具有新型液压-螺旋式合模机构的压铸机.pdf

机械制造 许善新 具有新 型液压 一螺旋式合模机 构的压铸机 具有 新型液压 一螺旋式合模机构 的压铸机 许善 新 苏州三基铸造装备股份有限公司， 江苏 苏州 2 1 5 1 0 6 摘要 在深入剖析压铸机液压 一肘杆式合模机构特点的基础上 ， 提 出采用液压 一螺旋机构 实 现压铸机的合模、 锁模和开模。在压铸机的后板上由液压马达经齿轮传动装置带动螺母转动， 螺母 中的螺杆直线移动 ． 驱动 中板作在一定 长度 范围内根据 实际需要 而 变动的合模 移动 ， 合模 后依靠螺旋机构 自锁性能锁模 ， 锁模 力可精确控 制； 同时 ， 还设计 了双液压马达驱 动 系统 ， 实现 快速合模和开模以及低速大扭矩锁模； 为了解决动模板移动时过约束的问题， 提 出了中板具有 局部移动 自由度 的机械结构方案 。这三 个创新 点大大 简化 了压铸机 的整体 结构 ， 提 高 了压铸 工作 效率， 避免 了以前 因锁模力控制不 当引起 的种种 失效 ， 如 大杠拉 断 、 头板 与 中板 变形和 断 裂等。取 消 了以前换模具后 或零部件 温度 变化后 必须调 整后板位 置的 烦琐工 艺， 简化 了控制 系统。本设计方案 已申请 专利 ， 并在本公 司的小型压铸机上试验成功。 关键词 压铸机 ； 合模机构 ； 螺旋 ； 自 锁 中图分类号 T H G 2 3 3 ． 1 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 4 - 0 0 5 6 - 0 3 Di e Ca s t i ng M a c h i n e wi t ha Ne w Hy dr a u l i c he l i c a l M o l d Cl o s i n g M e c ha ni s m XU S h a n ． x i n S u z h o u S a n j i F o u n d E q u i p me n t C o ． ，L T D ． ， S u z h o u 2 1 5 1 0 6 ， Ch i n a Abs t r ac tTh i s p a p er p r e s e n t s t h a t t h e h y dr a u l ich e l ic al me c h an i s m c an be u s e d t o c o mple t e t h e mold c los in g，l o c k i n g a n d op e n i n g，i n d ee p a n aly s i s o f t h e h y d r a u l i ct o g gle mold c lamp i n g me c h an ism．Th e g e ar s i s dr i v e n b y t h e h y dr au li c mo t or f ix e d i n t h e t h i r d pla t e，t h en t h e n u t i s d r iv en b y t h e g e ar a c c or din gly，ma k i n g mo v i n g p lat e mo v e wi t h i n a c er t a i n len g t h a c c o r d i n g t o t h e ac t u a l ne e ds un t i l t h e mo v i n g pla t e is l o c k e d b y on t h e s e lf lo c k i n g o f s pir a l mec h a n i s m．Th e c l a mp i n g f or c e c an b e c o n t r oll e d a c t u all y ．At t h e s ame t i me，t h e d u al h y dr a uli c mo t or d r i v e s y s t em is d es ign e d t o c l o s e a n d o p en t he mo ld r a p i d ly，a n d t o l o c k t h e mold wit h l o w s pe e d a n d h igh t o r qu e．I n o r d e r t o s o l v e t h e o v er c o n s t r a i n e d pr o ble m e x i s t i n g i n mo v i n g p la t e whil e t h e p l a t e mov e s，it p u t s f or wa r d t h a t t he mov ing p l a t e i s a l lowe d a f r ee h an d．The t hr e e i n n o v a t io ns s imp l if y t h e in t eg r a l s t r u c t u r e o f die c a s t i n g ma c hin e，i mpr o v e e ff i - cie n c y an d a v o i d all k i n d s o f f ail u r e s c a u s ed b y i n c or r e c t c o n t r ol of mo ld c lamp i n g f o r c e．s u c h a s t i e b a r s’t e n s i o n f r a c t u r e．d e f or ma - t io n a n d t e n s io n f r a c t u r e o f f i r s t a n d s e c o n d p l a t e s ．T h e c u mb e r s o me p r o c e s s o f a d j u s t i n g t h e t h i r d p l a t e p o s it i o n a ft e r c h a n g in g mo l d a n d p a rt s’t emp er a t ur e v ar ia t i o n i s c an ce led a n d t h e c on t r ol s y s t em is s i mplif i e d．Th e p a t en t o f t h e de s ign s c h eme is ap p l ied f or ， a n d it i s t e s t e d i n s mall d ie c a s t i n g m a c h i n e s u c c e s s f u l ly． Ke y wo r dsdiec a s t i n g ma ch in e； mold c l o s i n g mec h a n i s m； h eli x； s e l f l o c k i n g 0 前言 近年来 ， 压铸行业 高速 发展 促进 了压 铸机 行业 的发 展 和竞 争。压铸 机行业必然需要设计 出性 能更 加优异 的 压铸机， 以满足生产高品质低成本压铸件的需要。 压铸机主要由合模机构、 压射机构、 液压机构和控制 系统组成， 其中合模机构是关键， 所以国标规定， 用锁模 力的大小作为压铸机的规格。精确和可靠的锁模力成为 保证压铸件品质和延长压铸机寿命的关键。 合 模机构是带动动模板实现合模 锁模 和开模 的专门 机构。合模 时中板移 动要较 快 而移 动力 不大 ； 锁 模 时要 提供精确的锁模力 ， 以防止压 射后 压铸 件在模 腔 中 的胀 模； 开模时中板后移动要快 ， 由于模腔对压铸件 的夹紧作 用 ， 开模力要大于合模力。传统有全液压式和液压一 肘杆 式两种合模机构。 全液压式合模机构一般使用复式油缸。当向内油缸 注入高压油时， 内油缸带动外油缸和中板一起高速移动 ， 实现合模动作 。然后增压装置通过 增压器 口对外油 缸 的 常压油 突然增压 ， 实现锁模 ； 同时压射装置压 射金属 液入 模腔 。以后 内油 缸反 向通 油 ， 实现 开模 移动 。全液 压合 模机构结构简单， 操作方便 ， 可适应不同厚薄的模块 ； 但 机构 刚性较差 ， 在胀 模 力略有 出超 时 ， 中板 就 可能后 退 。 目前这 种合模 机构只用在小型机上⋯ 。 液压一 机械式合模机构得到广泛应用并不断发展。 目前常见的是液压 一肘杆式合模机构。 1 液压 一肘杆 式合模机构 的特 点 图 1 a 是卧式压铸机及其液压一 肘杆合模机构的结 作者简介 许善新 1 9 6 2一 ， 男 ， 江苏南通 人， 高级工程师 ， 学士 ， 主要从事铸造成型设 备电气 自动化 和机械 的研究 。 5 6 h t t p ∥Z Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造 与 自动化 机械 制造 许善 新 具有新型液压 一螺旋 式合模机 构的压铸 机 构示意图。从图 1中可以看出， 液压一 肘杆式合模机构是 沿轴线对称 分 布 的上下 两 套机 构 。为 了方便 研 讨 ， 图 1 b 表示了其上半部份， 是一个六连杆肘杆机构。滑块 l 是油缸活塞 ， 短连杆 2起传动作用。连杆 3和4类似人的 大小臂 ， 统称为肘杆 ， 滑块 5相 当于动模板 。滑块 1的移 动量以 S表示 ， 滑块 5的移动量 以 ， J 表示 。 b 1 一滑块； 2 一短连杆； 3 一肘杆； 4 一肘杆 ； 5 一滑块 ； 6 一动模板 图 1 卧式压铸机 液压 一肘杆式合模机构 图 2给出了 s一 关 系曲线。图中 ￡曲线的实线部分 表示滑块 5的移 动 ， 曲线上 的 尸点表示 滑块 5有 了最 大 位移量 ， 此 时肘 杆 3和 4相互转动到在一条直线 。 曲线 的虚线表示滑块 1的过 量移 动导 致滑 块 5回缩 ， 此 时肘 杆 3和 4由内 凹变成 外 凸 ， 对本 装置 无实 用 意义 。从 上 述工作原理 的分析可 知 ， 该机构 中不存 在 曲柄 ， 而连 杆 3 和4有肘杆的特征， 故称为肘杆机构而不是曲肘机构。 图 2 六连杆肘杆机构 运动特性 a 该机构有三个特点。1 图2画出d l V d S曲线， 从该 曲线可知 ， 在合模过程中， 动模板的移动速度先快后慢 ， 一方 面可以缩短合模过程， 另一方面又可以确保平稳施加锁模 力。2 肘杆机构有力放大作用。当不计摩擦时， 主动件滑块 1 上主动力作的元功等于从动滑块5工作阻力作的元功。设 主动滑块 1的元位 移为 c L S ， 从动滑块 5的元 位移为 ， 则 Bd S／ d L就是力的放大倍数 ， 图 2中画出了 曰曲线， 随移 Ma c h in e B u i l d i n g日 Au t o m a t io n ， J u n 2 0 1 2， 4 1 4 5 6～5 8 动量增加， 放大倍数变大。尽管滑块 1的主动力推力很小， 仍可在滑块 5处形成巨大的锁模力。在 P点处 ， B值 为无穷 大。3 肘杆机构 当运 动达到 P点时 ， 肘杆 3和 4处 于一直 线 ， 称之为处于死点 ， 其反向运动 自锁 ， 即当滑块 5 变为主动 件时 ， 滑块 5无法推动肘杆 3和 4转动。也就是说， 无论胀 模力有多大， 都不可能造成开模。在合模机构中采用肘杆机 构就是 因为这三个特点。 b 肘杆机构的特性也造成了合模机构 的不足和缺陷。 1 为了精确 控制锁模 力， 要对安装 了模 具的压铸机进行调 整。首先要计算出在额定锁模力作用下大杠的伸长量和肘 杆的压缩量 ， 得出两者之和。空 载操作机器 ， 油缸驱动肘杆 机构运动到2个肘杆处于一条直线位置而正好合模， 此时动 模块和定模块在四个角处的接触密合 ， 锁模力为零。然后同 收肘杆机构 ， 调整后板 ， 使后板 向头板方向移动距离 s 。进一 步空载试车， 使肘杆机构前行到死点， 观察确定是否正常。 而这种调整需要经验和耐心。当模具更换时 ， 由于模具 的厚 度变动 ， 必须从新调整压铸机后板和头板之间的距离 ； 当压 铸机工作一段时间后 ， 由于工作构件包括模具 、 大杠和肘杆 的热变形 ， 也需要再次调整后板和头板之间的距离。2 肘杆 机构比较庞大， 肘杆比较长， 使得大杠也很长， 压铸机也很庞 大。3 整个合模系统 的运动链很长， 运动误差大 ； 又为 了保 证运动可靠， 在合模机构的油缸活塞、 肘杆 和中板上设置对 运动的过约束 ， 造成附加阻力。 为了克服上述不足， 世界知名的压铸机生产商布勒 公司提出新的液压 一机械式合模机构方案， 采用两板式 合模系统 J 。 2 液 压 一 螺 旋 式 合 模 机 构 压 铸 机 简 介 研发更加合理的压铸机合模机构来推动压铸机进步 是刻不容缓的任务。考虑到压铸机使用液压系统作为动 力源， 充分利用液压技术有利于发挥现有压铸机的长处。 进一步又考虑到 ， 机械机构中 ， 能 同时实现力 放大和 反向 运动 自锁的机构有连杆机构 、 蜗轮蜗杆机 构 、 斜面机构 和 螺旋机构等。本研发中心创造性地提出了液压 一螺旋式 合模机构的设计方案 ， 在 申报发明专利 的同时 ， 已在小 型 压铸机上试验成功 。 如 图3所示 ， 后板的外侧设置液压马达 1 ， 液压 马达 l 1 一液压马达 ； 2 一齿轮 ； 3 一 推力螺杆 ； 4 一 中板 图 3 压铸机液压 一螺旋式合模机构简图 5 7 - 机械制造 许善新 具有新型液压 一螺旋式合模机构的压铸机 传动齿轮2再带动螺 固结在齿轮上的螺母转动， 螺母高 速转动驱使推力螺杆 3 作不转动的移动， 螺杆推动中板4 实现合模运动， 在合模到位时另一液压马达作低速大扭 矩转动 ， 提供 大锁模力 。由于螺旋传动 的 自锁特性 ， 压射 金属液体到模腔引起 的胀模力 不可能分 开动定模块 。压 射结束后， 液压马达高速反转实现开模。 设液压 马达转速为 n r ／ m i n 和扭矩为 M N n 1 ， 齿 轮传动 比为 i ， 螺杆 中径 为 D i n ， 单 头螺旋螺距 为 T in ， 螺旋副中构件间摩擦系数为． 厂 ， 螺旋牙的牙形角 2 6 为3 0 。 ， 锁模力为 Q N 。 一． 则 螺杆 的移动速度 V m ／ s OU t n 锁模力 Q的计算公式为 ， m i Q t a n 卢 二 自锁条件为 0 f 口 其中 为螺旋角， t a n aT ／ 盯X D ； 卢为诱导摩擦 系 数 ， t a f ／ c o s a J 。 本创新发明设计出新型的液压 一机械式合模机构， 在技术上有三个创新特点 。 1 利用螺旋机构实现合模 、 锁 模和开模 运动 。如 图 3 所示， 用液压马达带动齿轮和螺母转动， 螺母的转动使 推力螺杆作直线移动， 推力螺杆推动动模板移动， 具有下 列优点 。液压马达 的转 速可 以 由进 油量 加 以控制 ， 又 实 现定传动比， 所以螺旋机构合模开模时中板运动平稳而 快速 ； 合 模开模移动距离量不受 限制 ， 省去 了原来繁 琐的 后板 和头板距离 调节 工作 ； 螺旋机构 力放大倍 数是常数 ， 锁模力容易控制 ； 螺旋机 构的反 向 自锁性 能确保 压 射时 不发生胀模破坏 ； 大大简 化 了合模 机构 ， 缩 短 了大杠 ， 节 约成本 ， 方便使用和维护 。 2 采用双液压马达作为驱动源。如图4所示， 在后板 的外侧， 设置2 个液压马达同时与齿轮啮合， 一个液压马达 为高速低扭矩而另一个液压马达为低速大扭矩。合模和开 模过程时高速低扭矩马达工作而另一马达随动通常压油 ． 以 提高工作效率 ； 在锁模时低速大扭矩马达工作 ， 根据马达额 定扭矩和螺旋尺寸， 可提供额定锁模力， 而另一马达随动通 常压油。这一驱动方式由液压控制油路保证。 高速低扭 齿轮 低速 大扭矩液压马达 图 4 双 液压 马达 驱动装置 3 螺杆与动模板的联接有局部运动 自由度。如图3 所示 。推力螺杆 3通过支架带动 中板沿螺 杆轴线方 向来 回移 动的同时 ， 中板又要受压铸机 机架 四根 大杠 的引 导 ， 进一 步 ， 动 中板还要受到机架上水平 导轨 的引导 ， 造 成复 杂的过约束。在图5 a 中， 沿 轴线方向的粗实线段 O O表 示螺杆头部 中心 在整 个工作 行程 的轨迹 ， 粗 虚线 段 O， _ O 表示在大杠和水平导轨双重引导下中板中心的 移动轨迹， 这两个线段不可能重合。以粗实线段 OO为 轴线画出包容粗虚线段 O r _O 的圆柱体， 园柱体的每一 个截面上都有 O点和 O 点， 两者之间的距离就是过约束 量 ， 见图5 b 。传统的合模机构强制把 O点和 O 点并合 在一起 ， 造成极大的过约束 ， 造成零 部件变形 和 中板 移动 的附加 阻力 。本 发 明在 支架 上设 置双 板 ， 螺 杆 头部 处于 双板之间， 螺杆可以沿轴线方向推动和拉动中板， 而中板 仍可沿螺杆轴线垂直方向自由地作微量上下左右移动， 使得螺杆移动过程的任一瞬间 O 点相对 O点保持 自由 分离状态， 从而减轻甚至消除了过约束。这一做法一方 面可以降低过约束造成的特别是推力螺杆的附加变形， 又可以降低制造和装配精度。 b 图 5 过约束引导时中板运动分析 3 结束语 本设计方案已在小型压铸机上进行试验 ， 能否推广 到中大 型压铸机上 ， 还有待进一步的探索 。 本设计方案 可适用 于类似 的机械装备 如注塑 机等 的 合模机构中。 参考文献 [ 1 ]压铸技术 [ M] ． 北京 清华大学出版社． [ 2 ]卢宏 远， 等． 布勒两板压铸机合模 系统 介绍 布勒公 司中国 [ z] ． 中国 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ]洪 慎 章． 特 种成 形 实 用技 术 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 4 ]沈世德 ， 等． 实用机构学 [ M] ． 北京 纺织 工业 出版社 1 9 9 7 ． [ 5 ]成 大 先 ， 等． 机 械 设 计 手 册 [ M] ． 北 京 化 学 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 40 9 5 8h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制 造与 自动化