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        旋轉軸唇形橡膠密封圈模具設計

        時間:2019-10-31857 次瀏覽

        信息摘要:旋轉軸唇形橡膠密封圈是各種機械設備中廣泛應用的唇形密封件,適用于安裝在設備中的旋轉軸端,通常在壓差不超過0.03MPa的條件下,對流體或潤滑脂起密封作用。

        旋轉軸唇形密封圈(又稱“油封”)是各種機械設備中廣泛應用的唇形密封件。適用于安裝在設備中的旋轉軸端,通常在壓差不超過0.03MPa的條件下,對流體或潤滑脂起密封作用。其功用在于把油腔與外界隔離,對內封油,對外防塵。

        依據GB9877.1~9877.3-88標準中規定,旋轉軸唇形密封圈有三類六種基本型式(如圖1~3所示):1、內包骨架旋轉軸唇形密封圈(圖1),分為B型(無副唇)和FB型(有副唇)兩種型式;2、外露骨架旋轉軸唇形密封圈(圖2),分為W型(無副唇)和FW型(有副唇)兩種型式;3、裝配式旋轉軸唇形密封圈(圖3),分為Z型(無副唇)和FZ型(有副唇)兩種型式此外,尚有流體動力型、無骨架、無彈簧、雙唇口旋轉軸唇形密封圈和特種異形旋轉軸唇形密封圈等多種型式。有副唇的密封圈,其副唇是起防灰塵和雜質侵入作用。各種密封圈的邵爾A型硬度一般在65~80度話宜。

        旋轉軸唇形橡膠密封圈

        用作旋轉軸唇形密封圈的橡膠主要是丁腈橡膠、氟橡膠和丙烯酸酯橡膠,特殊情況用硅橡膠和聚氨酯橡膠。丁腈橡膠的耐油性能優異,工作溫度為-25℃~120℃;氟橡膠具有優良的耐油、耐高溫性能,工作溫度為-25℃~200℃;丙烯酸酯橡膠的耐熱耐油性能優于丁腈橡膠,適用制作髙溫髙速密封圈,工作溫度為-20℃~l50℃;硅橡膠的耐高、低溫性能突出,工作溫度為-60℃~200℃,聚氨酯橡膠具有較高的機械強度和耐磨性能,工作溫度為-40℃~80℃。

        為了論述方便,旋轉軸唇形密封圈以下簡稱“油封″。本文分析論述油封的密封機理刃口收縮率的確定,分型面的選??;多腔模具設計;模具材料及技術要求。其中重點介紹和論述油封分型面的選取和多腔模具結構設計。

        1、油封密封機理分析

        如圖4a所示,油封結構一般是由金屬骨架(1)、緊箍彈簧(2)和橡膠密封體(3)三部分組成。橡膠密封體按不同部位又分為腰部a、底部b、唇口c和刃口d等。金屬骨架的功用在于增大其剛度,防止橡膠密封體塑性變形,并便于裝配。緊箍彈簧的功用在于箍緊其密封刃口,使之對軸有適當的徑向抱緊力,刃口摩損后能自動補償,以保證刃口有良好的密封性能。橡膠密封體的關鍵部位是密封刃口,起主要密封作用。

        旋轉軸唇形橡膠密封圈

        在自由狀態下的油封(見圖4a),其刃口內徑較軸徑小,即有一定的過盈量。各種規格油封刃口過盈量i值可按GB 9877.1~9877.3-88標準選擇。當油封安裝后,工作狀態的油封(見圖4b),由于刃口過盈量徑向壓力Pg、腰部徑向壓力Py和緊箍彈簧徑向壓力q對密封軸產生徑向總壓力Pr,即Pr=Pg+Py+q。油封的密封性在很大程度上是取決于徑向總壓力Pr大小。油封刃口尖銳,裝入軸后發生輕微變形,刃口與軸的接觸寬度(即“密封跨距”)一般為0.2~0.5mm,在密封跨距接觸帶內,接觸壓力Pr呈三角形尖銳分布。油封的密封機理,是由于刃口與軸接觸面之間,存在著刃口控制的一層很薄流體動力型油膜A,油膜厚度隨徑向壓力Pr大小而變化當油膜厚度達到“臨界油膜”(也稱“邊界油膜”)時,便可獲得密封。一旦泄漏,就意味著“臨界油膜″受破壞,形成流體潤滑狀態或發生干摩擦,導致刃口磨損,造成泄漏。此具有“臨界油膜”存在,在液體表面張力作用下,這一油膜厚度剛好足以在刃口大氣一側形成彎月楔形面B(即油楔)且很薄,防止了工作介質泄漏,實現了旋轉軸的密封。再由于摩擦力的關系,當軸旋轉時油封刃口內壁拉長,因為內壁是圓環形,伸長部分只能以皺紋形式存在于內壁上,在刃口與軸接觸寬度S內呈現傾斜波狀皺紋(見圖4C),該傾斜波狀皺紋對接觸帶空氣側的油膜有泵吸作用,稱“回流效應”,使油從空氣側被泵回油腔,有利于密封。根據流體動力學理論,油封刃口銳利,密封面接觸壓力呈三角形尖銳分布,是有利于密封的。這樣只需要較小的徑向壓力,小的接觸寬度,便可形成“臨界油膜”和理想的“回流效應”,從而實現油封更佳密封效果。因此在設計油封硫化模具時必須保證油封密封刃口銳利。

        2、油封刃口收縮率的確定

        設計油封模具主要是確定刃口的收縮率。刃口收縮率確定的正確與否是油封模具設計的一個重要因素,直接關系著硫化制品刃口的尺寸精度,直接涉及到油封密封的可靠性。

        由于油封幾何形狀和結構特點的關系,油封刃口的收縮不同于一般橡膠制品的收縮,即接近骨架部位收縮甚小,遠離骨架部位收縮稍大,故油封刃口不單純是徑向直線收縮,同時涉及到角度收縮變化,兩項收縮率要同時考慮。即刃口向中心軸緯方向徑向收縮同時轉動α角度,是沿這一角度收縮,唇部和腰部也相應隨之α角收縮變化。如圖5所示,圖中粗實線L?是表示油封收縮后常溫下的截面輪廓緯,雙點劃線L?'是表示模具型腔截面輪廓線(即油封收縮前的狀態)。設計時首先繪制出油封局部放大圖(見圖5),在底部骨架附近確定回轉中心O點,以O點為圓心,OA為半徑畫短圓弧向外轉動角度至A'點,則A'點即是刃口型腔位置尺寸。唇部和腰部隨之向外轉動相應角度,這樣就確定和計算出模具型腔各部位的尺寸。

        旋轉軸唇形橡膠密封圈

        α角度的確定常與油封結構型式、膠種和膠料硬度有關。油封唇部和腰部尺寸較大,含膠量較多,膠料硬度較低,α角度收縮偏大,反之α角度則小。中等硬度(邵爾65~75度)的丁腈橡膠,α角度一般取為1~2°,中等硬度的氟橡膠α角度一般取為2.5°~4°。模具型腔要按油封刃口收縮前的尺寸和角度設計,才能使油封制品達到正確的幾何形狀和尺寸精度。

        3、油封分型面的選取

        油封分型面也主要是指刃口分型面如何選取,這是油封模具設計的一大關鍵問題。根據油封的密封機理,刃口分型面選取的原則既要保證刃口的銳利,又要使模具結構簡化易行,有利于啟模和取出制品?,F以有副唇外露骨架油封為例,其它型式油封可依同理設計,油封刃口分型面的選取可有如:圖6所示的四種型式。

        旋轉軸唇形橡膠密封圈

        Ⅰ型是切唇結構型式,切唇膠邊厚度f取為0.5~0.6mm。油封制品硫化成形后,是在專用切唇機上定位裝夾用尖刀制出唇口。切唇有利于保證唇口的銳利,外觀質量好。但切唇比較麻煩,需要配備專用切唇機才能進行,適用于同一種規格油封批量生產?!切褪窃诖娇诶膺叿中徒Y構型式,將油封的前唇角設計成α和α'兩個角度,可以提高唇口的承壓能力。兩個夾角相交形成一個凸起的棱邊,棱邊到刃口距離f取為0.5~0.6mm,利用棱邊分型。油封刃口是在模具型腔內硫化定形,刃口完整尖銳且無膠邊,容易保證制品尺寸精度,密封性好。Ⅲ型是在唇口錐面分型結構型式,分型面到刃口的距離f取為0.4~0.5mm,油封唇口同樣是在模具型腔內硫化定形,唇口完整尖銳且無膠邊,容易保證尺寸精度。Ⅳ型是在刃口分型結構型式在刃口處利用油封后唇角β向上延長錐面分型、定位,使之制品刃口形成向上傾斜的很薄膠邊,膠邊厚度一般為0.04mm,并在C處開設0.3x60°三角形存膠槽,到型腔邊距離取為0.1~0.2mm,便于撕掉制品膠邊或手工用刀片切除膠邊,同樣可使油封唇口完整銳利,有利于密封。

        4、油封多腔模具設計

        由于油封結構形狀緊湊、復雜、尺寸精度要求較高,故油封模具設計難度很大。過去油封模具通常設計成單一型腔模具,生產效率低,模具結構比較復雜,硫化操作較難:分型面選擇不盡合理,影晌油封的質量和密封性能。經過精心設計和反復試制,研制出油封多型腔模具用于生產,從而解決了以往油封模具存在的上述弊病。

        如圖6所示,根據油封規格大小確定模具型腔數量,通常設計制作一模49或16個型腔。模具是由模板(1)、擋圈(2)、襯套(3)和導向銷(4)組成模架。模板(1)為方形板,三件合在一起同時加工出模板各安裝孔和方向角e,方向角是作為合模同方位。模板(1)規格L一般不超過400mm,當L≤250mm時,板厚取為6mm,當L>250~400mm時,板厚取為8mm。襯套(3)、導向銷(4)與模板(1)安裝孔徑向有適當間隙(單面間隙為0.1mm),并用擋圈(2)與模板(1)聯結在一起。又由上模(5)、中模(6)、下模(7)、擋圈(8)、模芯(9)和模套(10)組成單腔模體。模套(10)與上模(5)、模芯(9與下模(7)選用過盈配合H7/S6)嵌裝為一體,圖中畫有≮≯是表示過盈配合面。上模(5)、中模(6)、下模(7)與模板(1)安裝孔徑向有適當間隙(單面間隙為mm),并用擋圈(8)與模板(1)聯結在一起,安裝簡單牢固。各單腔模體是浮動在模架上。安裝后要磨平頂面和底面使之各單腔模體等高。上模(5)、中模(6)、下模(7)是采用短錐面配合,單面斜角為15°,配合高度為6~7m,合模時可自動自心定位。導向銷只是在合模時起導向作用。因此各單腔模體彼此不發生定位干涉,定位準確可靠。在單腔模體接合面a、b兩處開設0.3×60°三角形溢膠槽,到型腔邊距離為0.2mm,可使硫化制品在此部位無膠邊。在唇口分型面上方設計有0.2mm的縫隙,膠料容易壓實充滿型腔,多余膠料和空氣容易從0.2mm狹窄縫隙排出型腔。膠料既不過早流失到型腔外,又不過晚脹剎在型腔內,而是恰到好處。通過擠出多余膠料,使橡膠的鏈狀分子排向

        規則并與軸平行,從而改善了油封唇口密封性能。

        模具使用方法:將模具啟開上模(5),先放入金屬骨架,中模(6)內孔與骨架外園是間隙配合,對骨架起定位作用。再向型腔d內裝膠、合模然后把模具放入平板硫化機內按制品規定的硫化條件進行硫化。硫化完了啟開模具,制品可從中模(6)型腔內取出。

        裝配式油封是按外露骨架油封在模具內硫化成品后,再在車床或專機上用滾壓方法將兩骨架包邊壓合。

        本模具有以下優點

        ①模具結構簡化合理緊湊,有利于機械加工和使用;②是采用擋圈(標準件)聯結,安裝簡單牢固,便于組裝拆卸和更換模腔體,模具使用壽命長;③油封制品質量好,精度高,密封性好,生產效率高。

        5、模具材料及技術要求

        模具各件均采用45°鋼制造,模腔體各件毛坯料經過鍛造,粗車后再進行調質處理,硬度HRC30~35,最后精車成形。各件分型面和接合面要配合加工。型腔面的表面粗糙度為Ra0.8μm,接合面為Ra1.6μm,其余各面為Ra6.3μm。

        經過多年生產實踐驗證,本文介紹和論述的油封模具是先進、合理實用的。用該模具已經生產出多種型式和規格的油封制品,由于精度高,質量好,提高了油封的密封性能,從中取得了顯著的經濟效益和社會效益。


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