（机械电子工程专业论文）玻璃钢螺纹模压成型研究.pdf

摘要 玻璃钢螺纹品具有强度高、连接牢固、重量轻、安装方便、电绝缘、耐腐 蚀、易切割等诸多优点，在航空航天、汽车和建材领域得到了广泛应用。采用 模压成型工艺，不仅增加了螺纹制品的强度，而且提高了螺纹制品的表面质量 和尺寸精度，使其应用到更广泛的结构连接领域。 本论文以压制普通粗牙螺栓为研究对象，讨论和总结出了玻璃钢螺纹模压 成型与其它成型方式诸多优势。根据螺栓的结构特点和使用要求，选择适合模 压料和成型工艺，并按照不同分型情况设计了两种压模。最后校核了压模承载 零件的强度，研究了压模的升温特性，为制定成型温度体制提供依据。其主要 有以下工作和结论： 1 、以p r o e n g i n e e r 的模具设计模块为设计平台，根据螺栓的结构特点和不 同施压方向，选择了两种不同的分型方式，并设计了螺栓的成型零件。在e m x 4 1 上为模具选择了标准模架和组件，将成型零件组装在模架上，得到了压模整体 的三维实体。 2 、根据模具成型压力和开闭模要求选择和校核了压力设备，并且做了基于 p r o m e c h a n i s m 模具开闭模仿真，两副压模均可顺利的开闭模，无干涉情况。 3 、本课题设计的两种压模特点各不同，使用的模压料和模压工艺也不同， 结合压模结构特点和玻璃钢螺栓使用要求，为玻璃钢螺栓模压成型选择了模压 料，并且确立了玻璃钢螺栓模压成型工艺。 4 、计算出了压模的载荷，运用a n s y s 软件对部分零件结构静力学分析，求 解出零件应力和应变云图。校核了零件强度，零件的最大应力和应变没有超出 材料许用范围。 5 、采用电热棒加热模具，为了研究模具升温特性，在a n s y s 中对模具加热 部分进行热分析，绘制出了模具升温曲线以及温度分布云图。模具的升温速度 满足了模压成型工艺要求。 关键词：玻璃钢，螺纹，压模设计，模压成型 a b s t r a c t g f r pt h r e a dp r o d u c t sw i t hh i g hs t r e n g t h ，as t r o n gc o n n e c t i o n ，l i g h tw e i g h t ，e a s y t oi n s t a l l ，e l e c t r i c a li n s u l a t i o n ，c o r r o s i o n - r e s i s t a n t ，e a s yt oc u ta n dm a n yo t h e r a d v a n t a g e s ，w i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c e ，a u t o m o t i v ea n db u i l d i n gm a t e r i a l f i e l d u s e do fm o l d i n gt e c h n o l o g y ，n o to n l yi n c r e a s e dt h ei n t e n s i t yo ft h r e a dp r o d u c t s ，a n d i m p r o v e dt h es u r f a c eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dt h ep r e c i s i o no ft h r e a ds i z e ，s ot h a ti t m o r ew i d e l ya p p l i e dt oa r e a so fs t r u c t u r a lc o n n e c t i o n i nt h i s p a p e r ，t ot a k et h eb o l tw i t ho r d i n a r yc o a r s et h r e a d f o re x a m p l e ，h a d d i s c u s s e da n ds u m m e du pal o to fa d v a n t a g e so fm o l d i n gg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c t h r e a d ，t oc o m p a r eo t h e rs h a p ew a y a c c o r d i n gt ob o l tt h es t r u c t u r ea n du s eo ft h e r e q u e s t ，s e l e c ts u i t a b l em a t e r i a lo fm o l d i n ga n ds h a p i n gp r o c e s s ，a n di na c c o r d a n c e w i t ht h ed i f f e r e n ts u b d i es i t u a t i o n ，d e s i g nt h et w om o u l d s f i n a l l y ，c h e c ks t r e n g t ho f c o m p o n e n t s ，s t u d yo ft h ed i et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sf o rp r o v i d i n gab a s i sf o r f o r m i n gt e m p e r a t u r e t h em a i nc o n c l u s i o n s o ft h ew o r ki nt h ef o l l o w i n g ： 1 w i t ht h ed i ed e s i g nm o d u l eo fp r o e n g i n e e rf o rt h ed e s i g no ft h ep l a t f o r m ， a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o l ta n dt h ed i f f e r e n td i r e c t i o no f p r e s s u r e ，t h e r ea r et w od i f f e r e n ts u b d i et y p e st ob ec h o s e n ，a n dd e s i g nf o r m i n gp a r t s o fb o l t s i nt h ee m x 4 1aw ec h o i c eo fs t a n d a r dm o l dc o m p o n e n t sf o rd i e s t h e f o r m i n gp a r t sb ei nt h ea s s e m b l ym o d eo nt h es h e l v e s ，t h ed i eh a sb e e nt h eo v e r a l l t h r e e d i m e n s i o n a le n t i t y 2 a c c o r d i n gt om o l df o r m i n gp r e s s u r ea n dr e q u e s to fs w i t c h - m o d eo p t i o na n d v e r i f i c a t i o no ft h ep r e s s u r ee q u i p m e n th a v eb e e nc h o s e na n dc h e c k e d a n dt h e nb a s e d o nt h ep r o | m e c h a n i s m ，w ef i n i s hm o l do p e n i n ga n dc l o s i n gm i m i ct r u e 。t w od i ec a n b es m o o t h l yo p e n e dt h ec l o s e dm o d e ，w i t h o u ti n t e r f e r e n c e 3 i nt h i sp a p e rt h e r ea r et w od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i e a n dt h eu s eo f t h em o l d i n gm a t e r i a la n dm o l d i n gp r o c e s si sd i f f e r e n t t ol i n ku pd i e ss t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h eu s eo fg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i cb o l t s ， m o l d i n gm a t e r i a lo ft h eb o l t si sc h o s e ，a n de s t a b l i s h e dm o l d i n gt e c h n o l o g yo ft h e g f r pb o l t 4 c a l c u l a t e dt h el o a do ft h ed i e ，u s e do fa n s y ss o f t w a r eo nt h ep a r to ft h e s t r u c t u r a lp a r t ss t a t i c sa n a l y s i s ，s o l v i n gt h es t r e s sa n ds t r a i np a r t so ft h ec l o u d c h e c k i n gt h es t r e n g t ho fp a r t s ，p a n so fm a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i nd o e sn o te x c e e d t h ea l l o w a b l er a n g eo fm a t e r i a l s 5 u s e do fe l e c t r i ch e a t i n gr o d st oh e a tt h ed i e s ，i no r d e rt os t u d yt h et e m p e r a t u r e p r o p e r t i e so ft h ed i e ，t h eh e a t e dp a r t sa r ef o rt h e r m a la n a l y s i s ，d r a w i n go u tt h ed i e t e m p e r a t u r ec u r v e ，a sw e l la st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nd o u d t h er a t eo fw a r m i n go f d i e sm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o l d i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d ：g f r p ，t h r e a d ，d i e d e s i g n ，m o l d i n g l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 一一，、 研究生( 签名) ：臣挈g 赵日期：王旦! 墨：! ! ：坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：匾导师( 签名) ：盘日期：删k 西 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 i 课题来源 课题来源：武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所预研项目。 1 2 课题意义及目的 螺纹在机械结构中起连接、密封和传递运动等重要的作用在制造和维修中 可重复装配和拆卸。普通钢制螺纹制品已经有成熟的成型工艺，价格便宜而且 已经规范化应用广泛，但在某些特定环境中，这中钢制的螺纹制品容易腐蚀生 锈，而难以拆卸。玻璃钢复合材料质量轻，比强度高，耐酸、耐碱和绝缘等特 性，所以这种材质的螺纹制品有着普通钢制螺纹制品无法比优点，常常用于高 腐蚀性化学溶液的密封和航空航天等需要轻质材料的地方。玻璃钢是一种各向 异性材料，材料的各个方向的性能，在较大的程度上可以认为的设计和控制， 从而使材料的性能充分的发挥，为合理地利用材料创造了条件。玻璃钢的成型 简单，工艺方法种类繁多，只要工艺方法及设备选择得当，很容易制造出尺寸 准确、结构复杂、外表美观的制品。 随着玻璃钢螺纹的用途越来越广泛，市场上对玻璃钢螺纹制品的需求量加 大，对高强度的更是渴望，所以研究玻璃钢螺纹的成型技术是非常有必要的。 采用模压的方式生产玻璃钢螺纹，不仅提高螺纹的强度，还可以提高螺纹的表 面质量和生产效率，适应大批量生产。这种质量轻、强度高、表面质量美观的 正是国民经济所需的。 1 3 课题相关国内外研究状况 目前玻璃钢螺纹的成型方法的大致可分为两种：首先是传统的螺纹加工方 法，就是将玻璃钢成型为毛坯，然后在车加工成螺纹。这种加工方式，操作简 单而且设备容易得到，但在车削螺纹的时候玻璃钢复合材料中的玻璃纤维被切 断，大大的削减了螺纹制品的强度。第二种方法是拉挤成型，就是将浸渍过树 脂胶液的连续玻璃纤维束或布带，通过成型模具模塑成型，在模具中或加热炉 中进行固化，在牵引机构拉力作用下，连续拉拔出无限长度的玻璃钢螺纹制品 的方法。这工艺的特点是，生产过程完全实现机械自动化，生产效率高；生产 武汉理工大学硕士学位论文 过程不问断，制品长度不限；产品无需后加工，生产过程中边角废料少，节省 原料和能源；产品质量稳定，重复性好操作方便，省人力、劳动条件好。拉挤 成型的玻璃钢螺纹制品的截面一般是是一致，所以不宜成型螺栓等有台阶的螺 纹制品嘲。 国内某些厂家研发出适合煤炭系统使用的高强度全塑型玻璃钢锚杆，独创 的杆体与杆尾螺纹一次模压成型技术填补了国内空白；并突破了提高尾部 螺纹承载力的技术难关。高强度玻璃钢锚杆在许多技术参数上超过了金属锚杆。 锚杆由玻璃纤维纱、树脂、固化剂等经过挤、拉、高温固化成型。锚杆杆体形 状为全螺纹，螺纹为左旋或右旋。具有抗拉强度大、易切割、重量轻、高抗腐 蚀性、阻燃、抗静电等性能，可永久支护，是取代金属锚杆的复合增强材料新 产品。某些玻璃钢全螺纹等强锚杆和拉挤成型生产线，近期国外用户检测性能 指标达到国际先进水平。在国内煤矿应用的同时，已进入国际市场。此种玻璃 钢螺纹等强锚杆玻纤含量 8 0 ，抗拉强度8 0 0 n h 衄2 ，弹性模数3 7 0 0 0 n 唧2 ， 破坏伸长率2 5 ，抗剪强度1 2 0 m p a 。可广泛用于铁路、公路、水利和矿山 隧道路基护坡的支护锚固。既解决了钢锚杆易锈蚀问题又大大提高了抗拉强度 和锚固力，减轻劳动强度，降低支护成本。 自6 0 年代中期，西德拜耳公司在世界上率先推出不饱和聚酯基s m c ，利用 树脂中含有羧基与氧化镁反应，树脂会变成无粘附性的固体，且在热压条件下 容易流动。而用热塑性树脂降低不饱和聚醋树脂收缩性的技术恰好问世，利用 这一技术，s m c 成为生产率、强度特性、耐热性、表面性能优良的模压材料， 迅速进入运输车辆、建筑、电子电气各个应用领域，并以每年2 0 ”2 5 的增长 率快速增长。目前世界s m c 产量涨到全部玻璃钢总产量的4 0 “5 0 ，据统计， 1 9 9 1 年欧洲共同体s m c b m c 产量达2 7 5 w t ，1 9 9 2 年日本s m c b m c 总产量达 1 5 w t 。在欧美，大部分s m c 七成工业和电子电气工业，而在日本，7 0 “8 0 的 s m c 用于建筑工程中1 2 l 。近几年来国外片状模塑料的研究工作，主要致力于以下 几个方面：多品种、专用等级片状模塑料配方的研究；树脂糊系统的快速增稠 技术。片状模塑料制品的表面涂装性；树脂糊各组分的自动连续计量、混合、 供料设备的研究统的研究；连续稠化系统的研究；片状模塑料成型过程自动化 研究；片状模塑料专用成型设备( 如压机) 的设计。 我国是在七十年代开始研究s m c 树脂糊、s m c 生产与模压工艺，1 9 7 6 年研 制成功了第一条s m c 机组。s m c 主要产品有：水箱板、风扇、座椅、电器配件、 2 武汉理工大学硕士学位论文 防爆型灯罩、冷冻鱼盘、拖拉机顶棚，以及汽车的备轮仓、电瓶托盘、保险杠、 前围板、货车轮胎罩、烟道隔离板等许多制品。现在，在山东德州市及其周边 的地区已形成了一些资产上千万的民营玻璃钢企业，对我国s m c 的产业贡献巨 大，已名副其实地成为中国f r p 之乡。2 0 0 4 年s m c 产值达到2 亿元左右。但在 新技术方面尚未取得很大进展，如汽车配件方面，还以小、散、结构简单为主【3 l 【6 l 。 国外的复合材料产业开始的比较早，发展的也比较快。这里处于领先优势 主要是日本和美国，玻璃钢复合材料的日新月异的发展，降低汽车产业的成本， 提高了生产效率，反过来也促使那些玻璃钢应用的广泛。 1 4 主要研究内容及关键问题 1 4 1 主要研究内容 以m 1 0 x 4 0 普通粗牙六角螺栓( 尺寸如图i - 1 ) 为研究对象，根据螺栓的性 能等级为4 8 ，选择符合螺纹成型特点模压料，再玻璃钢模压料的性能不同，制 定不同的成型工艺，利用p r o e 设计压模，建立压模的三维实体，并进行干涉检 测。然后利用a n s y s 软件进行结构分析，校核部分零件的强度，对模具模温热 力学分析，绘制模具升温特性图，制定温度体制。 1 1 u 一 厂r 0 4 _ 卜一2 6 l - 一一移 6 4 图1 - i 螺栓尺寸图 1 4 2 研究关键问题 1 、讨论和选用符合螺栓使用强度的模压料及模压成型工艺； 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 、根据施压方向和开模方式的不同，利用p r o e n g i n e e r 模具设计模块设 计压模； 3 、建立关键受力零件的a n s y s 模型，计算载荷大小，求出零件的应力和应 变云图； 4 、建立模具的温度模型，加载温度载荷，研究模具升温特性。 1 5 玻璃钢模压成型概述 1 5 1 玻璃钢模压成型特点及分类 本文重点介绍的是第三种成型方法，即玻璃钢复合材料模压成型( 如图 i - 2 ) 。模压成型工艺是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、 加压固化成型的方法。其主要优点是：生产效率高，便于实现专业化和自动化 生产；产品尺寸精度高，重性好；表面光洁，无需一次修饰；能一次成型结构 复杂的制品；价格相对低廉h 1 。 打磨 毛刺 检验 脱模及辅 助加 成品 工 图i - 2 模压成型流程图 玻璃钢模压按照增强材料物态和模压料品种可分为一下几种醢1 ： 1 ) 高强度短纤维模压料的模压成型是将经预混或预浸的玻璃纤维短 切模压料，放入金属对模中成型玻璃钢制品的一种方法。这种方法简便易行， 尤其适用于制造结构比较复杂的中、小型制品、其应用范围最广泛。 2 ) 定向铺设模压成型是将经预浸之玻璃纤维制品，按制品的使用受力 状态进行定向铺设，然后将定向铺设的料坯放在金属模具内成型玻璃钢制品的 一种方法。这种工艺，尤其适用于单向、双向应力型高受力的大型制品的制造。 3 ) 毡料模压成型是将玻璃纤维预浸毡剪裁成所需之形状，然后放入金 属模具内成型玻璃钢制品的一种方法。用这种方法制成之短切玻璃纤维预浸毡， 4 武汉理工大学硕士学位论文 在压制操作时，使用方便，备料过程中纤维的强度损失较小，纤维在制品中的 伸展性较好。模压料的制备适用于连续化大生产。因而应用也比较广泛。 4 ) 层压模压成型是将浸过树脂的玻璃布( 或其他织物) ，按制品的尺 寸和形状裁剪，并叠合到所需的层数，然后放入金属模具内成型玻璃钢制品的 一种方法。这种方法较适用于大型薄壁制品或一些形状简单、要求特殊的制品。 5 ) 缠绕模压成型是将浸过树脂的玻璃纤维或布( 带) 缠制在一定形状 的模芯上，再在金属模具内进行升温加压成型玻璃钢制品的一种方法。这种方 法适用于特殊形状之制品或管棒材的成型。 6 ) 碎布料模压成型是将浸过树脂的玻璃布( 或其它织物) 的下脚料， 剪切成尺寸较小的碎块，然后在金属模具内成型玻璃钢模制品的一种方法。这 种方法仅适用于形状太复杂和对性能仅有一般要求的玻璃钢制品。 7 ) 织物模压成型是将浸过树脂的预先织成所需形状的双向或三向织 物，放在金属模具内成型玻璃钢制品的一种方法。向引进了增强纤维，而且其 中特别是三向织物模压成型，由于在纤维的配置也能根据受力情况进行合理的 安排，因此显著地改善了一般增强塑料的性能，特别是层间性能及抗热振性。 与一般的模压制品相比，它有更好的重复性和可靠性，是发展具有特殊性能( 如 三向应力型结构件和耐烧蚀件) 模压玻璃钢制品的一种有效途径。但这种工艺 方法比较复杂、成本高、为实现高效率及降低劳动强度需采用复杂的机械化或 自动化设备，因而，其应用领域将有严格的限制。 8 ) 吸附预成型是指在成型模压制品之前，预先将玻璃纤维仿制成与模 压制品结构、形状、尺寸相一致的坯料，然后将其放入金属对模内与液体树脂 混合，加温加压成型玻璃钢制品的一种工艺过程。它适用于制造大型、高强、 异形、深度较大、壁厚均匀的制品。 9 ) s m c 模压成型将s m c 片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料， 然后将多层片材叠合后放入模具加热加压成型制品。此法适于大面积制品成型， 目前在汽车工业、浴缸制造等方面得到了迅速发展。 1 s 2 玻璃钢模压成型工艺性及影响因素 模压料成型工艺性主要为模压料的流动性收缩率和压缩性。 1 、模压料的流动性 在确定模压工艺条件和模具设计中必须充分注意模压料的流动性。流动性 5 武汉理工大学硕士学位论文 好，则可选定较低的成型温度和比力也比较容易压制复杂的制品。流动性差， 则必须相应提高温度和压力，成型较复杂的制品也比较困难。在实际生产中模 压料能否压成一定形状的制品主要取决于流动而流动的难易取决于模压料的 粘度。 1 ) 模压料质量指标与组分对流动性有重大影响。含胶量或可活性树脂含量 高，流动性大挥发分含量对流动性影响更显著、挥发分音量增加物料流动性 增加。但当挥发分含量过高易使成型时树脂大量流失，严重影响制品质量。当 挥发分台量过低时，物料流动性显著下降成型困难。 2 ) 模压料中增强材料的形态、含量对流动性影响很大。常用增强材料有纤 维、带、布、毡等。纤维流动性差，而带、布、毡成型时几乎不流动。同是纤 维模压料、短纤维比长纤维流动性好，但长纤维制品强度高。对于形状复杂制 品。可混合使用不同形态的模压料以兼顾制品强度和成型的要求。 3 ) 其它因素对流动性的影响，这里主要指模压工艺制度和模具。合理的压 制制度( 温度制度和压力制度) 能改善模压料的流动性。模具的结构、形状及模 腔表面光洁度等都会影响模压料熔体的流动。 2 、模压料的收缩性 模压制品从模具中脱出后尺寸减小是模压料的固有待性、即收缩性。我们 用q 来表示模压料的收缩程度。收缩率分为实际收缩率和计算收缩率。实际收 缩率表示模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下尺寸之间的差 值。而计算收缩率则表示在室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。 实际收缩率q 实= ( a - b ) b 计算收缩宰q 计= ( c b ) b 式中：a 一棋具空胺或制品在压制温度下的尺寸 卜制品在室温下的尺寸 c 棋具空腔在室温下的尺寸 模压料在模压过程中所发生的收缩应当用实际收缩率表示。计算收缩率是 设计棋具( 模腔尺寸) 的重要依据。 下面分析影响收缩的因素，以便在产品的设计与制造过程中予以控制。 1 ) 原材料的影响模压料中树脂和添加物的种类与含量直接影响收缩率 的大小。常用树脂中环氧树脂收缩率最小酚醛与聚酯收缩率较大。这是由于 环氧树脂系统固化前密度比较大，固化过程中有无低分子物放出。聚酯树脂用 6 武汉理工大学硕士学位论文 苯乙烯作交联剂，固化前树脂系统密度较小，在固化过程中苯乙烯单体转化时， 分子距离变化很大，因此体积收缩李较大。酚醛树脂固化时有水分子放出故 体积收缩率也比较大。模压料中的增强纤维，可以降低收缩串。因为纤维的线 膨胀系数远低于树脂的线膨胀系数。但也因此使纤维与树脂的收缩变形不匹配 而产生温度应力。这种内应力常使模压制品产生翘曲、开裂等缺陷。在模压料 中加入球形或粉状填料。 2 ) 模具结构和制品形状的影响不溢式模具成型制品的收缩比溢式模具 小。模具刚度不足，压制时产生弹性变形将导致制品比相应模具尺寸还大。薄 壁制品的收缩影响更突出。 3 ) 成型工艺条件的影响主要指温度制度( 装模温度、升温速度、保温温 度和保温时间) 与压力制度( 成型压力、加压时机、放气等) 。随着模压温度升高， 制品的收缩率也随之增加。增长保温、保压时间使树脂交联密度增大，线膨胀 系数减小。在一定范围内高成型压力使制品密实，减小了树脂交联时的收缩空 隙，也可减少制品收缩率。此外，制品热脱模时的收缩率一般大于冷脱模时的 收缩串，固化充分的制品比固化不充分的制品的收缩率要小。 3 、模压料的压缩性 用压缩比来表示压缩性。压缩比是指模压料和模压制品二者比容的比值。 模压料的压缩比主要取决于模压料特性和成型工艺过程，并与制品结构有一定 关系。其值恒大于1 。片状模塑料和团状模塑料的压缩比较小。纤维状模压料的 压缩比可达6 1 0 ，由于它形态蓬松、给模压料的装模带来了困难。使用压缩比 大的模压料需设计大的装料室，不仅增加了模具质量，也增大了热量消耗。可 采用预成型工艺使其成为坯料宋减小压缩比，在定向铺设模压中，由于坯料具 有十分紧密的堆积，因而压缩比仅为1 3 左右【6 j 【1 4 j 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章玻璃钢螺栓的压模设计及开模仿真 2 1 压模设计概述 2 1 1 压模设计分类 压模的类型有很多种，可以按下列两种方式分类： 1 、压模按照固定方式分类【5 儿7 j 1 ) 移动式压模产品试制、制品小批量生产及制件上有较多的嵌件和侧 向成型杆时广泛使用。其主要特点是：压模不带加热板，也不带制品自动脱模 的顶出装置。所以压模的结构比较简单，设计和制造周期较短，造价亦较低廉。 移动式压模在生产使用中，压模的分开、装料、闭合和脱模都是间歇地在压机 外进行。一般情况下手工操作频繁。当压模重量比较大、成型速度较快时，操 作者的劳动是相当繁重的 2 ) 固定式压模一般在大批量和大型玻璃钢摸制品生产时采用。固定式 压模是把上下模分别固定在压机活动压板台面和下工作台上。操作人员除向压 模里填加玻璃钢模压料和制品脱模后对模具的清理外，不需要搬动压模和做其 它的繁重劳动。因为压模上的顶出装置和压机的顶出机构相联通，所以制品的 脱模可以由设备自动来完成。压模上还可设计有加热系统，确保压制的工艺温 度。因而在通常情况下，固定式成型压模自动化程度较高、操作简便、生产效 率较高，易于准确执行工艺文件所规定的各项操作产品质量易于保证。同时， 固定式成型压模在压机上安装调整之后，即可稳定的投入使用，不经常拆卸， 不受撞击、磕碰，故此，成型零件的变形和磨损小、使用寿命较长。但是，固 定式压模结构复杂，压模设计和制造周期长，并且在生产中需要有相当精度的 液压机。此外由于压模和设备装连在一起，对于模制那些带有侧向成型零件， 或需要往型腔里安装复杂嵌件的制品时，操作不便。 2 、压模按照分型面结构特点分为： 1 ) 溢式压模在制品成型腔的上部设计有与其相连的装料室。沿制品成型 方向，上模的横截面轮廓与制品水平投影轮廓相同，在玻璃钢模压生产中，广 泛使用这种压模。这是因为这种压模结构能够把压机所施加的压力有效地传递 到压制件上去，这正与玻璃钢模制品成型需用较高的压力相适应；由于模压料 8 武汉理工大学硕七学位论文 的流动性差，对制品成型是个不利条件，而溢式压模在结构上恰巧创造玻璃钢 模了把模压料有效地压到各成型部位的有利条件；压制品具有较高的机械强度， 毛边垫量小。而且毛边是产生在成型面的垂直方向上，易于清除和修整。但是， 这种压模生产的制品，其高度方向的尺寸不易获得较高的精度，压模的磨损也 较为严重。 2 ) 不溢式压模是一种不带加料室的压模。只有在上下模完全闭合时才相 互吻合。这种压模常用来压制布、毡及织物型模压料的玻璃钢制品，特别是压 制一些大型的薄壁壳体、板、片状零件。不溢式压模设计和制造周期短，造价 低一般情况下，严格控制压模完全闭合，在制品高度方向上，也可以获得较为 准确的尺寸。 3 ) 带加料板的压模在溢式压模型腔上加一加料板，构成加料室，加料室 断面大于型腔上面的制件断面尺寸，故有挤压边缘，它兼有溢式和半溢式压模 两者的优点，开模时加料板悬挂在型腔和凸模之间。带加料板的压模特点是可 采用体积加料，适用于高压缩率的材料，制品密度较好，同时开模后型腔不与 加料室相连接，便于取出塑件，安放嵌件和清理废料。 4 ) 半不溢式压模在半溢式压模上增加一短配合段a ，凸模下压在a 段以 上时，多余的物料可通过溢料溢出，当凸模进入a 段时塑料难以溢出，能对塑 件产生很高的成形压力。可用体积加料法进行操作。制品承受压力大，密实程 度好，物理力学性能好，飞边都朝向制品的一边易砂磨去除。操作比较方便， 但模具结构比较复杂。加料室断面尺寸大于型腔尺寸，因此型腔顶面有挤压边 缘。该压模易保证塑件高度尺寸精度，脱模时可避免擦伤塑件。开有适度的溢 料间隙，能将多余物料溢出。常采用体积加料法，能同时保证制品有较好的密 实程度和物理力学性能，所以采用比较广泛，适用于流动性较好的塑料，但不 适用于纤维或碎布等填充的塑料，适用形状复杂的塑件和具有加大压缩比的素 来哦。制品的精度和物理力学性能均较好。 5 l 有一个以上水平分型面的压模最常见的是两个水平分型面的压模，压 模有上凸模和下凸模，加料前先将下凸模配入型腔，开模时上下凸模分别从型 腔抽出，再将制件脱出。适用于带凸缘台阶的制品或高度尺寸很打的制品，便 于制品取。但制品上将留有两个分型面产生的两个溢料痕迹。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 玻璃钢螺栓压模的总体设计方案 玻璃钢螺栓使用在要求有一定拉伸强度的场合，所以成型方式必须满足玻 璃钢螺栓使用时强度要求，又由于是螺纹啮合连接，所以玻璃钢螺栓的螺纹部 分的尺寸要有一定的精度。 根据上节讲述的各种压模的特点及使用范围，然后结合玻璃钢螺栓结构特 点和使用要求，本课题设计了两种玻璃钢螺栓成型模具，分别为轴向施压水平分 型模具和径向施压垂直分型模具。 轴向施压水平分型模具如图2 1 a 和b 所示，为了简便描述，在本文中压模 a 代替轴向施压水平分型模具这个表述。压模a 主要成型压力是平行与玻璃钢螺 栓的轴线，成型零件由两个侧向分型滑块组成，闭模时滑块由于受到了侧压压 力，向中间滑移，最终闭合。开模时，由两侧的弹簧伸展将滑块拉回到初始位 置。压模a 的特点是：成型玻璃钢螺栓时，螺栓受到了凸模和两侧滑块三个方 向压力，所以成型压力均匀，玻璃纤维的分布很好的一致性，制品的强度高。 径向施压垂直分型模具如图2 2 a 和b 所示，也简称压模r ，通过该模具成 型玻璃钢螺栓水平放置，成型时沿着螺栓径向施压。压模r 的成型零件简单， 由一对凸模和凹模组成，采用不溢式压模形式，成型时尺寸精确，废料较少。 武汉理【人。# 硕十学位论文 ，吣0 誓 一荽 a 压模a 闭模状态图 ， 塞慧。涎潍 圈2 - 1 轴向施压水平分型模具图 武汉理t 人学硕十学位论文 a 压模r 闭模状态图 b 瓜模r 丌模状态图 图2 - 2 径向施压垂直分型模具罔 、。幽罗。参一繁醚灏峨 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 分型面及排气槽的设计 分型面就是打开模具取出制件的面。分型面设计是型腔设计的第一步，它 受制件的形状、外观、尺寸精度及模具型腔数目、施压方向等诸多因素影响。 2 2 1 施压方向选择 施压方向决定了分型面的位置，顶出形式和位置、对模具总体结构复杂性、 操作的方便性、制品质量、模具寿命都有重要影响，是压模设计中首要问题。 施压方向的选择一般遵循一下原则1 1 l 【1 2 】： 1 ) 有利于压力传递，便于加料，上模结构要简单。在成型制品的每一个压 制周期中，上模应不存在拆卸和安装的操作过程( 特别是固定式压模) 。压制完 成后，上模脱出型腔时，尽可能不使制品包容在上模成型零件上。 2 ) 压制工艺性要好。应尽量选择有利于模压料充满型腔的方向作为制品的 成型方向。在这一前题下，尽量选择制品水平投影面积大的方向作为成型方向。 但是必须注意，成型方向上的制品尺寸精度不宜要求得十分严格，否则，会影 响整个制品精确度。一般应把成型方向选择在公差尺寸较大的尺寸位置上。 3 ) 制品的成型方向，应尽可能与成型杆，嵌件的轴线相平行，避免与其呈 垂直和夹角。否则，不仅使压模制造复杂，而且在制品成型过程中，成型杆、 嵌件会在压力作用下产生变形和位移。 2 2 2 分型面位置选择 分型面位置选择一般遵循一下原则2 7 】： 1 ) 为了使制品便于顶出，分型面的位置应设在制件断面尺寸最大的部位； 2 ) 通常只采用一个与开模方向垂直的分型面，分型面形状的确定应以模具 制造和脱模的方便为原则； 3 ) 分型面不要选择在制件光滑的外表面，避免影响外观质量； 4 ) 选择分型面时应尽量可能是开模后制件留在动模一侧，这对于自动化生 产所用的模具，尤其重要； s ) 当分型面作为主要的排气渠道时，应将分型面设计在制件熔体的流动的 末端，以利于排气。 本课题设计的压模中，根据螺栓的形状结构特点，确定两种分型方式( 如 图2 - 3 、2 3 ) ，在轴向施压分型中压力方向主要来自于轴向，水平分型面将成型 武汉理t 人学硕士学位论文 六角螺栓头的1 “i 模分开，垂直分型面将成型螺纹杆的成型零件分开。而径向施 压分型中，模其成型压力垂直于螺栓的轴线，分型面是螺栓的最大截面处。 蓥 z 图2 - 3 轴向施压分型图图2 - 4 径向施压分型图 223 排气槽的设计 在玻璃钢模压料在一定的温度下成型时，会产生少量的气体，这些包括压 型是带入的空气和模压料微量分解的气体。如果这些气体不及时排出，会对制 品的质量产生不良的危害性，比如会在制品上形成气泡、银纹。接缝，是表面 轮廓不清，甚至充模不满：降低压模速度，影响成型周期等 所以在压模上开设排气装置是非常必要。排气方式一般有排气槽排气，分 型面排气，推杆l 可隙排气等几种形式。在压模a 中，主要排气渠道是通过压室 板与凹模滑块固定板间隙、推杆间隙来排气，这个间隙既能使气体顺利排出又 不会溢料。在压模r 中，是通过凹模与凹模固定板的配合间隙来实现的。 2 3 成型零件的设计 成型零件是指构成模具型腔的零件，包括凹模、凸模、型芯、成型杆、型 腔、镶件等。如图2 - 5 所示压模a 成型零件有凸模、凹模滑块和顶杆组成。凸模 主要成型螺栓的六角形部分，凹模滑块和顶丰t 成型了螺栓的圆柱体及螺纹。图 2 - 6 显示的是压模r 的成型零件的结构图，凹模和凸模各自成型了螺栓一半。 由于成型零件直接与高温高压的玻璃钢熔体接触，它必须具备如下一下性 能： 1 ) 成刑零件要具有足够的强度、刚度。以承受玻璃铡熔体的高压 。：，11， 。_羹i置曩 武汉理i 。人学硕士学忙论文 2 ) 成型零件要具有足够的硬度和耐磨性，以承受料流的摩擦和磨损。 3 ) 材料的抛光性能好，表面应该光滑美观。 4 ) 切削加t 性能好，热处理变形小，可淬性良好。 5 ) 成型部位颁有足够的尺寸精度。通常孔类零件精度为h 8 “h i o ，轴类零 件为h 7 一h l o 。 h2 - 5 脏模a 旧成_ ：筝什结俐 图26 压模r 的成型零件结构图 ，】模 武汉理i 大学硕l 学位论文 压模成型零件的结构形式多种多样，大体可分为整体式和组合式。组合式 又可以分为有挚板的、无垫板的和螺纹连接等形式。 在图27 ( a ) 中我们可以看到压模a 凹模滑块固定在凹模固定扳的滑槽中， 并且可以左右滑移，凸模( 图b ) 采用是轴肩连接带垫板的连接形式，这种是最 典型的连接形式，凸模部分可咀单独热处理，有轴肩和垫板固定后用螺钉固紧， 安装和拆卸都比较方便，结构可靠，在轴肩上做成缺口形式，防治凸模转到， 便丁按照方位按照凸摸。压模r 的凸模和凹模都采用的轴肩加垫板固定形式如 图2 - 8 。 婚姻 a ) ( b ) 刚2 - 7 压槿a 成j 弘零件装配图 ( a ) 0 。q 黥糍、 幽2 - 8 压摸r 成型零件装配图 ( b ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 模架及其组件的选用 2 4 1 模架 目前，国内外已有许多标准化的模架形式供用户订购。选用标难模架有如 下优点： 1 ) 简单方便、买来即用、不必库存。 2 ) 能使模具价格下降。 3 ) 简化了模具的设计和制造。 4 ) 缩短了模具生产周期，促进了塑料制品的更新换代。 5 ) 模架的精度和动作可靠性得到保证。 6 ) 提高了模具中易损害件的互换性，便于模具的维修。 本课题压模设计时是通过e m x 4 1 提供的模架库来选用模架的。e m x 4 1 是 基于p r o e 的一款模座设计的外挂软件，e m x 和m o l db a s e 应该差不多，只是 p r o e 的“外挂”程序，它是模架的资料库，利用该模具库，家用电器、玩具和汽 车零件制造商们将可在模具开发及制造方面有效地控制成本。该模具库不只是 一个标准的3 d 模具库，其”智能式”的设计还可以让工程师轻松实现3 d 环境下 的零件装配和更改，从而减少设计误差及公式化和费时的工序。另外，只需要 若乾次的鼠标点击，用户便可从模具库内抽出所需部份，然后安装出一个完整 的模具。由于模具库内的所有零部件均为3 d 格式，并能够对它们进行快速及实 时预览，因此，工程师能够及早发现设计误差。这一特征可以大幅减少最后时 刻的设计变更，最终节约了资金和资源。p r o e n g i n e e re m x 提供了”智能式”模 架和模具组件。它有助于消除各种因单调及重复性工作所造成的失误，如设计 螺钉和脱模顶杆的排屑孔。其快速预览式图像用户接口( g u i ) 更允许在自动安放 3 d 零件或组合之前进行快速及实时预览。一直以来，p r o e n g i n e e r 以其先进的 参数化设计、基于特征设计的实体造型、便于移植设计思想的特点、友好的软 件用户界面以及，符合工程技术人员的机械设计思想，成为三维机械设计领域里 最富有魅力的软件可以通过它们直接调用各公司的模架，因为模架是可以重复 用的。就是说，先用p r o e 对产品进行分型，设计好动定模后，就可以通过e m x 加载模架。若没e m x 也可以设计，那就可以通过查阅模具手册，通过p r o e 在组件下加特征设计各模板。 e m x 是模架专家( e x p e r tm o l d b a s ee x t e n s i o n ，e m x ) 系统，e m x 可用来调3 d 的模 1 7 武汉理i 大学硕十学仳论文 架，和p r o e 结合可自动扣运水( 冷却水道) 、顶针、螺丝、斜方( 斜顶) 、滑块 等。它完成的模具殴计非常灵活，能很快的改变设计意 圣 或修改尺寸。它可以 将以前的繁琐工作变得快捷简单，尤其是螺钉、顶杆、水路、导向元件等史能 提现出其方便快捷的优点阻肛“。 2 42 导向零件 导向零件做常见要导柱和带导向套或不带导向套的导r 句 f l 构成。导向零件 可以用在压模上下模伢j 合时起导向作用，保证凸模按正确方位进入凹模，不发 生碰撞。对不溢式压模和半溢式压模，用以保证凸模进入胜料室时_ l i l 8 边间隙均 匀，对于溢式压模则完全靠导向零件来保证型腔正确形状和尺寸。对于移动式 压模利用导柱的不对称南置可起到凸凹模定方位的作用。对于瓣合模块制件的 导向柱和导向孔，用来保征瓣合模块之间密合是相对位置的准确。 在轴向施压压模设计中，导向装置采用的是带油槽的导柱和带头导套配合 ( 如图2 9 ) ，来保证模具闭合是凸模的位置准确和压力均匀。在油槽中添加固 卷或液态润滑剂，保证了模具闭台的顺利进行。 图2 - 9 导柱和导套配合【 | 武汉理1 ：大学硕士学位论文 2 43 脱模顶出机构 本课题中的顶出机构均采用顶杆顶出机构结构简单，制造简便，适用广泛。 如图2 1 0 压模的顶出机构，主要零件包括推板、推杆固定扳、顶杆、复位杆、 复位弹簧等。项杆顶出制件，复位弹簧套在复位杆上，复位杆和顶杆固定在推 杆固定板上。当推板向上推动时，带动顶杆和复位杆向上移动，顶i i i i i 件后， 由复台弹簧伸展复合，实现自动复合。 、嗽 鬟纛f 璧器 铺 图2 - 1 0 压模顶出机构图 2 5 液压机的选择及其校核 25 1 液压机的选择 1 、液压机简介s i 】 玻璃钢模压生产的主要设备是液压机。压机的作用是施加制品成型的工艺 压力和开模脱出制品的脱模力。 压模结构的确定和安装与压机结构类型有直接关系。所以，在设计模具时， 首先应当确定在何种类型的液压机上使用。显然，模制品尺寸形状的大小，决 定了压模外形尺寸，也同样对压机提出了相应的要求。如模制品的外形尺寸较 大( 成型方向上的水平投影面大