塑料注射成型机合模部分设计毕业设计

1、塑料注射成型机合模部分设计 摘 要 塑料注射成型机简称注塑机，是利用塑料成型模具将热塑性塑料或热固性塑料制 成各种塑料制品的主要成型设备。注塑机合模部分的设计分为五部分，包括合模电机 的选型、滚珠丝杠的详细设计、五曲肘合模机构的设计校核、调模机构以及拉杆的设 计与校核。 本文以小型全电动式注塑机为设计目标，摒弃机械液压式注塑机中采用合模油缸 作为执行机构，而是采用电机+滚珠丝杠的传动方式，实现注塑机的合模动作；采用调 模电机实现调模动作。本文完成了合模电机、调模电机的选型设计、滚珠丝杠、拉杆、 五曲肘合模机构的详细设计和部分校核。 全电动式注塑机比机械液压式注塑机响应速度快、精度高、节水节电、

2、无油液污 染。 关键词：全电动式注塑机，合模装置 i design of clamping component in plastic injection molding machine abstract plastic injection molding machine is referred to as the injection molding machine. it is the main forming equipment which can convert plastic molding thermoplastic or thermosetting plastics into pla

3、stic products. design of injection molding machine clamping part is divided into five parts, including selection of the mold closing motor, detailed design of ball screw, design of five-toggle clamping mechanism and mould adjusting mechanism and design and checking draw rods. the goal of this paper

4、is the small all-electric injection molding machine. it abandons the mechanical hydraulic injection molding machine and closing mould cylinder as the actuator, but using the “drive motor + ball screw”. it realizes the mold closing action of injection molding machine. this paper completed selection d

5、esign and detail design of the mold closing motor and die adjusting motor, ball screw, rod, five- toggle clamping mechanism. fully electric injection machine has faster response speed, higher precision, more energy saving and no oil pollution than the mechanical hydraulic injection molding machine.

6、key words: fully electric plastic injection molding machine, clamping component ii 目 录 摘要 abstract 1 概述 1 1.1 国内外塑料注塑成型机市场发展现状1 1.2 注塑机工作原理3 2 方案论证 5 2.1 合模机构的类型和选择5 2.2 电动式合模机构的选择 6 3 合模机构的参数及尺寸参数计算 8 3.1 合模力的确定 8 3.2 模板尺寸及拉杆间距的确定8 3.3 动模板行程 sm 8 3.4 肘杆机构的尺寸参数的研究 9 3.5 运动特性分析10 3.6 力学特性分析 11 3.7 肘杆

7、机构自锁及正常运动条件 12 3.8 肘杆机构的尺寸参数的确定13 4 内翻式合模机构的结构设计16 4.1 连杆的设计与校核 16 4.2 销轴的设计与校核 16 4.3 合模机构滚珠丝杠的设计 16 4.3.1 滚珠丝杠副的程 17 4.3.2 当量载荷 17 4.3.3 估算滚珠丝杠的底径 iii 17 4.3.4 滚珠丝杠的强度校核 18 4.4 合模电机的选型 18 4.5 注塑成型机的调模机构的设计 20 4.5.1 调模机构的选型 20 4.5.2 调模机构电机的设计 20 4.6 拉杆的设计 21 4.6.1 拉杆的强度析 21 4.6.2 拉杆的疲劳分析 22 4.6.3 拉

8、杆上螺纹的设计 23 5 小结25 致 谢 26 参考文献 27 陕西科技大学毕业设计说明书0 1 1 概述概述 塑料工业是国民经济重要工业部门，又是一个新兴的综合性很强的工业体系。它 是由塑料制品成型及应用，塑料原料设备，塑料回收，再生与利用及相应的树脂合成 设备，助剂设备，塑料准备设备，塑料成型设备，塑料二次加工设备，塑料辅助设备， 机头与模具制造等组成的工业体系。 由于塑料的飞速发展，塑料制品的应用领域不断扩展，塑料加工设备已经成为国 家机械工业的重要组成部分。塑料加工设备是在橡胶机械和金属压铸机的基础上发展 起来的，早在 18 世纪 50 年代，橡胶机械已有了一定的水平，到 19 世纪

9、 70 年代，出 现了注塑工艺与设备。20 世纪 30 年代塑料加工如注塑，挤出形成了工业化的加工方法， 70 年代塑料工业发展到了一个新的历史时期，促使塑料加工机械水平不断提高，无论 从技术，品种，规格，产量都有了很大的发展。 塑料加工机械按其工艺流程可分为塑料准备加工设备，塑料成型加工设备，塑料 二次加工设备，塑料辅助加工设备，废旧塑料回收加工设备。其中，塑料成型加工设 备是塑料加工设备中的重点，主要有注塑机及其辅助设备，挤出机及其辅助设备，中 空吹塑机 压延成型设备，滚塑成型设备，泡沫塑料成型设备。 在成型加工中，注塑占有重要位置，其设备就是注塑机。注塑成型与挤出成型相 比，注塑成型是周

10、期性的生产单个制件，而挤出机是连续成型的。注塑成型的特点如 下：可一次成型外形复杂，尺寸精确，表面光洁的塑料制件；能成型带有金属嵌件的 制件，使之有良好的装配性能和互换性，有利于塑件的应用，标准化，系列化；注塑 成型的模具可快速更换，以便制造适应市场需求的产品；特别适宜工程塑料及特种塑 料的成型，获得热塑性能、特殊用途的制品；自动化程度高，生产率高，可实现“无 人化”管理。注塑制品广泛的应用在家电、汽车、机械、电子、建筑、医疗卫生、农 林、交通运输、宇航、军工等行业。 近年来，世界各国的注塑机械开始朝着高速、高效、节能、和生产自动化方向发 展，全电动注塑机是目前这种环境下开发出来的一种全新的产

11、品。电动注塑机具备很 多优点，电动注塑机与液压注塑机最大区别是前者没有液压系统，因而避免了漏油问 题，另外油压系统需要水冷却，由于水质差引起冷却缸管道腐蚀生锈，甚至使冷却水 混入压力油中，造成维修问题，而电动注塑机则可完全避免，成为人们对洁净生产环 境，能源节约及加工工艺准确性要求日益增加的一个标志。 1.1 国内外塑料注塑成型机市场发展现状 从注射机问世起，锁模力在 10005000kn，注射量在 502000g 的中小型注射机 占绝大多数。到了 70 年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、 塑料注塑成型机合模部分设计1 机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注射机得到

12、了迅速发展。美国最为明 显。在 1980 年全美国约有 140 台 10000kn 以上锁模力的大型注塑机投入巾场，到 1985 年增至 500 多台。日本名机公司已经成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力 达到 120000kn，注射量达到 92000g。 八十年代以来，cad/caecappcam 计算机应用技术在塑机制造业的广泛采用， 促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。以宁波海天股份有限公司为代表的一 批国家级高新技术企业都相继引进美国 u.g.s 和 ptc 公司的计算机辅助设计和分析等 软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对主要原件分析，对高应力区的 应力分布、

13、应力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、 评估和修改设计方案，保证重要零件结构合理性的可靠性达到完美结合。为了保证高 质量的设计输出到高质量的产品输出，旧的加工方式已经很难适应技术、质量竞争的 要求。海天公司在“八五”和“九五”规划中，按照滚动发展的科学方法，累积投资 2 亿元人民币组建了加工中心分厂。新建 5 万平方米的大型装配分厂，10 万平方米的 扳金和结构件加工分厂，新建了 1 万平方米的试验车间和实验室，新建了 5928 个库位 的立体自动仓库。购置了德国 okuma 两条柔性加工线，加入到 40 多台加工中心组成的 机群中。实施了国家 863 计划浙江海天

14、cims 工程，成功应用 k3 系统，实现了生 产计划、物料、成本等计算机集成管理。引进 iman 系统实现了产品技术数据创建和跟 踪，产品结构和版本，产品属性和关联数据的查询以及向 k3 系统的信息传递等计算机 集成管理。 塑料的庞大市场为塑料机械行业的发展起到了推动作用。塑料机械行业应用范围 十分广泛包括包装、农业、建筑、汽车等多个领域。随着，国内石油化学工业的不断 发展，我国塑料机械工业逐渐形成了一个独立的工业部门，并且初具规模。近年来， 我国塑料机械工业发展十分快速，基本上实现了跨越式的发展，产业规模也在不断的 扩大。 为了节省贵重的金属材料，降低零件的制造成本，减轻设备重量，注塑成型

15、制品开始 向大型和小型精密化发展。目前，国内注塑机能注射成型的最大塑料制件可达 50000cm3 ；国外生产注塑小型精密制件，最小可达 0.5g2g，尺寸精度能达到 2.5m。 传统的合模装置有以下类型：液压式、液压-机械式、液压曲肘式、电动机械式。 基于传统的合模装置，目前又有新型全液压式合模机构、电液复合式合模机构。全液 压式精密注塑机在成型精密、形状复杂的制品方面有许多独特优势。电动液压复合式 合模机兼具电动与液压式机构的优点,是合模机构发展的一个重要方向。电液复合式合 模机构采用伺服电机和螺母丝杆结构的优点,实现快速开合模和节能效果,而锁模部分 采用精密平衡的液压式结构,保证了高精度要

16、求。合模装置作为注塑机最主要的部件, 一直是各个注塑机厂家、公司技术竞争的重点。肘杆式、传统液压三模板拉杆注塑机 陕西科技大学毕业设计说明书2 的合模机构在合模速度、合模精度、锁模力等方面,已经逐步不能适应现代生产的高精 度、高效率要求。所以,在原来合模机构基础上开发全电动、电液复合式、无拉杆式等 注塑机新型合模机构,是当前精密注塑合模机构的重要发展方向,特别是电液复合式合 模机构集合了全电动和全液式的优点,具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。 1.21.2 注塑机工作原理注塑机工作原理 注塑机利用塑料的热物理性质，把物料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加热， 使物料熔融；在料筒内装有在外动力

17、马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用 下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化， 熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料 推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，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的作用下，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；型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定 型后，模具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 顶出落下。 通俗点来说，注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，其借助螺杆的推力，将 已塑化好的熔融

18、状态的塑料注射入模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。注塑 机作业循环流程如图 1-1 所示。其中制品冷却与螺杆塑化是同时进行的。 闭模注射座前进注射保压 冷却 启模制品脱落 螺杆转动 塑化退回 停止塑化 图 1-1 注塑机工作流程框图 （1）闭模和锁模注塑 模具以低压快速闭合，当动模和定模将要合上时，动力系统自动切换到低压低速， 当确认模腔无异物时切换到高压将模具锁紧。 模具锁紧后，注射座前移，使喷嘴与模具贴合，由液压注射系统工作，以高压高 速将熔料注入模腔。 塑料注塑成型机合模部分设计3 （2）保压 塑料注入模腔后，冷却收缩，为使制品质量密室。对熔料保持一定的压力，称此 压力为保压压力。

19、保压时，螺杆前移少许。 （3）预塑和冷却 当保压进行到模具型腔内的熔体失去了从浇口回流的可能性时（即浇口处熔体冷 凝封口） ，注塑油缸内的油压即可卸去，制品在模具型腔内充分冷却定型。为了缩短成 型周期，在制品冷却定型的同时，注塑螺杆在螺杆传动装置的驱动下转动，从料斗内 落入机筒的物料随着螺杆的转动而向前输送。物料在输送过程中被逐渐压实，物料中 的空气从加料口排出。进入机筒中的物料，在机筒外部加热器的加热和螺杆摩擦剪切 产生的热量共同作用下，被塑化成熔融状态，并建立一定的压力。当螺杆头部的熔体 压力达到能够克服注塑油缸活塞后退是的阻力（即预塑背压）时，螺杆开始后退，计 量装置开始计量。螺杆不停的

20、转动，螺杆头部的熔体逐渐增多，当螺杆后退到设定的 计量值时，螺杆即停止在转动和后退。因制品冷却和螺杆预塑化是同时进行的，所以， 在一般情况下要求螺杆螺杆预塑计量时间不超过制品的冷却时间。 （4）注塑座后退 螺杆塑化计量结束后，为了不使喷嘴长时间与冷的模具接触形成冷料，而影响下 一次注塑和制品的质量，有些塑料制品需要将喷嘴离开模具，即注塑座后退。在试模 使也经常选择这一动作。动作进行与否或动作先后次序，根据所加物料的工艺条件而 定，均可进行选择。 （5）开模 模具型腔内的制品经充分冷却定型后，合模系统就开始打开模具。在模具的推出 机构共同作用下而自动顶落制品，为下一个成型过程做好准备。按照习惯，

21、把一个注 塑成型周期，称为注塑机的工作循环。根据上述动作，按时间先后程序可绘成注塑机 的工作框图，如图 1-1 所示。 陕西科技大学毕业设计说明书4 2 方案论证 2.12.1 合模机构的类型合模机构的类型 合模机构是注塑机中最重要的机械部件，是保证成型模具可靠的紧闭和实现模具 启闭动作，使模具闭合产生系统弹性变形从而达到锁模力，将模具锁紧。合模机构提 供的锁模力最终决定力模具模腔的平均压力，而模具模腔的平均压力的决定了制品的 产品质量。现在，随着塑料的品种的日益丰富，性能越来越多样性和优越性，以及现 在社会对塑料制品的需求量不断上升，且需求品种也越来越多样性。合模力从超小型 的 200kn

22、到超大型的大于 20000kn，几乎包含了社会生产生活中的各个领域。但平常用 的最多的，较常见的是小型机。对于一个比较好的合模机构应该具备三个方面的特性： (a) 足够的锁模力和系统刚性，保证模具在熔料压力作用下，不会产生开缝溢料 现象； (b) 模板要有足够的模具安装空间及模具开启行程； (c）快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢-快-慢的运动特性。 现按锁模力的实现方式讨论全液压式、液压肘杆式和电动式合模机构的优缺点。 按合模方式的不同，合模机构分为以下几种： （1）全液压式 全液压式合模机构可分为直动式、增压式和充液式。第一：直动式合模机构。其 特点是启闭模动作和合模力的产

23、生都由合模油缸直接完成，这是一种非常简单的合模 机构。合模机构的合模动作由液压油作用在活塞上来实现，锁模动作由液压油升压来 完成。这种合模机构不满足合模机构的运动特性，耗能大，精度低，目前已经很少应 用。第二：增压式合模机构。由合模油缸、充液阀、稳压油缸和增压缸组成。此类合 模机构的锁模力受液压系统和密封的限制，固增压有限，主要用于中小型注塑机。第 三：充液式合模机构。这种开合方式模精度高、模板受力均衡、不需调模、不需加油 润滑、磨损较少、开合模行程长；但容易内泄造成升压时间长、爬行、甚至让模、速 度慢、漏油、能耗高、容易造成液压冲压、液压系统复杂、成本高、大油缸加工困难。 塑料注塑成型机合模

24、部分设计5 （2）液压肘杆式 液压肘杆式合模机构由移模液压缸和曲肘连杆两部分串联而成，是通过液压系统 驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧。它可以用很小的液压缸推力，通过肘杆 机构的力的放大作用来获得较大的锁模力。在开合模过程中，这种机构能实现慢-快-慢 的运动过程，提高了合模速度，节约了能耗并提高了效率。在输入功率相同的情况下， 肘杆式合模机构的运动速度优于其它形式的合模机构，如在相同的尺寸和运动速度下， 肘杆式合模的输入功率比全液压式约节省 10%-20%。另外，肘杆式合模机构的开模力 通常是有限的，这一点在小吨位机器上更为明显。液压肘杆式是目前使用最为普遍的 合模机构。但这种方式不足的

25、是： （a）结构复杂、易磨损、开合模精度差； （b）加工精度要求极高，在成型过程中使得模板受力不均，不能成型精密产品； 需要复杂的调模结构和润滑系统，开合模行程短，而且销轴等磨损后造成的受力不均， 会加速机器损坏，例如：销轴和拉杆断裂、模板开裂、调模螺母咬死等。 图 2-1 液压肘杆式合模机构 （3）电动式 电动式合模机构指用电机作动力源来驱动模版移动而实现合模、锁模的合模机构。 目前，较流行的是全电动肘杆式即所谓电动机械式合模机构。全电动肘杆式合模机构 使用伺服电机配以滚珠丝杠、联轴器等元件替代液压系统驱动曲肘连杆机构来实现模 具的启闭和锁紧，整个装置的调模、顶出均采用伺服电机来执行的合模机

26、构。具有节 能、控制精度和重复精度高、效率高和环保清洁等优点。 根据设计要求，采用电动式合模机构。 2.2 电动式合模机构的常见形式的选择 陕西科技大学毕业设计说明书6 常见的电动式合模机构有电伺服滚珠丝杠直压式，该结构机械磨损比较严重，寿 命低，很少采用；电伺服滚珠丝杠曲肘连杆式，该机构特点如下： 动作原理：启闭模时，伺服电动机转动并带动滚珠丝杠转动从而带动螺母沿轴向 移动，推动双曲肘连杆机构带动动模板及其模具实现启闭模运动；模具接触时，曲肘 连杆处于未伸直状态，在合伺服电动机推力作用下曲肘连杆机构产生力的放大作用， 使合模系统发生弹性变形，直至曲肘连杆伸直进入自锁为止 图 2-2 伺服电机

27、直接驱动式合模机构 其特点是，启模时，双曲肘相对于轴线向内翻转，结构较外翻式简单、紧凑，较 适用于中小型机，是比较有代表性的，是目前应用最为普遍的合模机构。该机构速度 较快，在整个移模行程中是变化的，并处于较高的速度状态，效率较高。移模力与锁 模力与构件的材料、尺寸精度、质量、速度有关，该机构对锁模力有放大作用。合模 状态机械系统刚性较好，在胀模力作用下，产生追加合模力，允许适量短时间的超载 工作。合模后曲肘连杆进入自锁，无液压油污染环保。开合模时，易产生启动的机械 噪音。 因此，我选用电伺服滚珠丝杠曲肘连杆式。 塑料注塑成型机合模部分设计7 3 合模机构的参数及尺寸计算 3.1 合模力的确定

28、 合模力也称锁模力，其含义为合模机构锁模后，熔料注入模腔时，模板对模具形 成的最终锁紧力。.液压肘杆式合模机构的合模力是通过合模油缸产生的推力借助曲肘 连杆机构的传递和放大，作用在动模板上，然后使模具产生合模的力。 具体原理是，当模具刚接触时（还未产生明显的弹性变形） ，由于曲肘连杆尚未完 全伸直，即在合模角接近 3时，产生曲肘锁模角及连杆角，开始进入锁模状态。此 时伺服电机转速减少，增大扭矩，那么整个合模机构就要发生弹性变形，产生变形力。 最大变形力是曲肘连杆机构在伸直后进入自锁状态下发生的，此时进入锁模状态的锁 模力等于变形力。当熔料以一定注射压力和流速进入模具空腔时，为使模具不至于被 熔

29、料胀开，合模力应满足下面的公式 （3-1） m fspa 其中 fm：合模力； ：安全系数； s ：模腔平均压力（mpa） ，根据制品要求和物料特性；p ：制品在分型面上的投影面积（） ；a 2 cm 任务书已给出合模力为 500kn。 3.2 模板尺寸及拉杆间距的确定 模板是用来固定模具的，模板承受是以拉杆中心为支承的，弯曲变形应在模板中 心。锁模时，在强大锁模力的作用下，模板及其拉杆的尺寸基准应是模具的分型面， 因此各模板的拉杆孔必须平行并对称。模板尺寸，拉杆间()()h mmv mm 。制品的最大成型面积决定了模板尺寸和拉杆间距，而拉杆间距决定 00 ()()hmmv mm 了模具的尺寸

30、。根据经验，模板面积约为注塑机最大成型面积的 4-10 倍，为便于模具 从上往下安装，设计模板的长 h 水平放置。根据制品最大尺寸 180mm180mm，按模板 面积约为注塑机最大成型面积的 7 倍计算，定模板尺寸=456x456，拉()()h mmv mm 陕西科技大学毕业设计说明书8 杆间距=310 x310，如图 3-1 表示。 00 ()()hmmv mm 3.3 动模板行程 sm 动模板行程是指动模板能够移动的最大距离，用 (mm)表示。移动模板行程一 m s 般与成型制品的高度有关，为了制品能够顺利地取出，动模板行程要大于制品最大高 度的 2 倍。毕业任务说明书已给出动模板行程为

31、180mm。 m s 图 3-1 模板尺寸 3.4 肘杆机构的尺寸参数研究 根据双曲肘内翻式的传统结构，绘制出运动简图如图 3-2 所示。 塑料注塑成型机合模部分设计9 图 3-2 肘杆机构运动简图 l1：后连杆长度； l2：前连杆长度； l4：小连杆长度； l5：后连杆上的支杆长度 e：偏心度，即十字头上的滑动点 c 与支点 a 的水平线垂直距离； ：后连杆转角，也称合开模转角； ：前连杆转角； ：后连杆上主杆与支杆的夹角，即 l1 与 l5 的夹角； ：斜排角，即 l1 与 l2 共线时,l1 与过 a 点的水平线的夹角； ：小连杆与过 c 点的水平线的夹角； ：锁模状态下，小连杆与过 c

32、 点的水平线的夹角； m ：开模到最大行程的状态下，小连杆与过 c 点的水平线的夹角； 0 ：开模到最大行程的状态下的开模转角； max ：滚珠丝杠螺母的行程； 0 s ：动模板的移动行程； m s 3.5 运动特性分析 （1）合模行程动模板的移动行程 m s 当合模转角转到任意角度时，b 点所处的位置点为 c x （3-2）1cos()2cos c xll 1sin()2sin( 12)sinllll 从上式得出 （3-3） 1sin()( 12)sin sin 2 lll l 陕西科技大学毕业设计说明书10 从而得到 （3-4） 22 cos1 sin1 sin()(1)sin 其中，称为

33、杆长比，代入式 3-2 得 1 2 l l 2 1cos()2 1 sin()(1)sin c xll 下面分析合模转角转到极限位置时，的值 c x 首先： 当时，即 l1 与 l2 共线时，肘杆合模机构处于锁模状态，0 有最大值 c x maxc x 2 max 1cos2 1 sin(1)sin ( 12)cos c xll ll 其次： 当时，即 l1 处于坐标系 xoy 的第四象限，理论值是在 l5 与 l4 共 max 线状态下，但是这是不可能达到的，现是在合模转角转到一定位置时的值，即 max 达到动模板行程 300mm 的设计要求的值，此时有最小值 c x minc x 2 mi

34、nmaxmax 1cos()2 1 sin()(1)sin c xll 所以动模板的行程 maxmin 2 maxmax ( 12)cos1cos()2 1 sin()(1)sin mcc sxx llll （2）丝杠螺母的行程 0 s 当丝杠螺母从初始位置（开模起始点），变化到终点位置（开模终 max 0, 点）时，可得到滚珠丝杠的行程 max0 , 0 s 00maxmax 0maxmax 4cos5cos180()5cos()4cos 4cos4cos5cos()5cos() sllll llll 偏心度 （3-5）4sin5sin()ell （3-6） 2222 0max max 45

35、sin()45sin() 5cos()cos() slellel l 3.6 力学特性分析 塑料注塑成型机合模部分设计11 图 3-3 力的特性分析 ：小连杆（二力杆）上的 c 点受到得杆向力； 1c f ：支点 a 到小连杆的距离； d h ：前连杆（二力杆）上的 f 点受到得杆向力； 1f f ：支点 a 到前连杆的距离。 f h （1）力的放大倍数 m，即动模板的合模力与滚珠丝杠推力的比值 （3-7） 0 m f m f 其中 ：滚珠丝杠的推力 0 f ：动模板的合模力（锁模力） m f 若不计机构在运动中的摩擦力、自重、惯性力等因素的影响学分析和静力平衡关系 01 2cos0 c ff

36、 （因为两者的转矩相等） 11 0 cdff f hf h 1 cos0 2 f m f f 其中、的关系式可以通过几何分析得到 d h f h 5sin() d hl 1sin() f hl 由式 3-2 得 arcsin sin()(1)sin 陕西科技大学毕业设计说明书12 由式 3-3 得 5sin() arcsin 4 el l 从而得到力的放大倍数 m （3-8） 11 01 2coscos 2coscos 5sin()cos 1sin()cos ff m cd fh f m ffh l l 3.7 肘杆机构自锁及正常运动条件 根据式 3-4 得到滚珠丝杠的推力 0 f （3-9）

37、 0 1sin()cos 5sin()cos m m fl ff ml 根据式 3-5 及摩擦圆理论（转动副的自锁条件为驱动力位于摩擦圆之内）可确定 肘杆机构自锁条件： (假设值) max0 155 即肘杆机构正常运动条件： max0 155 从而得到最大合模角 max0 155() 3.8 肘杆机构的尺寸等参数确定 （1）尺寸约束条件 根据目前市场上的注塑机肘杆机构尺寸和广泛采用的设计经验即有关可得出相关 杆长尺寸和角度。有关角度取值范围：后连杆 l1 和支连杆 l4 之间的夹角；斜15 排角；当支连杆 l4 在4 6 max0 155()90 回转角时，支连杆 l4 的回转角不能超过，以防

38、止干涉。有关()9075 长度取值范围：动模板的移动行程与滚珠丝杠螺母的行程之比为 m s 0 s 0 (/) m ss 1.31.4；力的放大倍数 m 约为5el1/20.8 0.9ll /( 12)0.7 0.8 m sll 1622 倍。 1(0.55 0.65) m ls 2(0.65 0.75) m ls 4(0.17 0.19) m ls 5(0.55 0.65) 1ll （2）尺寸计算确定 塑料注塑成型机合模部分设计13 根据产品定位和设计要求，已知数据为：锁模力，动模板的移动行程knfm500 ，预计实现力的放大倍数 m 为 20 倍 ；确定下斜排角，mmsm1805 15 。

39、 max 80 下面通过罗列多组数据加以分析得到下面较为合理的数据： 240 75. 0 180 75. 0 21 m s ll mmsl m 1081806 . 0)65 . 0 55 . 0 (1 13212402ll 82 . 0 132 108 2 1 l l 动模板的移动行程 （3-10） 2 maxmax ( 12)cos1cos()2 1 sin()(1)sin m sllll 代入数值到式 3-10 得： 2oo max o max o 5sin82. 01-)50.82sin(-1132)5cos(1085cos240180）（ 解得： o max 14.112 mmsl m

40、 04.32180178 . 0 178 . 0 4 圆整得到mml324 mmll88.6510861 . 0 161 . 0 5 圆整得到mml655 偏心度 （3-11）4sin5sin()ell 代入数值到式 3-11 得： mme09.54)1550sin(6680sin32 oooo 圆整得到。mme54 丝杠螺母的行程 （3-12） 2222 0max max 45sin()45sin() 5cos()cos() slellel l 代入数值到 3-12 得： mms87.131 0 解得： mms132 0 陕西科技大学毕业设计说明书14 所以得到动模板的移动行程与合丝杠螺母的

41、行程之比： m s 0 s 36 . 1 132 180 0 s sm 力的放大倍数 m 为： （3-13） 5sin()cos 1sin()cos l m l 代入数值到式 3-13 得： 88.19 80cos)550sin(108 5cos)801550sin(66 o oooo oooo m 圆整可得到，即达到设计要求，从而得到滚珠丝杠所需提供的力为：20m kn kn m fm f25 20 500 0 从而得到相关参数如下： 20 132 180 14.112 80 15 5 54 665 324 1322 1081 0 o max o max o o m mms mmsm mme

42、 mml mml mml mml 塑料注塑成型机合模部分设计15 4 内翻式合模机构机械结构设计 4.1 连杆的设计与校核 当在锁模状态下时，肘杆所受的力最大，所以只校核肘杆在此状态下的强度。后 连杆的横截面积： 222 5 . 7063014 . 3 4 1 d 4 1 mmmma 材料为 45 调质（840c 淬火，600c 回火） ，查表得： ，600,355 bs mpampa 当后连杆与前连杆共线进入锁模状态时，在其二力杆方向受的力为： kn knf f 9 . 501 5cos 500 cos oo 0 因为肘杆机构为完全上下对称结构，则后连杆受到的正应力 mpmp a f 20.

43、355 5 . 7062 10 9 . 501 2 3 而许用应力 600 400 1.5 b s mpa n 陕西科技大学毕业设计说明书16 式中为材料安全系数，取值为 1.5。显然，即校核通过。 s n 4.2 销轴的设计与校核 机构的销轴直径应保持承受锁模力作用下的许用剪切强度。肘杆机构的各销轴承 受着很大的运动载荷剪切力，制造装配精度，润滑条件对寿命影响很大。要求销轴表 面硬度高而心部又有良好的冲击韧性。常用材料有等。crmoalcrnicrcr3840,40,20及 根据设计锁模机构的特点，选择销轴的材料为，许用应力，直径为cr40mp120 ，销轴的强度主要取决于剪切应力，而弯曲应

44、力影响较小。因此销轴的强度可按mm20 纯剪切考虑。 mp.mp . . a fs 999 820143 4 1 109501 2 3 显然，故销轴的强度痛过校核。 4.3 合模机构滚珠丝杠的设计 电动合模机构是用交流伺服电机代替合模油缸作为动力源，再直接连接滚珠丝杠 推动支铰，通过肘杆机构实现动模板的移动和锁模功能。所以肘杆机构与传统合模机 构的工作原理一直，所不同的是滚珠丝杠的运动副部分。 4.3.1 滚珠丝杠副的导程 （4-1） d d d in v 式中：滚珠丝杠的线速度； d v ：电机转速； d n ：螺纹头数i 4.3.2 当量载荷 ：滚珠丝杠副的最小负载应为最小推力，克服系统由

45、于重量而引起的惯性力 mino p 和摩擦力 （4-2）mg 0 min p 式中：差机械设计手册得0.1 ：模板质量mkgm93.97 代入数据到 4-2 得： np93.97 min0 取 塑料注塑成型机合模部分设计17 np.p minmin 15051 00 最大当量载荷即为滚珠丝杠推力： max0 p kn m f p25 0 max0 根据经验公式 n. pp pg maxmin 338433 3 2 00 4.3.3 估算滚珠丝杠副的底径 m d 滚珠丝杠的安装方式为一端固定一端游动时： （4-3） m m lf .d 0 0780 式中：导轨的静摩擦力折算到滚珠丝杠上的力 0

46、f n. m p f min 57 0 0 : 滚珠丝杠两轴承支点的距离为lmm265 : 滚珠丝杠的传动精度为 m mm.020 带入相关数据到式 4-3 得： mm.dm5924 考虑到使用安全系数mm.dkd mam 184959242 查参考文献机械设计实用手册选出滚珠丝杠如下： mmp,mmd h 650 0 4.3.4 滚珠丝杠的强度校核 （4-4） 4 max cm p d 式中：许用应力，滚珠丝杠的材料为（高淬性轴承钢） mpsimngcr15c830o 淬火，回火两小时，c o 500mp1425 ：滚珠丝杠推力 max cm pkn 3 1025 代入数据到 4-4 得：

47、mm p d cm 72 . 4 4 max ，故强度通过校核。 m dd 陕西科技大学毕业设计说明书18 4.4 合模电机的选型 合模电机选择交流伺服电机。交流伺服电动机，是将电能转变为机械能的一种机 器,主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组 成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。其中定子的结构与旋转 变压器的定子基本相同，在定子铁芯中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕组（其 中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组） 。交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好， 具有过载能力，多应用于物料计量，横封装置，定长裁切机上及驱动工作台的进给等。 交

48、流伺服电动机的速度控制原理如下。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流 伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动 控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串 和方向信号实现。一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置 控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控 制的。 （1）转矩控制 转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的 输出转矩的大小，具体表现为例如10v 对应5nm 的话，当外部模拟量设定为5v 时电 机轴输出为2.5nm:如果电机轴负载低于2.

49、5nm 时电机正转，外部负载等于2.5nm 时电 机不转，大于2.5nm 时电机反转（通常在有重力负载情况下产生） 。可以通过即时的改 变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来 实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或 拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随 着缠绕半径的变化而改变。 （2）位置控制 位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉 冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋 值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控

50、制，所以一般应用于定位装置。 应用领域如数控机床、印刷机械等等。 （3）速度模式 通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置 的外环 pid 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的 位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时 的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来 提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精 塑料注塑成型机合模部分设计19 度。 计算如下： 外加轴向载荷产生的摩擦力矩： （4-5） 3 10 2 cm f p m 式中 ：未预

51、紧的滚珠丝杠副效率，高精度：四级精度以下时此处9 . 085 . 0 9 . 0 ：滚珠丝杠推力 cm pkn 3 1025 ：滚珠丝杠导程为mm6 代入数据到时 4-5 得 nmm f 54.26 滚珠丝杠的预加载荷 npp cmp 33 1033. 81025 3 1 3 1 滚珠丝杠的预加转矩 mnmn p m p p 68. 110 9 . 0 9 . 01 14. 32 61033 . 8 10 1 2 3 2 23 3 2 2 当电机又静止上升至最大转速时加速转矩 （4-6） a a t n jm 60 2 max max 式中 ： 系统的转动惯量j 22232 0071 . 0

52、)05 . 0 (396 . 0 )05 . 0 (14 . 3 4 1 1085 . 7 2 1 2 1 mkgmrj ：电机最大转速max n min/8000r ： 加速时间 a ts1 将数据代入式 4-6 得： mnma95. 5 max 电机最大启动转矩： mnimmmm pfad 27.331)68 . 1 64.25(95 . 5 )( maxmax 式中 ：电机至滚珠丝杠的传动比，伺服电机与滚珠丝杠直接联结，故i1i 选择交流伺服电动机时电机的额定转矩必须大于，转动惯量必须大于。 max d mj 根据以上数据，查询机械设计使用手册选出电机参数如下： 型号：，额定转速，额定转

53、矩，额定功率60,22100mdfkamin/1700rmn 3 . 36 ，额定电压，额定电流，堵转转矩，堵转电流，最kw4 . 6v390a9 .13mn 0 .40a4 .15 陕西科技大学毕业设计说明书20 大转矩，最大转速，额定频率，功率因数，转动惯量mn 180min/8000rhz6083 . 0 ，质量。 2 .72cmkgkg2 .48 4.5 注塑成型机的调模机构的设计 调模装置是用来调整动模板与定模板之间距离，其作用是适应不同厚度的注塑成 型模具。 4.5.1 调模机构的选型 （1）大齿轮调模 调模装置安装在后模板上，通过改变后模板的固定位置来实现调整模具的厚度。 当调整

54、时，后模板与合模机构连同动模板一起移动，通过四个带有齿轮的后螺母在主 动齿轮的驱动下同步转动，而主动齿轮由调模电机带动。这种调模机构结构紧凑，系 统刚性好，安装调整比较方便，但是结构比较复杂，要求同步精度高，在调整过程中， 四个螺母的调整量必须一致，否则模板会发生歪斜。 （2）链轮调模 如图 4-1，调模时，四个带有链轮的后螺母在主动链轮的驱动下同步转动，推动 后模板及整个机构沿轴向发生位移，调节动模板与前模板之间的距离，从而完成调模 工作。此种调模机构适用于中小型注塑机。 由于设计的是中小型注塑机，故选择第二种调模机构。 4.5.2 调模机构调模电机 电传动调模机构是利用交流伺服电机作为动力

55、源，驱动四个带有螺母得链轮转动， 从而驱动厚模板及整个机构沿着轴向发生位移。 调模电机选择交流伺服电机，电机推动厚模板移动仅仅只需要克服摩擦力，故性 能参数要求没有合模电机要求高。通过与注塑行业相关设备进行比较，选出电机如下： 型号：，额定转速，额定转矩，额定功率80,22090mdskmin/2300rmn 8 . 10 ，额定电压，额定电流，最大转矩，最大转速，kw6 . 2v390a0 . 6mn 100min/8000r 额定频率，功率因数 0.81，转动惯量，质量。hz80 2 36cmkgkg 9 . 22 4.6 拉杆的设计 拉杆是锁模力封闭的重要受力构件，再三板机中用模板孔配合

56、兼有导向作用，因 此拉杆应有足够的强度，刚度，精度，光洁度及表面硬度。 塑料注塑成型机合模部分设计21 图 4-1 调模机构简图 4.6.1 拉杆的强度分析 拉杆处在较长时间锁模下，拉杆产生的拉伸应力近似为静载荷。 （4-7） zd p p m 2 785. 0 式中 ：锁模力 m p ：拉杆直径 p d ：拉杆材料拉伸需用应力，强度条件： 由 4-7 得： （4-8） 785 . 0 z p d m p 此处拉杆选用的材料为 45，热处理方式为调质，查机械设计手册得： ，安全因数取为 5.2，则：mp b 780630k mpmpmpmp k b 150121 2 . 5 780 2 . 5

57、 630 将数据带入式 4-8 得： mp120 陕西科技大学毕业设计说明书22 mmmm z p d m p 43.36 12040785 10500 785 . 0 3 即拉杆直径大于就满足强度要求mm43.36 4.6.2 拉杆的疲劳分析 实际上，注塑机正常工作时，每次锁模，拉杆变形力作用都是从模具接触的 c p “0”开始达到锁紧后的，即从小到大；开模时，从大到小。这样拉杆截面产 cm p c p c p 生交变应力，循环次数将在，交变应力连续变化，实际拉杆工作时的应力更 76 1010 接近于脉动应力。 （4-9） 2 1 rn 式中 ：锁模力最用在拉赶上的应力 r mpmp d pcm r 37 . 6 5014 . 3 1050 2 3 2 将数据带入 4-9 得： mp rn 50 . 4 2 2 按疲劳极限 （4-10） 21 1 knk n 式中 ：拉伸强度疲劳极限 1 ：应力集中系数， 1 k0 . 28 . 1 ：尺寸影响系数，时为；为 2 kmmdp1001 . 10