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文:许善新
苏州三基铸造装备股份有限公司
摘 要： 在深入剖析压铸机液压-肘杆式合模机构特点的基础上，提出采用液压-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
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- 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-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-肘杆式合模机构的特点
图1(a) 是卧式压铸机及其液压-肘杆合模机构的结构示意图。从图 1中可以看出，液压-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L表示。
图 2给出了S-L关系曲线。图中L曲线的实线部分表示滑块5的移动， 曲线上的P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。
a)该机构有三个特点。1) 图2画出dL/dS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dS，从动滑块5的元位移为dL，则B=d S/d L就是力的放大倍数， 图2中画出了B曲线，随移动量增加，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-机械式合模机构方案，采用两板式合模系统。
2 液压-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-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/min ) 和扭矩为 M(N•m)，齿轮传动比为i，螺杆中径为 D2(m)，单头螺旋螺距为T(m)，螺旋副中构件间摩擦系数为f， 螺旋牙的牙形角2δ为3 0°，锁模力为Q(N)。
则： 螺杆的移动速度
锁模力 Q的计算公式为
自锁条件为α<β
其中：α为螺旋角
β为诱导摩擦系数
本创新发明设计出新型的液压-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。
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x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O-O为轴线画出包容粗虚线段O’- 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。
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。
