注塑成型机注射部分设计

III 摘 要 注射成型机是将热固性或热塑性的塑料制作成为各种塑料制件的成型设备。注射成型机又是在塑料加工机械中较为复杂及精密的机器。目前，随着机器生产率的提高和自动化生产的发展，塑料制件已日益广泛地运用到国防、电气、航 空、机械、科教文卫等各个领域，注塑成型机也得到了极为广泛的运用 。 本论文的内容主要为注塑机注射部分的设计，有关各章节内容分述如下： （ 1）介绍了课题的背景和意义，总结了注塑机注射部分设计及优化研究现状，阐述了基于 CAD 软件下的优化方法 ，提出了本论文的基本框架。 （ 2） 介绍了塑化部件的设计，研究了螺 杆、螺杆头、料筒 ，分析了其分类和优缺点。 （ 3） 介绍了注射油缸的设计，研究了注射油缸直径、活塞杆直径，包括对其尺寸的计算。 （ 4） 介绍 了传动部分的设计，研究了其所能承受了扭矩和转速，并对其轴承 做了介绍。 （ 5） 介绍了移动油缸的设计，研究了移动油缸的油缸直径和活塞杆直径，包括对其尺寸的计算。 设计这台机器的目的是：为了进一步了解注塑机的结构和其工作原理，把我们学习的理论用到实际中去。 关键词 ：注塑机；螺杆；注射油缸；传动部分 IV Abstract The injection molding machine is an equipment that thermosetting or thermoplastic plastic can be made into all kinds of plastic parts. Plastic industry and its molding machinery industry are emerging parts. Injection molding machine is complicated in plastic processing machinery and precision of the machine. At present, with the development of the machine productivity and automation production, plastic parts have been increasingly widely used in national defense, electrical, aviation, machinery, science， education， culture， health and so on. The content of this paper is mainly for the design of injection molding machine injection parts, relevant chapters of the content will be introduced with the topic background and significance, In chapter 1, the paper summarizes the injection molding machine with the injection part of the design and optimization research present situation, which is elaborated and based on CAD. The paper also puts forward the basic framework of this paper. In chapter 2, the paper introduces the plasticizing unit, the screw, cylinder head, and analyses the classification of advantages and disadvantages. In chapter 3, the paper introduces the design of the injection cylinder, and studies the injection cylinder diameter, also with the diameter of the piston rod, which includes the calculation of its size. In chapter 4, the paper introduces the transmission part of the design. It can withstand the torque and rotate speed which is studied, and the paper also introduces the present of the bearing. In chapter 5, the paper introduces the design of the moving oil cylinder, the mobile oil cylinder diameter of cylinder and the piston rod diameter, including the calculation of the size. My purpose to design this machines to further understand the structure of the injection molding machine and its working principle； we study the theory in practice. Key words: injection molding machine； Screw； Injection of oil cylinder； the transmission part III 目 录 1 绪论 .1 1.1 本课题的研究内容和意义 . 1 1.2 注塑机发展概况 . 1 1.3 注塑成型原理 . 1 1.4 本课题应达到的要求 . 5 2 塑化部件设计 .6 2 1 柱塞式 . 6 2 2 螺杆式 . 6 2.2.1 螺杆式塑化部件 .6 3 注射油缸的设计 .13 3.1 注射装置的形式 . 13 3.2 注射油缸的结构 . 13 3.3 注射油缸直径的计算 . 14 4 传动部分的设计 .16 4.1 螺杆传动方式的介绍 . 16 4.2 螺杆转速的计算 . 17 4.3 螺杆传动特性及驱动功率 . 18 4.4 传动部件中轴承的选择 . 21 4.4.1 轴承类型介绍 .21 4.4.2 选择轴承时的考虑因素 .22 4.4.3 轴承尺寸的计算 .23 5 移动油缸 .25 5.1 移动油缸的结构 . 25 5.2 移动油缸的计算 . 25 结论与展望 .27 致谢 .28 参考文献 .29 附录 .30 注塑成型机注射部分设计 1 1 绪论 1.1 本课题的研究内容和意义 本论文的内容主要为注塑机注射部分的设计，有关各章节内容分述如下： 介绍了课题的背景和意义，总结了注塑机注射部分设计及优化研究现状，阐述了基于CAD 软件下的优化方法，总结了注塑机注射部分发展现状及趋势，提出了本论文的基本框架。 第一章， 介绍了塑化部件的设计，研究了螺杆、螺杆头、料筒的选择，分析了其分类和优缺点。 第二章， 介绍了 注射油缸的设计，研究了注射油缸直径、活塞杆直径，包括对其尺寸的计算。 第三章， 介绍了传动部分的设计，研究了其所能承受了扭矩和转速，并对其轴承的选择做了介绍。 第四章， 介绍了移动油缸的设计，研究了移动油缸的油缸直径和活塞杆直径，包括对其尺寸的计算。 意义：改进注塑机的构造，降低成本，为了进一步了解注塑机的结构和其工作原理，把我们学习的理论用到实际中去。 1.2 注塑机发展概况 中国塑料注射成型机产业从 1958 年上海生产第一台 60 克注塑机开始，从无到有、从小到大逐步做强，特别是改革开放 30 多年来，中国注塑机实现了跨越式的发展， 取得了巨大成就。 塑料注射成型机是中国机械工业不可忽视的重要组成部分，产品种类多，应用领域广，关联程度大，综合性能强，技术资金密集，是促进汽车工业、建筑材料工业、电子通信工业、轻工业、国防工业等各行业发展、丰富人民物质文化生活的重要产业，也是具有较强国际竞争力的优势产业，是名符其实的注塑机制造大国和出口大国，在全球塑机市场上具有重要地位。近几年来，随着控制技术的不断发展与完善，注塑机已朝着自动化、节能化、智能化、无人化等方向发展。如采用计算机数字化控制和程序化控制，使注塑机具有自动控制、自动诊断、自动调节 、自动补偿功能；控制系统实行模块化、集成化；采用成组技术，通过网络实施多台注塑机的群控。在成型工艺方面，低压注射成型、交变注射成型、注射压缩成型、熔芯成型工艺都已开始出现 。 1.3 注塑成型原理 注射成型是把塑料通过料斗加入机筒中，机筒外部由加热圈加热，使塑料熔融。在机筒内部装有马达驱动旋转的螺杆，塑料在螺杆的旋转作用下沿着螺槽向前输送，同时在加热圈和螺杆剪切的双重作用下塑料逐渐塑化。当已熔融的物料推到螺杆的头部时，螺杆在物料的反作用下进行后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程。然后，螺杆在注射油缸的 活塞推力作用下，以高速、高压将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中，无锡太湖学院学士学位论文 2 型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，在合模机构的作用下，开启模具，并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出。 注射成型是一种以高速高压将塑料熔体注入已闭合的模腔内，经冷却定型，得到与模腔相一致的塑料制品的成型方法。 一台标准的注塑机必须具备如下基本功能： 1. 对加工塑料实现塑化计量并将熔料射出的功能； 2. 对成型模具实现启闭和锁紧的功能； 3. 实现在成型过程中所需能量的转换与传递的功能； 4. 对工作程序及工艺条件设计与控制的功能。 图 1.1 注塑机 图 1.2 注塑机结构示意图 注塑成型机注射部分设计 3 图 1.3 注射部分结构示意图 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 1.4 注塑的过程 塑料干燥 脱模过程 模具温度 冷却时间 塑化过程 注射过程 保压过程 模具冷却 干 燥 温 度 / 时 螺杆转速 塑化温度 塑 化 量 背 压 抽胶位置 注射位置 注射压力 注射时间 注射速度 模具温度 保压压力 保压时间 模具温度 注塑成型机注射部分设计 5 1.4 本课题应达到的要求 熟练掌握注射装置的型式和结构； 熟练掌握注射装置的工作原理； 熟练掌握螺杆式塑化部件的设计； 熟练掌握注射油缸的设计 熟练掌握螺杆传动装置的设计； 熟练掌握移动油缸的设计； 熟练使用 AUTO-CAD 进行设计及 3D 制图技巧。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 塑化部件设计 2 1 柱塞式 注塑 机塑化部件主要有两种形式：柱塞式、螺杆式。柱塞式的优点是结构简单，轴向的尺寸短，安装方便，对物料的适应性强，可使用再生料；缺点是热能消耗大，注射压力损失大，塑化效果差，由于现在对塑料制品的要求越来越高，因此单独使用较少。 2 2 螺杆式 特点是：塑化功能好，使塑化和注射良好的统一，结构简单，紧凑，得到普遍应用。此次塑化部件采用螺杆式塑化装置。 2.2.1 螺杆式塑化部件 主要由螺杆、机筒（又称料筒）、螺杆头、止回环、止回垫、喷嘴、加热部分组成。塑料在转动螺杆的连续推进过程中，实现了物理状态的变化，最后呈熔融 状态而被注入模腔。 螺杆是塑化部件中的关键部件，和塑料有直接接触，塑料通过螺槽的有效长度，经过长时间的加热历程，所以螺杆的各个功能段的长度、几何形状、几何参数将直接影响塑料的输送效率和塑化质量，最终影响注射成型周期和制品的质量。 注射螺杆在熔融过程中为非稳定过程，主要表现为熔融效率不稳定和塑化后的熔料存在较大的轴向温差。特别是后者直接关系到制品的质量。影响轴向温差的因素有： 树脂性能：对于粘度大，热物理学性能差的树脂，其温差大； 加工条件：螺杆转速高、行程大、油缸背压低、料筒全长温度差大，其温差大； 螺杆形 状及要素：对长径比小、压缩比小的普通螺杆，其温差大； 因此，在设计时从保证塑化质量出发，螺杆转速、注射行程需要控制。 注射螺杆按其对塑料的适应性，一般分为通用螺杆和特殊螺杆。通用螺杆又称常规螺杆，可加工绝大部分具有低 ,中黏度的热塑性塑料，结晶型和非结晶型的民用塑料和工程塑料，是螺杆最基本的形式。与其相应的还有特殊螺杆，是用来加工普通螺杆难以加工的塑料，例如热固性塑料、聚氯乙烯、高粘度的 PMMA。 按螺杆结构及其几何形状的特征，可分为常规螺杆和新型螺杆。常规螺杆又称三段式螺杆，是螺杆的基本形式。新型螺杆形式 有很多，主要有分离型螺杆、分流型螺杆、波状螺杆、横纹螺杆、无计量段螺杆、两段式排气螺杆、强混炼型螺杆等等。 注塑成型机注射部分设计 7 表 2-1 已知条件 名 称 参 数 备 注 螺杆直径 mm 38 长径比 L/D 21 理论容积 cm3 172 注射量（ PS） g 155 注射压力 MPa 176 油泵排量 L/min 53 工作油压力 MPa 160 液压马达 NH3-300 喷嘴压力 t 3.4 根据表中的参数进行计算，确定螺杆长度、机筒外径、注射油缸直径、注射油缸行程，注射速率、塑化能力、移动油缸直径、移动油缸行程等。 假设已知下列参数，确定螺杆长度、机筒外径、注射油缸直径、行程，注射速率、塑化能力、移动油缸直径、行程等。 图 2.1 螺杆的示意图 2.2.1.1 螺杆的基本形式和几何参数 如上图所示 ，主要由有效螺纹长度 L 和尾部的连接部分组成。螺杆头部设有装螺杆头的反向螺纹。本次设计采用普通形式的通用型螺杆，从而适应多种塑料加工，避免频繁更换螺杆，有利生产效率的提高。 通用型螺杆有效长度分成加料段、压缩段、均化段。 A 注射行程 由已知条件得螺杆直径，理论注射容积，因此求得注射行程。 L3：均化段（计量） L/D：螺杆长径比 L1：加 料段（输送） L2：压缩段（塑化） h1:加料段的螺槽深度 h3:均化段的螺槽深度 i：压缩比 ,i h1/h3 e:螺棱法向宽度 L1 L2 L3 L h1 h3 S e D :螺纹升角 S :螺距 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 44kVcSVcDs （ 2.1） SD 螺杆直径 (mm) CV 机器 理论注射容积 S 注射行程 (cm)， SkDS k 螺杆行程与直径的比值，常取 43 ，最大可到 5 左右，视螺杆性能而定 , 可求得 S=151.7mm L=21DS=798mm B压缩比 螺杆压缩比是 h1/h3 之比，压缩比大，剪切效果强，塑化能力弱，对于普通型塑料，一般取 2.2-2.6 之间。 h1 是加料段的螺槽深度。 h1 深，则容纳的物料多，提高 了供料量，但会影响物料塑化效果以及螺杆根部的剪切强度。一般 h1=（ 0.12 0.2） Ds,本次设计取 h1=6.33mm. h3 是熔融段螺纹深度。 h3 小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化。但 h3 过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起大分子链的降解，影响熔体质量。反之，如果 h3 过大，由于在预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。所以合适的 h3 应由压缩比来决定，本次设计取 h3=2.5mm 压缩比 53.25.2/33.63/1 hh C螺杆几何参数 L1 是加料段 长度。加料段又称输送段或进料段。为了提高输送能力，螺槽表面一定要光洁。 L1 的长度应保证物料有足够的输送长度，一般 L1=（ 9 10） Ds, 本次设计取 L1 =380mm. L3 是熔融段（均化段、计量段）螺纹长度。熔体在 L3 段的螺槽中得到进一步的均化：温度均匀，黏度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。 L3 长度有助于稳定熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称计量段。一般 L3=（ 4 5） Ds，本次设计取 L3=190mm L2 是塑化段（压缩段）螺纹长度。物料 在此锥体空间中不断地受到压缩、剪切和混炼作用，物料从 L2 段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺槽，物料完成从玻璃态，经过黏弹态向黏流态的转变，从固体床向熔体床的转变。 L2 长度会影响物料从固态到黏流态的转化历程，太短会来不及转化，固料赌塞在 L2 段的末端，形成很高的压力、扭矩或轴向力、太长也会增加螺杆的扭矩和不必要的能耗，一般 L2=（ 4 8） Ds，本次设计取 L2=190mm S 是输送槽螺距，其大小影响螺旋角，从而影响螺槽的输送效率，一般SDS e 是螺棱宽度，其 宽窄影响螺槽的容料量、熔体的漏流以及螺棱耐磨损程度，一般为注塑成型机注射部分设计 9 （ 0.05 1）SD 本次设计取 e=3.5mm D.螺杆材料与热处理 目前国内常用材料为 38CrMoAl，热处理采用气体氮化工艺或高频淬火加镀铬处理。本次设计采用气体氮化工艺。 图 2.2 螺杆 2.2.1.2 螺杆头 注塑螺杆和挤出螺杆之间重要区别，在于前者装有各种特殊结构形式的螺杆头，这是由螺杆工作特性所决定的。在注射螺杆中螺杆的作用是预塑时，能将塑化好的熔体放流到储料室中，而在高压注射 时，又能有效地封闭螺杆头前部的熔体，防止倒流。 螺杆头要求： 1、 止逆环与料筒配合间隙要适宜，既要防止熔料回泄又要灵活； 2、 既有足够的流通截面，又要保证止逆环端面有回程力，使注射时快速封闭； 3、 止逆环属于易磨损件，应采用硬度高的耐磨、耐蚀合金材料制造； 4、 结构上应拆装方便，便于清洗； 5、 螺杆头的螺纹与螺杆的螺纹方向相反，防止预塑时螺杆头松脱。 图 2.3 螺杆头示意图 2.2.1.3 料筒 料筒是塑化部件的重要零件，内装螺杆外装加热圈，承受复合应力和热应力的作用。 A. 料筒壁厚 料筒壁厚要求有足够的强度和刚度，因为料筒内 要求要承受熔料和气体的压力，且料筒长径比很大，在注塑座上悬臂；料筒要求有足够的热容量，否则难以保证温度稳定性；无锡太湖学院学士学位论文 10 如果太厚。料筒笨重，浪费材料，热惯性大，升温慢，温度调节产生滞后现象。 表 2-2（部分机筒的 K 值） 螺杆直径（ mm） 34 42 50 65 85 110 130 150 机筒壁厚（ mm） 25 29 35 47.5 47 75 75 60 比值（ k） 2.47 2.40 2.40 2.46 2.10 2.36 2.15 1.80 根据插值法算得 mm27 及 505.2K mm94.171- KD o (2.2) VDVSDq isicisi.24.24 (2.3) mmcmDVSsc 7.15117.154 （ 2.4） 机筒壁厚（ mm） L 螺杆的螺纹长度（ mm） bD 机筒内径（ mm） oD 机筒外径（ cm） iq 注射速率（ cm3/s） i 注射时间（ s） 表 2-3 间隙值 /mm 螺杆直径 15 25 25 50 50 80 80 110 110150 150200 最大径向间隙 0.12 0.20 0.30 0.35 0.15 0.50 B 料筒间隙 料筒间隙系指料筒内壁与螺杆外径的单面间隙。此间隙太大塑化能力降低，注射回泄量增加，注射时间延长；如果太小，热膨胀作用使螺杆与料筒摩擦加剧，能耗加大，甚至卡死，此间隙 =（ 0.002 0.005） DS C加料口形式 加料口结构形式直接影响进料效果和塑化部件吃料能力，注塑机大多数靠料斗中物料注塑成型机注射部分设计 11 的自重加料，因此一般选择加大物料与螺杆的接触角大，接触面积大 ，有利于提高进料效率，不易在料斗中形成架桥空穴。 D 料筒材料 料筒、螺杆材料要求在高温下耐磨、抗腐蚀，大多采用优质氮化钢 38CrMoAlA 加工后进行氮化处理。对于加工某些增强纤维填充物的复合材料，需配高碳、高硬度抗蚀耐磨的双金属片料筒。 图 2.4 机筒 2.2.1.3 喷嘴 喷嘴是连接塑化装置与模具流道的重要组件。具体功能有：预塑时，在螺杆头部建立背压，阻止熔体从喷嘴流出；注射时，建立注射压力，产生剪切效应，加速能量转换，提高熔体温度均化效果；保压时，直保温补缩作用。喷嘴可分为敞开式、锁闭式。由于敞开式喷嘴结构简单，制造容易，压力损失小，因此本次设计采用敞开式喷嘴。 喷嘴头与模具的浇套要同心，两个球面应配合紧密，否则会溢料。一般要求两个球面半径名义尺寸相同，而取喷嘴球面为负公差，其口径 略小于浇套口径 0.5 1mm 为宜，二者同轴度 0.25 0.3。 喷嘴口径尺寸关系到压力损失、剪