水表活塞模具设计与应用

应任锋

摘 要：通过对活塞式水表中的活塞零件结构分析，从而对活塞模具材料、热处理、结构设计等相关方面做一个综合性的介绍。

关键词：活塞；模具材料；热处理；定位；模具结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.007

0 引言

旋转活塞式水表以良好的计量性能被广泛应用于自来水的计量，受到水资源缺乏的国家和地区所青睐。该类型的水表对零件尺寸线性公差、形位公差提出了近似苛刻的要求，而该类零件的模具结构决定了产品的质量及稳定性，本文从活塞式水表的灵魂零件——活塞，做一个模具整体设计的综合性分析和应用。

1 活塞零件要求简介

活塞作为活塞表内的一个旋转件，依靠其与盖板、外壳、隔板等零件形成一个良好的配合体，能较好地灵活转动，才能精确计量流经其腔体的流体体积，使产品设计时对其提出了较高的技术要求，其要求见下图2：

图1中产品规定内外直径、内腔深度、总高等尺寸都只有一个较小的线性公差，各道尺寸除符合这些公差外，内外径D2、D3以外径D1中心轴线为基准的同轴度需控制在?0.02内。图2显示产品有一个枣核形的缺口A，且开口处槽宽有一个0～+0.06的公差要求。可见，此零件线性及形位公差极小。而开口A的存在使产品在注塑后易发生结构性变形导致槽宽变窄、内外形圆度变差，使得整个零件线性及形位公差更加难以控制。其变形趋势见图3虚线所示。

图中所示W为零件开口处往中心变形的变形量，变形量为开口处最大，上下两头最小，向中心缩拢的一个渐变趋势。

2 模具分析

从以上零件分析可以看出，此零件为形状基本规则、线性及形位误差要求较高的精密耐磨零件，对模具的选材、热处理、模具结构、模具制造精度等方面提出了较高要求。

2.1 模具选材

模框宜选用40Cr调质处理，硬度在HRC24～28之间，使模具在120kg/㎝2 以上的锁模力、空负荷的交变负荷的情况下，达到模板较小的变形量，提升模具整体寿命。

模芯材质宜选用模具钢H13，模芯在粗加工时放一定的精加工余量后淬火处理，使模芯具有较稳定的金相组织，和比较高的硬度及较好的韧性。要求有热硬性的模具淬火工艺：加热温度1050～1080℃，油冷，回火温度在530～560℃，使其最终硬度在HRC52～54。淬火后精加工。

以上模具选材及热处理方式可让模具在长期反复工作状态下具有良好的稳定性，从而保证模具寿命及产品的稳定性。

2.2 模具结构

此零件上中心位置有1轴，且为注塑包塑成型，侧面有4个“腰形”孔，故此模具宜采用三板式点浇口、斜导柱抽芯、顶杆顶出结构，但残留浇口点不得高出其所在平面以免影响零件使用。

2.2.1 图4为常规的三板式模具结构

此种结构，动模与定模之间的定位由动定模的导柱导套配合来完成。导柱导套、导柱孔的加工精度，导柱导套与导柱孔的配合精度，往往决定了此类模具结构所生产出来的产品由于定位引起一定的同轴度误差。根据检测，此类配合的造成动定模的模芯同轴度在?0.01左右，大于零件?0.02的三分之一?0.0067的设计要求。型腔套与下型芯之间小于0.005之间的间隙配合，减小了两者定位精度引起的产品外径与轴端内孔的同轴度误差，基本符合设计要求。

浇口位于产品的隔层面上，位置置于枣核形缺口的对面，且浇口点低于隔层平面大约0.5～0.8之间。根据注射成型熔料流向，产品的最终熔接痕位于枣核形缺口处，很好地避免了熔接痕的表面缺陷，提高了产品的强度。但浇口位置的偏心选择，由于产品内部致密度的不均匀，加剧了产品内部应力的变形，导致以此引起的同轴度误差加剧，图3的W数值加大，通常W为0.02左右。

此类结构的模具，在保证一定的注塑工艺，排除外部不必要的因素，最终外径D1与内孔D2的同轴度在?0.03左右，D1与D3的同轴度在?0.04～?0.06之间，大大超出了产品的设计要求。在实际设计制造中，此类结构已不再采用。

2.2.2 图5为改进型的三板式锥面精定位配合模具结构

此种结构基本与图4结构类似，不同之处是动模与定模之间的定位不但有动定模的导柱导套，还有上模芯与型腔套之间用锥面配合精定位设计。这样设计，只要锥面A配合贴面（见图6），在一定程度上消除了图4结构而引起的定位误差。据实测，此类配合的结构，动定模的模芯同轴度在?0.003左右，远远小于零件?0.02的三分之一?0.0067，完全符合设计要求，且可消除模具在长期生产而导致的导柱导套磨损而引起的定位误差。此结构还有一优点，可减少分型面的接触面积，还可在高压锁模的情况下，锁模力不但在作用于轴向，还在垂直于斜面有一个径向锁模力（见图6），提高了模具分型面的平面度。

浇口位置选择位于产品中心圆柱端面，浇口点低于端面大约0.5～0.8之间。此种浇口位置的选择，很好地解决了产品致密度不均的问题，也不存在熔接痕的缺陷，且提高了产品的整体强度。这样一来，大大减小了由于浇口位置选择问题而引起的产品变形量造成的较大同轴度误差。W数值通常在0.005～0.01之间。浇口处有一浇口脱料装置，模具开模后使流道凝料始终位于上型芯一侧，便于生产实现自动化，提高生产效率。

根据实际生产，此类结构的模具，在保证一定的注塑工艺，排除外部不必要的因素，最终外径D1与内孔D2的同轴度在?0.01～?0.015左右，D1与D3的同轴度在?0.01～?0.02之间，基本符合产品的设计要求。另，在模芯精加工磨削，可根据产品变形趋势，做一定尺寸的修正，使最终成型产品更加符合产品设计要求。

3 结论

通过对活塞模具的综合印证，对此类尺寸公差及同轴度要求较高的水表零件模具，需选用适当的模具材料、合理的热处理工艺、锥面精定位模具结构及一定的加工工艺，才能使模具长期稳定的生产出此类合格产品。

参考文献：

[1]谢程鵬，多田和美（日），杨卫民.高分子材料注射成型CAE理论及应用[M].化学工业出版社，2009.

[2]张亚君.中国仪器仪表[J].中国仪器仪表.

[3]机械工业手册[M].机械工业出版社.

[4]塑料工程手册[M].机械工业出版社.endprint