1绝缘筒体及模具特性分析
1.1 绝缘筒体特性分析
绝缘筒体外形及尺寸如图1所示，规格型号如表1所示，绝缘筒体由柱形筒体、内圈凸棱和外圈凸棱组成。
图1 复合材料筒体形状及截面尺寸
表1 薄壁筒体规格型号 ( mm )
筒体采用玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料成型，成型流程如图 2 所示。要求筒体直线度≤0.1 mm，表面粗糙度为 Ra 3.2 μm，弯曲强度≥400 MPa，绝缘性能电压≥0.5 kV/mm。
图2 筒体成型工艺流程
1.2 模具设计要点分析
筒体塑件的壁厚较薄（ t 1＜1 mm），内、外表面设计有均布的凸棱，塑件与模具的接触面较大，厚度尺寸要求也相对较高，且直径/厚度＞100、长度/厚度＞700，属于超薄壁件，易造成脱模困难、脱模力使塑件开裂等现象。因此，需要进行合理的模具结构设计，在提高模具定位精度和刚度的同时，应着重考虑脱模方式。
2模具结构设计和制造特点
2.1 模具零件材料
模具结构反映了零件的截面尺寸、表观状态、性能等特点。因此，模具零件材料应具备热稳定性好、不易变形、加工方便、简单和使用安全、可靠等特点，保证成型的塑件质量稳定。薄壁管类塑件型芯一般选用45#、40Cr、GCr15、65Mn等材料，经过热处理后精加工、表面镀铬工艺再抛光，保证模具零件的刚度、耐磨性、粗糙度达到要求，有效降低脱模力。当采用RTM、模压等工艺生产要求较高的塑件时，凸、凹模一般选用P20、718H、738H、S136等模具钢，因其具有优良的抛光性、防锈性、耐磨性。
2.2 模具结构及脱模方式
根据塑件的特征及成型工艺，模具采用组合式模具，主要由凸模、凹模、定位环、芯轴、销钉、螺栓、密封环等组成，如图3所示。
图3 模具整体结构
为减小模具和复合材料的结合力，凸模从结构上分两段，通过芯轴、定位销和螺母连接。根据凹模和塑件接触的表面积大小，凹模分5~8瓣式镶件结构，各凹模之间通过螺栓和定位销连接。凸模和凹模通过螺钉连接，轴向通过定位销定位，径向用限位环定位，控制塑件的厚度。塑件在成型后，为防止熔料进入螺钉、销钉及配合面处，在模具的端面、环面上用O形硅橡胶密封圈进行密封，如图4所示。
图4 模具密封结构及两端脱模台阶结构
复合材料超薄壁件在成型后均存在脱模困难现象，该模具结构可有效避免脱模时对塑件的损伤。脱模时先卸掉左端的螺母，将芯轴抽出，再拆掉限位环处的螺钉和销钉，通过机械反推的方式将限位环推出，再用脱模机将两段凸模分别从两端脱出。由于在凹模两端设计了脱模工艺台阶，塑件在成型时两端补有脱模阶梯，能保证在抽出凸模时塑件保留在凹模上，如图4局部放大所示。最后松动凹模各瓣处连接螺栓，依此用铁锤、铜棒、橡胶锤敲震凹模的外表面，再通过凹模脱模气孔导入0.1 MPa的干燥空气，使塑件与凹模分离，松开螺栓及销钉，卸下第1瓣凹模镶件，按照上述方法依次卸下其他几瓣凹模镶件。
2.3 凸模与凹模的制造
为保证模具的耐磨性和成型面粗糙度，在制造模具零件时，凸模采用40Cr热处理，通过车削、铣削、磨削、抛光、镀铬、抛光加工，使凸模表面粗糙度值≤ Ra 0.4 μm；凹模采用热作模具钢P20，P20硬度为30~42 HRC，无需热处理，可直接用于模具零件加工，且尺寸稳定性好，具有良好的切削性及抛光性。凹模抛光后表面粗糙度值≤ Ra 0.8 μm，保证塑件能顺利地脱模。图5所示为100 mm×100 mm试验平板和筒体在不同粗糙度下的脱模力。
图5 表面粗糙度对脱模力的影响
3合模力及脱模力的分析与计算
3.1 合模力的试验分析与有限元计算
图6所示为T-01号塑件凹模合模预紧力对塑件厚度的影响，实践证明当合模力为2 kN时，成型的塑件厚度满足要求。
图6 凹模合模预紧力对塑件厚度的影响
在上述试验的基础上，通过 Abaqus有限元分析软件对筒体在成型后凹模合模应力、变形进行了仿真。P20钢的密度取7.810 3 kg/m 3，弹性模量设置为207 GPa，泊松比为0.25。安全系数取 1.5，模具许用应力为250 MPa，成型模具极限挠曲变形量取0.08 mm。
该工况主要是考察复合材料件在完成铺层后，组装凹模时复合材料层对模具的反作用力。具体实施：将模具两端螺纹孔处固定，凹模工作表面上逐渐施加到2.1 kN的总压力。经计算最大应力值为30.8 MPa，如图7所示，小于许用应力250 MPa；最大变形发生在模具中部，且变形由两端向中间逐渐增大，最大变形量为0.049 5 mm，如图8所示，小于极限挠曲变形量0.08 mm，结构刚度满足要求。
图7 凹模合模应力云图
图8 凹模合模变形云图
3.2 脱模力计算
筒体成型过程中，由于纤维布张力、凹模的合紧力和固化冷却收缩而包紧凸模，产生对凸模的粘附力，筒体脱出凸模的脱模力必须克服粘附力和摩擦阻力。影响塑件与模具零件工作表面粘附力的因素较多，与模具零件的截面形状、塑件的壁厚、塑件的收缩率、对成型零件的摩擦系数等有关，在实际生产中只考虑主要因素，按如下公式计算脱模力：
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（1） |
式中： Qk ——塑件脱模力（未考虑空气阻力），kN； A ——凸模工作表面断面周长，mm； h ——凸模工作表面长度，mm； α ——脱模斜度，（°）； f —摩擦系数，取0.1~0.2； P —粘附力，取0.06~0.1 MPa； F ——凹模合紧力（5瓣），kN。
选取其中一种复合材料筒体规格尺寸计算粘附力 P ，并计算其脱模力，与实际脱模力进行对比。复合材料筒体的力学性能服从虎克定律：
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（2） |
式中： σ ——拉应力，kN； E ——材料弹性模量； ε ——弹性应变。
如图1所示塑件截面图，其周向成型收缩：
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（3） |
式中： S ——塑件收缩率。
收缩变形转化为周向弹性应变：
ε =Δ L / L （4）
其中， L ≈2π R 。由式（3）、（4）得： ε ≈ S 。
由胡克定律得： σ = Eε ≈ ES （5）
根据其在径向合力∑ Fy =0得：2 Thσ =
其中， T 为塑件厚度，mm。
简化上式得粘附力计算公式:
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（6） |
将式（6）代入式（1）式可得：
Q = KAhP （ f cos α -sin α ）=2π KESTh （ f cos α -sin α ）（7）
式中： Q—— 总脱模力，kN； K ——安全系数，考虑脱模力为确保脱模动作稳定可靠，需要足够脱模驱动力，一般取2~3。
选取表1中编号T-01的筒体按式（7）计算，因塑件尺寸要求较严，模具脱模斜度微小、 α 值可忽略，即 α =0，根据已有试验数据 E =10 GPa， S =0.04%， L =600/2 =300 mm， F =2.1 kN，计算得 Qk =4.6 kN， Q =8.9 kN；与实测值7.53 kN接近，但计算值是在两倍可靠性系数时计算所得，分析产生的偏差可能由于模具零件的表面平整度与粗糙度不均匀、不一致所致。
4模具制造与筒体生产
4.1 模具制造
按照设计的模具结构进行加工制造，严格按材料的热处理工艺、模具加工工艺实施，并通过千分尺测量法、压铅丝法对模具进行了检验，如图9所示。凹模分瓣后的模具及平板试验件如图10所示。
图9 模具检验及组装
图10 分瓣凹模及试验平板
4.2 薄壁筒体生产和检验
按预先排定好的复合管工艺生产脱模后，塑件表面光滑、无褶皱现象，凹模分瓣处无多余的凸棱，塑件圆角饱满、无缺陷，如图11所示。脱模后的塑件通过车床切掉两端的脱模工艺台，去除飞边后用卡尺测量塑件的厚度，并用通环测量塑件的内、外径，均满足要求，如图12所示。该模具结构可广泛应用于类似塑件的生产制造。
图11 薄壁筒体塑件
图12 筒体塑件检验
▍ 原文作者： 南无疆 1王礼先 2成子兴 1于成 3
▍ 作者单位： 1. 太原科技大学 重型机械教育部工程研究中心；2. 青岛泓捷模具有限公司， ；3. 北玻电力复合材料有限公司