模具的加工

4.1模具材料的选择

注射模在工作时反复承受很高的压力和高的热应力,工作条件比严酷,需要有高强度、耐磨性和耐热性,胶料充模时模壁温度高于熔体温度,当与高温模壁相接触处因胶料粘度降低,所以流速很高,整个截面流速几乎相等,在熔体高速冲刷下,注射模的的流道和型腔磨损是严重的,尤其是浇口, 而橡胶原材料在压制成型时,放出腐蚀性气体,模具型腔也要经受气体腐蚀的浸蚀。

本模具是在温度在160--165℃条件下,承受交变应力和冲击力,模具在较强的磨损及浸蚀条件下工作。

一般,钢材料的成本要占模具整体成本的10%-15%,选择级别低的材料能达到节省成本的目的,但在长期的运行中,模具必须有长的寿命,因而应选择高性能的材料,成本通常较高。

而表面淬火钢最适合用来制造模具,这种钢实用且不昂贵,占整个模具制造用钢的80%,通过表面淬火,碳化或渗碳,模具可以形成像玻璃一样硬的表面,同时形成柔韧,可延展的芯部结构,坚硬的表面为模具提供了耐磨损性,而其韧性芯部可以承受振动以及交变载荷。另外,表面淬火钢还具有一些优于高碳钢及淬透钢的应用指标。

4.2  模具的加工

本模具选用45#,热处理HRC40-45,型腔部分的表面进行氮化处理,氮化处理深度约为0.4mm,型腔部分和浇道部分的表面粗糙度均为Ra0.80.4um,其它配合部分的表面粗糙度为Ra1.6,型腔的加工采用加工中心和电火花的加工方式进行精加工。

5  注意事项

由于本产品的两端镶件采用铸造成型工艺,必然会降低产品的尺寸精度,因此计算型腔尺寸时要考虑到这一点,在保证精确定位的情况下,其余与镶件配合的尺寸应适当放宽。

本产品是由铁件和橡胶交替排列形成整体的,由于铁件的存在直接影响到产品的收缩率,设计时应注意

顶出销与下模的配合采用锥面研配,以便形成薄胶边,接触率应大于80%,配合角度要避开自锁角度范围,以保证顶出时动作灵活,防止卡死现象,顶出销设计成活动件,以利拿出,清理废胶边。

由于上模座板固定在机床上不拆卸,上模板又只作上下运动,因此只要使主流道拉料槽尺寸大于主流道大口尺寸,就可以利用设备自身的精度来保证两模板的准确配合,无需再设计定位装置。

与定位销相滑配的孔不能直接加工到模板上,一定要使用销套,一方面销套可抗磨损,另一方面还便于磨损后的更换。定位销和销套都要进行表面淬火处理,其表面硬度要求达到HRC40-45,在定位销上要开设油槽,以便储存润滑油。

6  注射模的独特创新

橡胶支座注射模的独特创新亮点:①专利REP浇道的应用②滑块机构③弹簧顶出装置④整体模芯分成左右两部分模芯⑤模芯在下模的锥面定位和定位销定位同时起作用⑥下模锥面采用半开放式形式⑦顶出机构采用二级顶出装置⑧封胶利用顶出销来完成⑨溢胶槽采用与型腔相通的方式⑩出气孔在上下模同时增加 ⑾浇道采用上下左右对称,平衡和不平衡相接合的形式

7  产品的试验

本橡胶支座总成纵向抗压疲劳弹性模量的测试,是由集团技术中心试验室来进行测试的,它是在疲劳试验机,施加10T的压力,以2HZ的频率进行纵向压缩和横向剪切综合性的试验,连续运行200万次为标准,以无裂纹、无脱开,无碎渣等缺陷为依据,来进行质量判断,见图11。试验结果表明我们自主研发设计的橡胶支座总成进行疲劳试验达到260多万次仍然完好无损。


8  结束语

我们自主开发研制的橡胶支座总成是具有结构合理、能同时承受多方向负荷、整体刚度、强度、耐冲击性、高频振动吸收性及抗疲劳性能极高的橡胶减震件。它的研制成功,保证了集团公司重卡采用世界最先进的断开式平衡轴悬架系统的顺利进行。

橡胶支座注射模的研制成功, 填补了我厂在大型橡胶制品模具设计方面的空白局面,使橡胶支座的硫化生产工作过程全部实现了自动化控制,减轻了工人的劳动强度,缩短了辅助操作时间,有效地提高了生产效率,产品的性能稳定,质量得到保证。

 

参考文献:

(德)G.曼格斯  P.默兰  著 塑料注射成型模具的设计与制造