整体式高负载塑料线轴的制作方法

专利名称：整体式高负载塑料线轴的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种高负载塑料线轴，确切地说，本发明涉及一种整体式高负载塑料线轴及其制造方法。
背景技术：
许多工业使用了大型塑料线轴来卷绕、储存和放送工业缆线(无论这些缆线是否是绝缘的)，这些线轴都是多件组合式或组件式线轴。例如，我以前的美国专利US5,605,305披露了一种组件式高负载塑料电缆线轴，其中筒部和侧凸缘是单独制成的且随后被装配起来而成为线轴，在此作为参考而引入US5,605,305的内容和描述。
现有技术的组件式高负载电缆线轴有几个缺点。首先，大多数现有的组件式线轴需要复杂的装配工作和许多加工工序。这样的组件式结构例如需要注塑形成两个侧凸缘并同时挤压切削加工出中心筒部。随后，在模塑成型后必须使线轴的凸缘部与筒部相连，这通常是通过超声波焊和/或通过钢制螺栓实现的。通常，螺母和螺栓变松动，这会造成线轴失衡。因此，对于确保准确的缆线卷绕操作来说且尤其是当以近7000英尺/分的速度卷绕缆线时，这些线轴的平衡和/或螺栓拧紧是必须的。
在另一种组件式线轴结构中，线轴可能是由两个注塑成型部件构成的，每个注塑成型部件包括一个凸缘部和半个筒部，这两个部件通过钢制螺栓和塑料联锁件相连。在大多数情况下，在两个半筒部之间设置联锁件以防止半个筒部相对另外半个筒部单独旋转。在这两个半筒部处及它们之间的单独转动干扰了卷线工艺。塑料联锁件本身经常断裂并出现这两个部件单独转动的现象。不幸的是，很难探测到联锁件是何时断裂的，这是因为它们位于线轴内部并因而无法轻易看到。
另一个缺点是，现有技术中的组件式线轴本来就不太耐用，这是因为它们有薄弱点和应力点并且易于断裂。上述超声波焊点只是一个例子。另外，凸缘部主要承受弯曲且凸缘部的强度本来就不足以承受线材制造工艺的某些步骤。另外，大多数现有技术中的组件式塑料线轴可能无法承受叉车与地面之间的几英尺高度的掉落。通常，当车又碰撞凸缘时，叉车本身将损坏塑料凸缘。另外，如果缆线在生产过程中象经常出现的那样弯曲或断裂，则将缆线卷绕到组件式塑料线轴上造成线材生产过程的多次中断，如果线轴弯曲、变形或断裂，则用户将丢掉线轴。如果线轴需要扎紧，则线材生产线将不得不被中断，这是线材生产厂商们所面对的一个主要问题。钢制线轴生产厂家现在提供了对已变形或断裂的多件组合式线轴的维修服务，这是一笔大生意。断裂的塑料线轴通常被切碎并最终被埋入土中。
存在这样的现有技术的组件式线轴，即这种钢制线轴有限地用于卷绕那些因挤压制造而典型地具有150°F温度的热铜丝或热铝丝。钢制线轴一般很重，它至少为120磅并且它容易变形，当它失去平衡时，它在卷绕过程中造成振动。它们需要不断平衡。即使弯曲几乎是不可察觉的，它也可能仍然在生产过程中造成错位，这导致线材断续退卷甚至线材断裂，这将造成生产线中断并刮去部分材料。因此，钢制线轴几乎不被用于运输，这是因为它们很重且代价太高。
现实存在的整体式塑料线轴，但这些塑料线轴是很小很轻的，它们用于承载轻丝或少量涂覆丝线，即它们不具有承载重缆线的能力(就承载能力和尺寸而论)。这些塑料线轴通常是通过挤压制成的且它们可能需要复杂的二次产品加工如机加工。
很难将挤压技术用于大中型的整体式高负载线轴，这是因为材料厚度和线轴所需强度致使挤压难于进行。另外，大型的整体式线轴所需的机加工预计量可能成本很高。
因此，人们迫切要求提供一种很耐用的中型整体式高负载轻型塑料线轴。
另外，非常需要提供一种可以在需要最少的模塑后机加工操作的情况下快速高效地制造出来的中型整体式高负载线轴。

发明内容
本发明是一种整体式塑料线轴，它具有第一凸缘部、第二凸缘部和直线地成型于这两个凸缘部之间的筒部。整体式线轴的大小和形状利于处理中等负载和高负载，所述线轴包括一个沿线轴的中心轴线直线延伸的中心轴孔且它还设有许多个平行于中心轴孔地部分伸入筒部以减轻线轴重量的气孔。但是，整体式线轴的强度没有受到影响，轻型整体式线轴依其凸缘部和筒部的直径而具有50磅～2000磅的负载能力。这是因为，在这样的整体式线轴中实际上消除了通常在多件组合式线轴中存在的应力点。
为模塑工艺提供了一种封闭系统。尤其是提供了一种四件组合式模具以形成一个完整的线轴成型腔，其中一个模具部包括一个允许熔融塑料从挤压机中流入模腔的浇口。中心轴孔和许多个减重凹窝是在模塑过程中形成的，而中心轴开口需要短暂的二次机加工以便完成此中心轴孔。因此，整体式高负载线轴的制造方法快速高效。
在附属的权利要求书中特别指出了构成本发明特点的且成为本文一部分的各种新特征。为了更好地理解本发明、操作优点以及通过使用而实现的特定目的，应该参见附图和以下描述并表示了本发明优选实施例的说明书内容。
附图简介

图1是本发明整体式高负载线轴的透视图。
图2(a)示出了线轴模具的上模部，图2(b)是沿图2(a)的AA线的上模部的横截面视图。
图3(a)示出了线轴模具的下模部，图3(b)是沿图3(a)的BB线的下模部的横截面视图。
图4(a)示出了线轴模具的中心侧模具部，图4(b)是沿图4(a)的CC线的中心侧模具部的横截面视图。
图5是填充前的完整模具的横截面图。
图6示出了完全充满的线轴腔。
图7是整体式线轴的横截面图。
实施例图1示出了整体式高负载线轴50(以下称为“线轴”)的透视图。顾名思义，高负载线轴包括能够承受如50磅～1000磅的中等负载，但是它能够承受更大的负载。
如图1所示，线轴50包括两个凸缘部55a、55b和一个中心筒部60，线轴的尺寸足以储存并发放大量缆、线等材料。根据特殊用途和用户要求，各凸缘部55a、55b的直径可以为16″～32″或更大，而筒部60直径为12″～22″或更大。因此，整体式线轴的承载能力及其重量是变化的。对于约重30磅的16″线轴来说，预计负载为50磅～100磅。对于约重50磅的22″线轴来说，预计负载为100磅～500磅。对于约重100磅的30″线轴来说，预计负载为250磅～1000磅。各凸缘部55a、55b的厚度也将随用户要求而变化并且这种厚度可以在一英寸到几英寸之间变化。因此，以上的线轴重量和负载范围的预测将根据凸缘厚度而变化。
如图1所示，线轴包括第一中心轴孔部75，它穿过各凸缘部55a、55b和筒部60中心以便将线轴安装在缆线放送或卷绕设备的卷轴或芯杆上以促进缆线材料的卷绕和/或放送。如以下将要描述的那样，中心轴孔75的大部分是在模塑过程中模塑成型的，而孔的一小部分是在二次操作中通过机加工完成的。许多空心凹窝或孔80环绕中心轴孔部75，这些孔80也是在模塑过程中形成的，它们平行于所述轴孔地从各凸缘部55a、55b起通入线轴筒部60内部。设置这些孔80的目的是为了减轻线轴重量并因而减轻线轴负载。如图1所示，开设了八个孔，但是，可以根据所需的负载量开设多于或少于八个的孔。孔径可以根据所需的负载量和用户要求而变化。根据本发明的设计原则，这些孔是在形成整体式线轴的过程中开设的，而不是在随后的机加工工序中形成的。
如本领域技术人员公知的那样，还可以机加工或模塑出如图1所示的至少一个驱动孔90以便与用户的卷绕/放送设备相连而使线轴在缆线的卷绕或放送过程中转动。尽管没有画出来，但是可以在缆线与凸缘接触以进行卷绕时固定缆线的筒边缘处机加工或模塑出附加的起动缆孔。
制造本发明的整体式高负载线轴的方法要求将熔融塑料注入以下将参见图2(a)～图6来描述的模具100中。由一台挤压机(未示出)提供熔融塑料。制造整体式线轴用的熔融塑料种类包括含有或不含色彩浓缩添加剂、发光用发泡剂和其它增大柔性、工作寿命、刚性和/或强度的任何传统的热塑树脂商品和工程树脂商品，这其中包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯树脂、聚酯树脂、PVC、聚碳酸酯等。当使用某些高密度聚乙烯材料或其它耐热材料时，所形成的整体式塑料线轴可以用于热丝线的卷绕操作。另外，本发明的线轴可以是重新处理的和/或回收的树脂(工业利用后和/或用户使用后的)。在优选实施例中，使挤压机的输出物穿过一个设置在模具体即模具100的模塑部中的浇口110以便在压力下将熔融塑料注入模具100(图5)。在一个例子中，浇口的孔径可以为2″～4″，但是如果需要，可以扩大所述浇口以便填充制造大型线轴用的大型模具。
如图2(a)～图5所示，模具100是一个具有上模部210、下模部220、第一中心部230和第二中心部240的四件组合式模具，这四部分被适当部件如销、螺栓99a…99b连在一起。浇口110的直径可以使其与挤压机135形成紧密配合，从而来自挤压机的熔融塑料足以在短时间内充满封闭的模腔150。应该理解的是，提供熔融塑料的挤压机的尺寸及其规格将在很大程度上取决于整体式线轴的类型及其尺寸。
图2(a)示出了上模部210的下侧的视图，图2(b)示出了沿图2(a)的AA线的上模部210的横截面图。上模部210尺寸如铝或钢的小方坯那样约为1″～2″并且它具有一个与挤压机135相连的中心开口215。如图2(a)、2(b)所示，上模部的下表面还包括一个形成整体式线轴90的一个凸缘部如凸缘部55b(图1)形状的圆唇部或凸缘部212。应该理解的是，圆周唇部可以与上模部的下侧面成一体或者是通过螺栓与所述下侧面相连的分体件，它的厚度最好约等于线轴凸缘部的所需厚度如2″。如在上模部210的俯视图所示，在图2(a)中还设有几个螺栓容纳孔208以便容纳在圆唇部区域内将钢销218a、218b(如图2(b)所示)固定在上模部底侧上的螺栓，所述螺栓在模腔内向下突出。如以下将要解释的那样，在线轴成型过程中，熔融塑料环绕钢销在模具内流动并环绕钢销凝固，结果形成了在筒部中通向所形成的线轴凸缘部的空心凹窝，形成了比较轻的线轴。开设了许多个螺栓容纳孔如204a…204d以便将上模部紧固在第一中心模部和第二中心模部内。
图3(a)示出了下模部210的顶视图，图3(b)示出了沿图3(a)的BB线的下模部的横截面图。如图3(a)、3(b)所示，下模部220是一个象上模部210那样形成的平板件221且它最好具有相似厚度。如在上模部中的那样，下模部有向上延伸(当平放模具时)的圆凸缘或唇部222，并且和上模部的圆唇部中的那样，所述唇部的厚度约等于所形成的线轴的另一凸缘部的理想厚度。还在下模部中开设了许多螺栓容纳孔223以便紧固许多根在模腔内150象图5所示的那样突出的钢销或铝销228a、228b(如图3(b)所示)，结果就象在上模部中设置了销218a、218b那样，在所形成的线轴筒部内形成了相似的气窝。单个螺栓容纳孔225开设在下模部圆唇区的中心位置上以便紧固住在上模部附近的模具筒部中突出的大号钢销或铝销229。大号实心销件229的作用是构成成型线轴的中心轴孔75的主要部分。如以下将解释的那样，轴孔的其余部分是简单地通过机加工制成的。应该理解的是，在上模部中设置四个螺栓容纳孔204a…204d和在下模部中设置孔224a…224d是为了示范目的而给出的，根据设计方案，用于将上、下模部固定在中心侧部上的螺栓数量可以更多或较少。应该理解的是，可以用其它附加机构如夹紧件或压力件将模具部固定在一起。
图4(a)示出了作为模具100的部分相连的中心模具部230、240的俯视图。如图4(a)所示，各中心模具部230、240分别提供了半个圆柱形开口231、241，从而当它们相连时构成了整体式线轴的筒部。图4(b)示出了沿图4(a)的线CC的两个中心模具件的横截面图。第一中心模具部包括至少一个用于容纳上模部210的连接螺栓99a的螺栓容纳孔207a和用于连接下模部220的螺栓容纳孔(未示出)。应该理解到，可以使用其它夹具、螺纹件或压力机构。相似的，如图4(a)所示，第二中心模具部240设有用于容纳上模部210的连接螺栓99b的螺栓容纳孔207b并包括连接下模部220的螺栓容纳孔(未示出)。
如熟练技术人员所知道的那样，注塑塑料将在冷却时收缩，从而模具部210、220、230、240的尺寸可能略微扩大以确保准确的成型线轴的尺寸。例如，为了描述清楚起见，形成16″(吋)凸缘部的上模部圆唇的直径可以是17″(吋)。
图5示出了装配完的整体式线轴模具100的优选实施例，它示出了在模腔150内下垂地固定在上模部210上的上销组218a、218b和在模腔150内向上凸起地固定在下模部220上的下销组228a、228b以及沿轴向与线轴模具上模部210的上浇口110对齐地向上凸起固定在上模部210上的大号实心中心销件229，销件229凸起到这样的程度，即销229的上表面221直接位于浇口110下方。在一个实施例中，销的上表面与模具浇口之间的距离为3/8″～5/8″(吋)，但这不是一成不变的。除了有助于使成型的整体式线轴更轻之外，中心销229使得形成线轴中心轴孔成为可能。中心销还起到了从上模部210的浇口110起将熔融塑料流分散给模腔四面的分流功能。中心销229最好成锥形，它具有一个例如比其上方的浇口110的直径小1/8″～-3/8″的上平面直径和3″～5″(吋)的较粗的下销部。因此，中心销以约为2.0°～4.5°的角度倾斜，由此甚至可以使来自挤压机的熔融塑料流穿过浇口并环绕中心销以便能够完全均匀地充满模具所有部分并有助于从模具中取出成型的线轴。上下气槽形成销组的每个销的长度约为6″～12″(吋)且直径约为2″～6″(吋)，但它最好成锥形。应理解到，缩小的销尺寸如缩小所有销的长度和直径将减轻重量并由此因需要较少材料而缩短了周期。
在优选实施例中，挤压机以约5000磅/吋2的压力输出熔融塑料，从而在短时间内即2分钟～5分钟内充满了整个模具，填充时间取决于线轴尺寸。仅是挤压机转动螺杆(未示出)的力就使得熔融塑料填充模具。挤压机根据1)待成型线轴的尺寸2)浇口3)来自挤压机的熔融塑料的压力而在螺杆转动了预定圈数后自动关闭。接着，在低压下如约4000磅/吋2的压力下进行“充满”操作以实现完全的模具填充。应该理解的是，模具填充方式也是可变的，它可能包括通过注射装置以注射成型或结构泡沫模注方式或与其类似的方式注射熔融材料。
图6示出了模具100，它具有完全充满的模腔150。如图6所示，最好在模具中设置一小段填充导管或导槽80，从而工作人员可以拿手用探针检查以确保各部分已完全填满。
在完全充满后，马上将模具100完全浸入冷却槽如水槽中，因为冷却槽是有效冷却大型部件的一种方式。在优选的实施例中，冷却槽的温度大约是40°F，但是冷却槽不局限于此温度，它是可以变化的。在另一个实施例中，可以从中心及外部冷却整体式线轴，例如通过成型于模具部件四周的冷却套且在各销内具有冷却液循环导管以便进行冷却，或通过向模具喷射冷却水的喷嘴来进行冷却以缩短冷却时间。
在大约冷却了5分钟～30分钟或更长时间后(冷却时间取决于线轴重量和/或尺寸)，松开上、下模部和侧模部并取出成型线轴以便进行最后的冷却和收缩。应该理解到，模具的启闭可以通过将自动的“卸螺栓器”设计成一个外部工具或通过用夹具使模具部件合拢或通过在注塑成型机或类似设备中的压力而简化和/或自动化。在约24小时的收缩和进一步冷却后，机加工成型线轴而完成中心轴孔，而且为了获得光滑性，例如可以进一步精加工和圆整孔顶面等。
图7示出了从模具100中取出的本发明的成型整体式线轴的横截面图。如图7所示，不必加工小气窝或气孔80，如上所述，在不必根据负载量要求而损及强度的情况下增大销尺寸将减轻线轴重量。中心轴孔不是完全空心的，线轴的小部分85必须在二次加工中进行机加工以便完成中心轴孔75。中心轴孔最好成锥形且二次机加工根据轴尺寸或卷绕设备的芯杆形成了中心轴孔75是理想的。最好轴孔75的尺寸使之能在大多数卷绕机上进行缆/线卷绕。
上述方法理想地用于加工象高负载线轴这样的重型大部件，这样的部件需要封闭系统模具。任何其它更复杂的方法与本发明的方法相比可能因冷却时间、模具成本和设备成本的缘故而成本高昂。但是，根据上述工作原理，可以采用象注塑成型、低压结构泡沫模注、气体辅助式注塑成型和压力模塑这样的模塑方法。
以上描述仅仅示出了本发明的工作原理。那些本领域技术人员将能够推导出各种尽管未在上文中或所示附图中明确表述的但能够实施本发明工作原理并因而落在本发明的精神和保护范围内的修改方案。
权利要求
1．一种整体式高负载轻型塑料线轴，它包括大致成圆形的第一凸缘侧部、第二凸缘侧部；成型于所述凸缘侧部之间的筒部；沿线轴中心轴线直线延伸于各凸缘部之间的中心轴孔；许多个从各凸缘部起部分平行于中心轴孔地通入筒部的孔，这些孔有助于线轴的轻型化结构设计。
2．如权利要求1所述的整体式高负载塑料线轴，其特征在于，这许多个孔包括从第一凸缘部起通入筒部的第一组孔以及从第二凸缘部起与该第一组孔一一对应地通入筒部的第二组孔。
3．如权利要求1所述的整体式高负载塑料线轴，其特征在于，该中心轴孔成锥形且经过二次机加工。
4．如权利要求2所述的整体式高负载塑料线轴，其特征在于，第一、第二组孔基本上是对称分布的。
5．如权利要求1所述的整体式高负载塑料线轴，其特征在于，它能够承受近2000磅的缆、线负载。
6．一种整体式高负载轻型塑料线轴的制造模具，它包括用于形成该线轴的第一侧凸缘的上模部，用于形成该线轴筒部的中心侧模部，用于形成该线轴的第二侧凸缘的模部，该上模部、中心侧模部和下模部形成模腔，该上模部具有许多个从其内表面起部分延伸于模腔内的第一销，该下模部具有许多个从其内表面起部分延伸于模腔内的第二销和一个从内表面起基本上位于中心地伸向上模部的中心销，该上模部包括一个容纳熔融塑料的浇口，该中心销能够分散经该浇口浸入的熔融塑料以便均匀地在模腔内散布熔融塑料。
7．如权利要求6所述的整体式高负载塑料线轴的制造模具，其特征在于，所述的许多个第一销和第二销基本上分别垂直于各自的上、下模部。
8．如权利要求6所述的整体式高负载塑料线轴的制造模具，其特征在于，所述多个第一销和第二销是一一对应的。
9．如权利要求6所述的整体式高负载塑料线轴的制造模具，其特征在于，所述多个第一销和第二销基本上是对称分布的。
10．如权利要求6所述的整体式高负载塑料线轴的制造模具，其特征在于，所述的每根第一销和每根第二销都呈锥形。
全文摘要
一种整体式高负载轻型塑料线轴，它包括大致圆形的第一凸缘侧部、第二凸缘侧部；成型于所述凸缘侧部之间的筒部；沿线轴中心轴线延伸于凸缘部之间的中心轴孔；多个从各凸缘部起部分平行于中心轴孔地通入筒部的孔，以利于线轴轻型结构设计。整体式线轴制造模具包括以利模具浇口。锥形中心模具销设置在模具中，它具有靠近浇口以便将来自挤压机的熔融塑料分散到模具内各个部位的上表面。
文档编号B65H75/18GK1238740SQ9718005
公开日1999年12月15日 申请日期1997年9月25日 优先权日1997年9月25日
发明者瓦伦丁·L·皮克顿 申请人:恩瓦罗里尔塑料产品有限责任公司