SZ-80型塑料注射成型机——单曲肘合模系统设计

SZ-80型塑料注射成型机单曲肘合模系统设计第1章 绪论1.1 课题的设计意义和方向塑料注射成型机（简称注塑机）顾名思义就是对塑料进行加工成制品的一种机械，它是将塑料加热软化变成流体，然后注射进要成型的模具中，冷却后变为人们所需要的塑料产品的机械装置。一般来说能将高分子聚合物树脂加工成型为塑料制品的机械都称为塑料成型机械。在我们日常生活中随处可见由这种机械生产出来的产品，如阿波罗登月用的国旗、电冰箱外壳、电吹风外壳、手机外壳、排水管、螺丝刀手柄等等。塑料成型制品的发展和应用领域的不断扩展必然会产生一个新型工业塑料工业，它在近几十年里发展迅猛，是一个综合性很强的工业体系。它是由树脂、助剂、塑料加工设备、模具制造、制品加工和应用、消费后的塑料回收、再生和利用等环节所组成的一个整体。在整个体系中，最重要的组成部分是塑料成型机械，它是完成塑料制品生产成型的必要手段，它加工的范围从几克甚至几毫克的仪表、手表小齿轮、微电子组件等，到几千克的电冰箱、电视机及空调外壳，在到上万克的赛艇船体、浴缸、桌椅等。因此，可以说塑料成型机械工业的发展是整个塑料工业整体技术水平高低的标准之一，它的技术很大程度上反映了一个国家的机械、电子、液压等基础工业的水平。塑料成型机械的完善程度和潜力的发挥，对提高塑料制品的质量、提高劳动生产率、降低产品成本及能源的消耗、加强安全生产及环保、实现新工艺等都具有十分重要的作用。随着塑料工业的迅速发展，塑料制品的应用领域不断扩展，塑料加工设备已渗透到了各行各业中，成为机械工业的重要组成部分。所以对其塑料成型设备的设计具有重要意义。1.2 注塑机的发展和分类1.2.1 注塑机的发展1849年，斯托格思（Surgiss）公司推出了首台金属压铸机，主要用于加工纤维素硝酸醋和醋酸纤维类塑料。注塑成型机械基本上是由金属的熔融压铸机改进而来的，塑料加工中的不少方法和金属成形加工方法一样，其基本工作原理相差不多。早在18世纪50年代，橡胶机械工业已经有了一定的水平和规模，橡胶工业的发展更加剧了塑料工业的发展，虽然塑料成型的方法有借用金属成形和由橡胶成型法转化这两个来源。但塑料也有其自身的特性，与金属相比，塑料受热更易熔融并具有比金属更好的可塑性；与橡胶相比，塑料的熔融温度更高，熔融后的流动性更好。因此，基于塑料本身的这个特点，使其在借用和转化的基础上能加以发展并不断完善，最后成为当今塑料加工特有的多种成型方法和相应的成型机械。1920年注塑已开始工业化，直到1926年在德国出现了根据工业标准而制造的首批用于加工塑料的注塑机，以后又推出了用电力驱动的注塑机。在英国还发明了压缩空气油压驱动的注塑机，开始出现了注塑技术的发展雏形。1932年，德国弗兰兹布劳恩工厂生产出全自动柱塞式卧式注塑机，成为柱塞式注塑机的基本形式。1940年又发明了螺杆直射注塑法。第二次世界大战结束后，聚合物品种有了很大的增加并相继投入工业化生产，才使注塑技术得以迅速发展。1947年，在意大利制造出了第一台液压驱动式注塑机。1948年开始使用螺杆塑化装置，并于1956年推出了世界上第一台往复螺杆式注塑机。从此，注塑成型技术得以重大突破，注塑机的生产效率和质量大大提高，更多的塑料有可能通过注射成型方法加工成各种塑料制品。1.2.2 我国注塑机的发展我国近些年注塑机企业发展较快，特别是中小型通用注塑机在数量上大步增加，制造技术明显提高，产品规格有所扩大，基本上满足了国内市场的需求，部分产品达到了港台同类产品的档次，并开始出口。我国塑料加工设备起始于20世纪50年代，是从引进设备起步的。从20世纪60年代末起，发展十分迅速，目前已经能够生产理论注射量2.512000cm3，合模力为3020000kN的普通塑料注射成型机。就单螺杆挤出机来说，螺杆直径从20300mm，共有10个标准规格系列的产品。平行双螺杆、锥形双螺杆挤出也先后开发出来并投放市场。这些先进螺杆的推广与应用，对提高注塑机的水平起到了很好的促进作用。1.2.3 注塑机的发展方向由于现在微电子技术高速发展，信息化高速发展，注塑机会朝着高智能、高自动化及高精度的方向发展，使其全面自动，生产出的塑料制品更精密。注塑机的发展重点在于提高控制水平和自动化程度，以及整机优化设计和加工工艺的改进等方面来，满足对于注塑制品质量及节能的要求。总体来说，塑料机械的发展趋势是朝着标准化、复合化、专用化、微型化、组合结构、系列化、智能化等方向发展。通过不断完善液压系统、机械系统和先进的控制系统确保注塑机性能的提高、运行稳定和动作灵敏，最终达到改善劳动条件、提高生产效率、降低成本、减少维修工作量、降低能耗和绿色环保的目的。应用组合技术，根据塑料制品的结构特征，注塑机的特性，利用现有的成型技术及设备，进行合理地匹配组合成多功能的机型，使其应用更广性能更强大。应用现在的电子技术、信息技术及网络技术与注塑机的机电一体化相结合，使其注塑机自有更高的自动控制、自动生产及自动调节等功能，向着智能化、人性化、节能化发展。1.2.4 注塑机的分类注塑机在短短几十年发展迅猛，塑料制品应用的不断扩展，注塑机械也渗透到了各行各业，各种类型的注塑机械层出不穷，应用的领域也越来越广。现在注塑机分类的方法很多种，但从主体结构来说，大多数的注塑机都是由液压或电机作为驱动系统，例如合模装置驱动一般由压力油推动液压缸或活塞做直线往复运动来实现，旋转运动一般由压力油推动液压马达来实现的。所以现在注塑机常用的分类方法为一般按注塑机的外形分类和按合模系统特征分类分类。（1） 按注塑机的外形分类注塑机的外形分类主要是按照注塑和合模装置的方式来分类的。1）卧式注塑机 如图1.2所示为卧式注塑机。它的注塑系统和合模系统的轴线是水平排列的。卧式注塑机的优点是：机身底，注塑机稳定性好，制品顶出后可以自动脱落，图1.2 卧式注塑机容易实现自动化生产。目前来说，卧式注塑机是适用最广、产量最大，是国内外注塑机最基本的形式。2）立式注塑机 如图1.3所示为立式注塑机。它和卧式注塑机相反，它的注塑系统和合模系统的轴线是竖直排列的。这样的优点是占地面积小，装卸方便，在模具内易安放金属嵌件实现嵌件注塑成型。它的缺点就是机身高，注塑机的稳定性没有卧式注塑机的好，制品无法自动脱落，难以实现自动化生产。立式注塑机由专人操作，一般用于半自动化生产，适用于成型多嵌件的塑料制品。3）角式注塑机 如图1.4所示为角式注塑机。它的注塑系统和合模系统的轴线是相互垂直排列的。其优缺点介于卧式和立式之间，因其注射方向和模具分型面在同一平面上，所以注塑时塑料从模具的分型面注入，适用于中心部位不允许留有浇口痕迹的平面制品。同时，可以利用注射系统留下的空位置来进行嵌件的移动，实现角式注塑机的嵌件自动注塑。 图1.3 立式注塑机 图1.3 角式注塑机（2） 按合模系统特征分类现在大部分注塑机的合模系统装置一般有机械式、液压式、液压-机械式和全电动式。1.3 本文主要的工作任务1.3.1 本文要解决的问题注塑机生产出的塑料制品的质量的好坏和数量主要看的是注塑机的合模系统性能的高低，注塑机的合模系统是保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及顶出塑料制品的部件，所以注塑机合模系统性能的好坏直接关系到成型塑料制品的质量和生产数量。一个完善的合模系统应该满足在规定的注射量范围内，对力、速度、安装模具及取出制品时空间位置这些方面。这样就得要求合模系统机构要有足够的合模力和系统刚性，这样才能保证在塑料熔体的压力作用下不会产生开缝溢料的现象；安装模具的模板要有足够安放模具的面积来适应不同制品或模具的要求，使注塑机功能多样，还要满足启闭模具的行程达到要求；在合模和开模的过程中，要有个理想的变速过程，即运动速度应是“慢-快-慢”的变化过程，这样可以使制品平稳顶出，模具冲击力小，模板安全运行，又能提高生产效率；还要考虑制造成本、能源消耗、维修工作量和自动化程度等这些因素。所以要使注塑机性能提高就要朝着这些要求去考虑，这也是本文要解决的问题。1.3.2 本文主要的工作内容本文的主要内容就是对注塑机整体结构布局进行设计，使它在制造成本上更低，占地面积更小，人员操作更加人性化，生产效率更高、更加节能环保和维修工作量小，使得它的各方面性能都能提升。然后是对注塑机的关键系统合模系统进行设计，对合模系统的液压系统、控制系统、机构装置、顶出装置和调模装置进行设计，提高注塑机的性能，提高生产效率，这是本文工作的重点。最后是对注塑机整机的控制系统进行设计，使注塑机的自动化程度更高、可靠性更高和改善劳动条件。归结来说本文的主要工作内容为以下四点：（1） 注塑机整机布局设计（2） 注塑机合模系统结构设计（3） 注塑机合模系统的液压系统设计（4） 注塑机整机的电气控制系统设计1.3.3 本文拟采取的方案要解决以上问题和完成以上工作内容，除了要对注塑机的结构、性能、设计和使用进行全面了解外还要知道这些因素之间的相互关系和影响，只有充分的理解了这些关系和影响之后，才能具体的深入分析问题和找到解决问题的关键所在进一步找到最合理的方法来解决问题。要解决这些问题就要从所学的机构学、力学、材料和机械设计以及塑料工艺、制造、维修等各方面来综合分析考虑，找到主要问题的关键所在，最终决定用最优的方法来设计，从而使得注塑机的性能提高、生产效率提高、降低成本、节能环保和改善劳动条件。在对注塑机整机布局设计上，通过对SZ-80型注塑机的使用场合、制品生产和操作等各方面进行综合考虑后，对它的整机设计采用卧式布局。在对注塑机合模系统设计上，通过对液压式合模装置、曲肘式合模装置和对SZ-80型注塑机的性能进行综合比较和考虑后，合模系统的设计采用单曲肘合模装置。在对注塑机驱动系统设计上，采用液压驱动系统。在对注塑机整机电气控制系统设计上，采用单片机控制系统。第2章 SZ-80型塑料注射成型机整机布局设计2.1 注塑机的工作原理和组成结构2.1.1 注塑机的工作原理绝大部分注塑机的工作原理一般都是塑料从料斗落入料筒，随着螺杆或柱塞的转动将塑料向前输送，将热塑性的塑料或热固性塑料在注塑系 统的料筒内加热、剪切、搅拌混合及挤压作用，使塑料均匀的塑化变为熔融状态，塑料实现物理状态的变化，最后呈流体态，塑化好了之后在塑化装置的小孔径喷嘴的阻挡作用下使塑化好的塑料集中在料筒前端，当螺杆头部的熔料压力达到能克服注射油缸活塞退回时的阻力（油缸背压）时，螺杆便开始向后退，后退多少就是所谓的计量。与此同时料筒前端和螺杆头部熔料逐渐增多，当达到所需要的注射量时，也就是螺杆退回到规定位置的时候，计量装置撞击限位开关，螺杆停止转动和后退，塑化完成。在塑化的同时，合模系统的合模油缸推动合模机构动作，移动动模板向前模板移动使模具闭合，继而注射座前移，注射油缸充入压力油，使油缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度将熔融的塑料注射进模具的型腔中，当熔料充满模具型腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力，称为保压，以防止模具型腔中的熔料反流，并向模具型腔中补充因制品冷却收缩所需的熔料，这就是所谓的二次注射或多次注射。模具型腔中的制品经过冷却固化成型后，合模机构打开，由顶出装置把制品脱落，这就是注塑机注射成型的一个过程，通常我们把这个过程称为一个工作循环周期。按照时间的先后程序可以绘制成注塑机的工作过程循环图，如图2.1所示。该工作循环一般从合模开始算起，依次为锁模、注射座前移、注射并保压、预塑和模具型腔中的制品冷却同时进行、注射后退、开模、顶出制品、合模。锁模注射座前移注射保压预塑注射座后退开模冷却顶出制品合模图2.1 注塑机动作流程图现在大部分注塑机就是按照这样的动作流程来实施控制的，虽然各类注塑机完成的注塑成型动作程序不完全一样，但所要完成的工艺内容是基本和这一样，所以各类注塑机可以按照自己生产制品的不同需要来进行动作顺序的编程，以控制各个动作的先后或同时次序以及动作的增加或删除。2.1.2 注塑机的组成结构一台通用型的注塑机主要由注塑系统、合模系统、液压系统、电气控制系统和机架等组成，如图2.2所示为通用型注塑机的示意图。图2.2 通用注塑机1-注塑系统 2-料斗 3-电控箱 4-塑化料筒 5-射座液压缸 6-控制电脑 7-安全门 8-合模系统（1） 注塑系统 它的作用就是把塑料均匀的加热塑化使塑料变为熔融的熔体，然后以一定的注射压力和注射速度把一定量的塑料熔体注射到模具型腔里面去，所以它应具备塑化良好、注射平稳、计量精确的性能，在注射塑料熔体时能够提供足够的注射压力和注射速度，并且能提供充足的保压压力和保压时间。它一般由塑化装置、计量装置、加料装置、注射装置、注塑座装置组成。（2） 合模系统 合模系统一般由合模装置、顶出装置和调模装置组成。合模系统主要是对塑料制品进行定型的装置，模具安装在模板上面，而且还要能够实现对模具厚度的调节，提高机器的生产范围，注射保压时能够产生足够大的合模力对模具进行锁模，确保模具型腔的严密闭合防止塑料熔体向外溢出，开模时利用顶出装置自动脱落塑料制品。对合模系统启闭模具的速度也是有要求的，一般为“慢-快-慢”的一个运动过程，防止损坏模具和制品，避免机器受强烈震动而产生噪音。（3） 液压系统 液压系统主要是为注塑系统和合模系统提供驱动控制的能源，保证工艺要求的压力、速度和成型周期中的动作有序准确进行工作的动力系统。他一般由电动机、液压泵、液压缸、液压马达、控制阀及其它附属组件组成。塑化装置计量装置螺杆注塑机注射装置加料装置射座装置合模系统注塑系统安全防护动作控制调模装置温度控制顶出装置合模装置料筒喷嘴控制系统液压系统机 架（4） 控制系统 控制系统是和液压系统相辅相成的，通过控制系统对液压系统的控制，保证注塑机按工艺过程预定的要求和动作有序准确的工作，出现紧急情况时能立即停止所有动作，起到安全防护的作用。它一般由电源、微电子处理器、料筒温度控制处理器和动作参数输入显示部分等组成。（5） 机架 以上介绍的系统都安装在机架上，起到稳定固定的作用。如图 2.3所示为注塑机组成示意图。 图2.3 注塑机组成示意图 2.1.3 注塑机合模系统概要合模系统是注塑机最重要的组成部分之一，也是本文重点设计的对象。它主要由合模装置、顶出装置、调模装置组成，它的主要任务是固定模具，在注射时保证成型模具可靠锁紧，并有一定的速度闭合和开启模具；在模具要合拢时提供保护模具的功能，以及在制品冷却成型后利用顶出装置脱落制品；根据安装模具的大小厚度的不同，合模系统还要有调整注塑机模板间距离的功能，以适应不同厚度的模具的生产要求，这由调模装置来完成。所以，注塑机的合模系统对塑料成型制品的质量起到很重要的保证作用。一个完善的合模系统要保证制品的质量，它应满足在规定的注射范围内，对速度、力、安装模具和取出制品的空间位置这几方面的要求，即：合模系统要有足够的合模力和系统刚性，保证合模系统平稳工作和模具在注射成型过程中不产生开缝溢料的现象；模板应该有足够的开模行程和模具安装面积，以适应成型不同制品和模具厚度，提升注塑机的生产范围；模板在启闭过程中，要有一个理想的速度变化过程，及“慢-快-慢”的一个变化过程，这样既可以防止模具受撞击，使制品平稳顶出，又能提高机器的工作循环次数，提高生产效率。一、合模装置前面绪论里对注塑机的分类方法上叙述过按合模系统的不同来分类，分别为机械式、液压式、机械-液压式和全电动式这几种，下面将对这几种合模系统进行详细介绍。（1） 机械式合模装置机械式现在一般分为全机械式和伺服电动机驱动式。全机械式为早期的注塑机所用，由电动机驱动机械装置来完成动作，随着机械电子工业的发展，开发出了闭环系统控制的伺服电动机驱动式，这样大大提高了系统的稳定性。机械式如图2.4所示为全机械式合模装置示意图，它在注塑机发展早期应用最广泛的一种合模装置，它采用带有减速箱的开式齿轮传动。由电动机1通过减速箱2、齿轮3和4、扇形齿轮5，在经过构件7使曲肘6推动连杆8做平面运动，使动模板9沿拉杆10做模具的启闭运动。通过 图2.4 全机械式合模装置 调节连杆8的长度来调整曲肘6的临界角和合 1-电动机 2-减速箱 3，4-齿轮5-扇形齿轮 模力。 6-曲肘 7-构件 8-连杆 9-动模板10-拉杆全机械式合模装置由于调整复杂、惯性冲击力大和噪音大等缺点，现在基本上已经淘汰。（2） 液压式合模装置液压式合模装置是用得很普遍的机型之一，最常见的主要为单缸直压式合模装置。单缸直压式如图2.5所示。它的特点就是模具在启闭和锁紧都是在一个液压缸的作用下来完成。合模初期，模具尚未闭合，合模仅是推动模板与半个模具，所需力量较小，为缩短周期，这时移动速度要求快些好，但因液压缸直径大，实现快速有一定困难。合模后期，从模具闭合到锁紧，为防止碰撞，合模速度应低些，直至为零，锁紧后的模具才需要达到锁模吨位的合模力。所以合模装置要求速度高时力量小，速度为零时力量大，而单缸直压式合模装置难以满足。所以它常用于吨位不大、速度不高的小型注塑机。图2.5单缸直压式合模装置1-螺母 2-定模板 3-模具 4-拉杆 5-动模板 6-后模板 7-合模液压缸（3） 液压-机械式合模装置液压-机械式合模装置是由液压系统和肘杆机构两部分组成。现在最常用的是由移模油缸或稳压油缸与肘杆机构组成的串接式合模装置，它具有液压式和机械式合模装置速度快、自锁、节能等优点，满足注塑工艺所需要的运动特性和力学特性。它是目前应用最多的一种合模装置。此类型的合模装置按其肘杆机构的不同分为：液压-单曲肘合模装置和液压-双曲肘合模装置，利用连杆或肘杆机构在合模系统中产生预应力来合紧模具，它的最大特点就是利用较小的油缸推力通过连杆机构对力的放大而得到较大的合模力。1）液压-单曲肘式合模装置 如图2.6所示。它主要由模板、拉杆（哥林柱）、单曲肘机构、移模油缸、调模装置和顶出装置等组成。模具的开合动作是由压力油推动油缸活塞，使曲肘机构伸直或回曲来实现的。开模时，从图示中的油缸下方进油，液压缸活塞向上运动，推动肘杆收缩；闭模时，从图示中的移模油缸上方进油，液压缸活塞向下运动，拉动肘杆伸直，直至锁模完成。合模力是的产生是曲肘与连杆撑直使合模装置产生弹性变形的变形力，合模力和适应模具厚度的调整由调模装置来完成，制品的脱落由顶出装置来完成。图2.6液压-单曲肘合模装置1-后模板 2-肘杆 3-顶出杆 4-调模装置 5-动模板 6-拉杆 7-前模板 8-合模液压缸2）液压-双曲肘式合模装置 如图2.7所示为液压-双曲肘直排式合模装置。它由合模油缸和两个对称的曲肘连杆机构组成。图中上半部分为闭模状态，下半部分为开模状态。开模时，从图示下方进油，液压缸活塞后退，带动肘杆收缩；闭模时，从图示左方进油，液压缸活塞前进，带动肘杆前进，并伸直，直至锁模完成。图2.7 液压-双曲肘直排式合模装置1-前模板 2-拉杆 3-动模板 4-顶出杆 5-定出装置 6-调距连杆 7-曲肘连杆 8-后模板 9-移模液压缸液压-曲肘式合模装置是现在应用最广泛的一种合模装置，它的特点突出，具有自锁功能，当油缸活塞拉动曲肘伸展成直线时，合模锁紧后即可自锁，此时油缸卸载而锁模力不会自动消失，仍可锁紧模具，由于曲肘机构有对力的放大作用，可以使用较小的油缸推力就能获得较大的合模力；合模油缸不会像液压式合模油缸一样长时间高压的工作，它可以及时卸载，以减少功率消耗和节能；由于曲肘机构的特性，模板移动速度是可变，合模时由高速到低速，开模时由低速到高速，呈现“慢-快-慢”的变化过程。（4） 全电动式合模装置全电动式合模装置就是把驱动换用电动机，和全面机械式里提到过的电动机械式差不多。现在大部分注塑机的驱动系统都是用液压系统作为驱动，这就要要求液压系统密封性好，而且它是一个压力过度到另一个压力，一个流量过度到另一个流量，这些需要一个过度过程，使得液压系统惯性比较大，影响注射循环周期，而且油污染比较严重。改用伺服电动机驱动的话，这样就克服了液压系统油污染的问题，而且减少噪音，提高了生产效率。所谓全电动式合模装置就是利用伺服电动机、滚珠丝杆、齿轮带及齿轮等组件来驱动各机构进行动作。它的控制非常方便，自动化程度非常高，能满足现代塑料制品质量越来越高的要求。二、顶出装置制品的脱落是靠合模系统的顶出装置来完成的，它的功能是准确平稳的将模具内的塑料制品顶出。因此，顶出装置应具有足够而均匀的顶出力和可控的顶出次数、顶出速度和可调的顶出行程；工作安全可靠，操作方便。制品顶出装置最常见形式有机械式和液压-机械式两种类型。三、调模装置调模装置的主要作用是调整安装模具的模板间距，使得可以安装不同厚度的模具。调模装置的设立主要用在曲肘式合模机构的注塑机，因为曲肘式合模机构的工作位置由固定尺寸的连杆所决定，动模板行程不能调节，所以为了适应不同厚度的模具的生产，必须单独设立调模装置。对于液压式合模装置来说，动模板的行程是由液压缸活塞的行程来决定的，调模利用液压缸来实现，所以无需再设调模装置。对调模装置的要求是：调整方便、人员操作方便，调整的位移准确灵活，并具有同步性，受力均匀，对合模系统要有防松预紧的作用，安全可靠，同时调模的调节行程有限位、过载保护功能等。2.1.4 注塑机传动系统概要注塑机传动系统分两类：电动机传动和液压传动。电动机传动是在电子机械工业发展的基础上出现的一种新型传动系统，它在精度上、控制上都很强，主要用在精密注塑机和小型注塑机上，造价比较昂贵。液压传动是现在最普遍采用的一种方式，在各方面都能满足要求。液压传动是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式，它通过各种组件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成具有一定控制功能的传动系统。与电动机传动相比，液压传动的系统组件不受严格的空间位置限制，系统中的部分管道连接，布局安装有很大的灵活性；传递运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向，而且在运行过程中可以实现大范围的无极调速；控制也很方便，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护；液压传动组件属于机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度很高。所以液压传动应用范围非常广，各个领域都涉及到。注塑机液压系统为注塑工艺过程的各个动作的各种执行组件提供动力，并满足各部分动作要求的力和速度。它的主回路由电动机带动液压泵提供动力源，并由压力控制组件、流量控制组件调节系统压力和流量，分支回路由各执行组件、方向控制阀等组成，在电气控制系统的配合下完成注塑工艺的各个动作。2.1.5 注塑机控制系统概要注塑机控制系统和注塑机传动系统是相互配合的，它控制注塑机各种动作进行精确稳定，能够对时间、位置、速度等实现有效的控制，并在工作出现紧急情况时能够自动停止工作，起到安全保护。2.2 SZ-80型塑料注射成型机整机布局设计图2.8为SZ-80型塑料注射成型机整机布局图。图2.8 SZ-80型塑料注射成型机整机布局第3章 SZ-80型塑料注射成型机合模系统方案设计3.1 设计的基本参数设计条件：锁模力：800（KN）；模板最大开距：630（mm）；开模行程：280（mm）；容模量：150350（mm）；顶杆行程：100（mm）；顶出力：28（KN）；拉杆间距：350350（mmmm）；模板尺寸：510510（mmmm）；快速合模速度：0.06（m/s）；慢速合模速度：0.014（m/s）；快速开模速度：0.07（m/s）；慢速开模速度：0.018（m/s）；顶出速度：0.02（m/s）；3.2 合模机构方案一单曲肘合模机构设计3.2.1 单曲肘合模机构工作原理单曲肘式合模机构装置是利用肘杆机构在注塑机合模时产生预紧力，即合模力，并实现自锁，从而对模具实现锁紧的装置。单曲肘合模机构的工作原理如图3.1所示，单曲肘合模机构如手臂一样靠伸直和弯曲动作来实现开模和闭模，与后模板连接的为肘杆，与动模板连接的为连杆，靠合模液压缸来实现动作。当压力油进入合模油缸的活塞杆端时，压力油推动活塞下移，从而带动肘杆机构推动动模板向前移动，当运动到模具分型面刚好接触时，如图3.1（a）所示，但肘杆并未伸直为一直线排列时，压力油继续推动活塞，这时动模板将受到变形阻力的作用，只有在合模油缸的工作油继续升压并足以克服系统的变形阻力，才能使肘杆机构为图3.1（b）所示的一线排列，这个时候，合模系统因发生弹性变形（）而对模具实现预紧，此预紧力即为合模力，并能实现自锁，即使工作油的压力卸去，合模力也不会随之改变。图3.1 单曲肘合模机构工作原理图3.2.2 单曲肘合模机构的力学特性单曲肘合模机构使模具合紧后，机构所受的力遵守胡克定律，在不考虑接触点外的非线性变形情况下，则受拉力作用的构件（即拉杆）的变形力为：= （3-1）即=Z （3-2）式中：拉杆变形；拉杆截面积；拉杆长度；合模力；Z拉杆数目；E拉杆材料弹性模量；拉杆刚度。同理受压构件应为：=（） （3-3）即：= （3-4）式中：受压构件的总刚度；受压构件的变形；肘杆长度；拉杆长度；肘杆的刚度；拉杆的刚度；受压构件的总刚度。当曲肘机构最终合紧而处在一直线排列时，机构所产生的总变形可表示为： =即： （3-5）式中：合模系统总刚度 动模板和前模板上安装模具进行加工时，同理可得模具受力和变形的关系：= （3-6）式中：模具的刚度；模具变形量。当合模系统合紧工作时，是处在一个力的封闭系统内，机构和模具所受的载荷均为合模力，如将式（3-5）和式（3-6）所反映的变形力和受力之间的关系，如图3.2所示，就能很清楚的看出机构在整个工作过程中的变形力与受力之间的关系。当工作油缸为克服变形阻力开始升压后，合模机构和模具便产生变形，以至最终实现同一个合模力所需要的变形。注射后，由于模腔内熔料胀模力的作用，使肘杆系统继续变形，而模具压缩变形量将要作相应回弹，其量是由系统刚度（从理论上讲，回弹量的值即为压缩变形量，也就是胀模力等于锁模力。如超过此值，在模具的分型面处就有可能出现开缝溢料现象。从图3.2可知，在注射时，由于胀模力的作用，拉杆对模具实现最终的锁紧，其值要比合模力大。为了加以区别，将合模力有时也称为名义合模力，对注射后由于负载的作用而形成的最终锁紧力称之为锁模力，或称实际合模力。锁模力的大小为： 图3.2 单曲肘肘杆机构在工作过程中的力与变形式中k即表示系统的超载能力大小，称为裕度，系统刚度大，模具刚度小，则机构的超载能力大。根据静力平衡关系和力学三角形法则，可求出图3.1所示单曲肘机构在合模过程中移模力与油缸拉力之间的关系：= 因 所以 （3-7）因式中非独立的自变量，故对已定的结构，移模力仅是角的函数。因机构在合模过程中角趋于零，并最终等于零，角趋于90的变化过程。所以从式（3-7）可知，用静力学的观点来看，肘杆机构在合模过程中所形成的移模力，是逐渐增大直至无穷。虽然因实际合模系统具有弹性，移模力是不可能最终达到无穷大，但通过以上分析可知，肘杆机构具有对力的放大特性，所以肘杆机构也称为增力机构。机构的放大能力，一般用力的放大倍数M加以标示： （3-8）式中：移模力； 移模油缸推力。对图3.1所示肘杆机构的力放大倍数，由式（3-8）可得： （3-9）若忽略摩擦损失，根据虚功定理，对合模机构的输入功率应该等于输出功率，即：所以模板移动速度即得：（3-10）式中：移模活塞杆速度；移模速度。从上知，当油缸活塞的运动速度和推力为定值，即输入功率为常数，则输出的移模力与移模 图3.3肘杆机构在合模过程中的移模力度速度应成反比关系，合模时因移模力从小趋于 与速度变化无穷大的变化，移模速度则应反之，即由大至零的连续变化过程。如图3.3所示的移模力与速度变化图。3.3 合模机构方案二单缸直压式合模机构设计3.3.1 单缸直压式合模机构工作原理单缸直压式如图3.3所示，它的特点就是模具在启闭和锁紧都是在一个液压缸的作用下来完成。合模闭模靠移模油缸活塞杆进退来完成，通过高压油提供合模力。图3.4 单缸直压式合模装置螺母 2-定模板 3-模具 4-拉杆 5-动模板 6-后模板 7-合模液压缸3.3.2 单缸直压式合模机构参数计算（1）移模油缸内径单缸直压式依靠压力油推动活塞杆直接实现对模具启闭动作，在合紧模具时所形成的合模力为： （3-11）式中：合模力（KN）；移模油缸直径（mm）；系统工作压力（Mpa）。注塑机的合模力全部由移模油缸提供，则负载为合模力，根据表3.1按负载选择系统工作压力，选取系统工作压力=12Mpa。由式（3-11）可得：=291.34 mm根据GB/T 2348-1993标准取移模油缸内径=320mm。 表3.1 按负载选择工作压力负载/ KN50工作压力/MPa=96.23mm 符合要求。（3）缸筒壁厚对于中高压系统，按厚壁筒计算，缸筒采用铸钢制造，则有： （3-13）式中：材料的许用应力。铸钢=100110Mpa，取=110Mpa；移模油缸内径实验压力，系统工作压力16Mpa时，=1.5。将数值代入式（3-13）得： =28.97mm考虑到腐蚀等附加厚度，圆整去厚度=30mm。（4）移模油缸缸筒外径=320+230=380mm（5）移模油缸缸底厚度h缸底材料选用铸钢，缸底设计有油口，则油口直径为： （3-14）式中：缸筒内径； 液压缸最大输出速度。根据设计参数可知液压缸最大输出速度为快速开模速度=0.07m/s； 油口液流速度。一般不大于5m/s，这里取=0.5m/s。将数值代入式（3-14）得：=按GB/T 2878-1993标准取油口直径=16mm。缸底厚度计算公式为：h= （3-15）式中：缸底油口直径； 材料的许用应力。铸钢=100110Mpa，缸底材料选用铸钢，取=110Mpa。其余符号意义同前。将数值代入式（3-15）得： h= = =57.51mm取h=60mm。 3.4 合模机构方案比较3.4.1 方案一单曲肘合模机构的特点通过前面对其力学性能的分析可知，单曲肘合模机构具有增力作用，即用小的油缸推力可以得到较大的合模力，其增力倍数一般为67倍。故在运行中省力、平稳。合模力仅同系统变形量有关，即取决于肘杆机构变形初始位置角的大小，与合紧后的工作油压力大小无关。要改变合模力大小只要通过调整肘杆机构的临界角即可。因肘杆机构在合紧后能实现自锁，即卸掉工作油压力，合模力不会消失，故节省能源。从对肘杆机构力与变形的对比分析中可知，如合模力相等，合模系统总刚度不同的两个合模装置，加工同一个模具（即胀模力相同）。发现系统刚度小的合模装置将比系统刚度大的合模装置回弹量大。就一般来说肘杆式的压缩刚度均高于液压式，故工作时胀模小，锁模可靠。对于肘杆式合模装置，一般许可10%左右超载。3.4.2 方案二单缸直压式合模机构的特点单缸直压式合模机构只靠一个移模油缸来实现合模力的产生和对其合模闭模的速度变化，因没有力的扩大机构，油缸的负载即为合模力大小，经前面计算可知在800KN的合模力下，移模油缸的内径已达到320mm，系统工作压力达到12Mpa，故其结构比较庞大，高压对其油路系统要求有高的精度。移模油缸的封闭装置难以精确制造，容易泄漏。由于在合紧模具没有自锁功能，故在整个注射保压过程都要求移模油缸处于高压状态，使得能源消耗大。由于移模油缸较大，在合模开模时速度较慢，工作效率不高。对其两个方案比较，方案一符合设计理念。3.5 单曲肘合模机构设计3.5.1 模板设计注塑机模板分为：后模板、动模板、前模板。主要用于安装成型模具、拉杆、调模机构、顶出机构、合模机构等，并和拉杆构成一个力的封闭系统，在合模时将成型模具锁紧。本文设计采用四柱式模板结构，即设计4根拉杆连接模板。因其四柱式结构承载能力大、刚性好，而且定位导向性能好；四柱式结构更便于安装较大的模具，而且便于模具的安装和拆卸。如图3.5所示。模板材料选用45钢。（1）前模板厚度和动模板厚度： （3-16）式中：H模板外形水平尺寸； 合模力； 拉杆中心距。根据设计结构得=410mm； 图3.5 模板尺寸 模板许用抗弯脉动应力疲劳极限。=，=1.7，=，即=； 脉动疲劳极限； 对称循环疲劳极限； 弯曲应力。对于45钢，=600Mpa； S安全系数。一般塑性材料取1.52。将数值代入式（3-16）得： = =80.30mm圆整后取=81mm。（2）后模板厚度： （3-17）式中：拉杆垂直中心距。根据设计结构得=410mm； V模板外形垂直尺寸；其余符号意义同前。 将数值代入式（3-17）得： = =80.30mm圆整后取=81mm。本文设计的调模机构安装在后模板上，肘杆机构连接后模板和动模板；顶出机构安装在动模板上，并在动模板上设置顶出通孔；根据SG/318-83塑料注射成型机标准在动模板和前模板上设置M1640的模具安装螺纹孔。为了使动模板运动自如和注射模闭合时四周密合，模板的4个拉杆孔应平行并与中心对称。动模板和前模板的模具安装面的平面度不大于GB/1184-80规定的A级，并只允许凹，表面粗糙度Ra6.3。动模板和前模板的模具安装面间的平行度应按GB/1184-80选用，当锁模力为零时取10级，在锁模力为最大时取8级。如图3.6、3.7所示为本设计的模板二维和三维结构图。 （a）后模板 （b）动模板 （c）前模板图3.6 模板二维图 （a）后模板 （b）动模板 （c）前模板图3.7 模板三维图3.5.2 拉杆设计拉杆在工厂里俗称导柱或哥林柱，它连接模板承受锁模力并保证动模板平行运动的重要零件，它影响着整个合模系统的好坏。它在合模系统中受到锁模力的拉伸作用和运动部件的重力作用以及由于模具放置存在偏心而产生的弯曲作用。因此，在设计拉杆的时候要必须保证拉杆具有足够的强度和刚度并保证导向表面有足够的精度、硬度和低的表面粗糙度，确保合模系统平稳运行。本文设计的拉杆为两端螺纹式，与后模板连接端的螺纹配合调模机构进行调模工作；与前模板连接端用大螺母固定。拉杆材料为40Cr，调质处理提高拉杆疲劳强度，提高其性能。（1）拉杆长度L根据模板厚度、开模行程、调模行程和附加部件占据的长度预算出拉杆长度L=1800mm。（2）拉杆直径D拉杆数量为4根时按下式计算拉杆直径： （3-18）式中：合模力； E材料弹性模量。拉杆材料为40Cr，则取E=2.06KN/mm； 弹性变形量系数。普通型注塑机取（0.0400.044）mm/（100mm），一般在设计中取0.043mm/（100mm）。将数值代入式（3-18）得： = =53.62mm圆整后取D=55mm。（3）拉杆静应力校核本文设计的拉杆是两端螺纹式结构，所以拉杆两端螺母承受着全部的锁模力，对此拉杆所受的静应力也就是两端螺纹所受静应力。拉杆螺纹在系统中主要受到挤压、剪切、弯曲、拉伸这几项静应力。如果拉杆螺纹强度不够，会导致拉杆性能下降，严重会导致拉杆断裂。因此在设计时必须保证拉杆强度达到规定值。经设计得拉杆的连接螺纹为M42，直径d=42mm，小径=37.129mm；每根拉杆受到的拉力F= F=；拉杆材料为40Cr，则材料力学性能。1）螺纹挤压强度： = =661Mpa因，所以设计符合要求。 2）螺纹剪切强度： = =470Mpa式中：s螺距； 牙型螺纹系数，公制螺纹=0.81。因，所以设计符合要求。 3）螺纹弯曲强度： = =75Mpa因，所以设计符合要求。4）细颈抗拉强度： = =144Mpa因，所以设计符合要求。3.5.3 肘杆机构设计肘杆机构设计，除了要求达到性能外，还要求肘杆机构占地位置小；运动平稳；安装拆卸方便。（1）肘杆机构的运动行程和最大起始角如图3.8所示。虚线部分为肘杆机构起始位置原理图，实线部分为肘杆机构运动在某一位置时的原理图。图3.8 肘杆机构运动分析根据图示坐标可以得出C点的坐标方程为： （3-19）由式（3-16）统一用角表示为： = （3-20）式中：肘杆长度； 连杆长度； 肘杆1和连杆2的长度比（/），称杆长比