（机械制造及其自动化专业论文）全电动多工位立式一步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 全电动多工位立式步法注射成型机 的设计研究与三维动态过程模拟 摘要 目前橡胶注射成型一般采用单机注射方法和设备。为了提高生产效率也有采用 转盘式多工位注射方法和设备，也有采用转角式多工位注射成型方法和设备等。这 些成型方法和设备存在如下问题：一是注射机与开合模装最机构分离，使整机受力 恶化，容易造成注射机与开合模装置的变形而影响工作和可靠性，造成设备体积庞 大，只适于注射小容量的制品；二是注射装置和开合模装置的水平布置，使设备占 地面积太大：三是全液压或液一电传动不但浪费能源，维护保养困难而且容易恶化 工作环境等。因此传统的多工位注射机不能够满足现在的发展要求。 本文在深入研究多工位注射工作原理和传统设备构造优缺点的基础上，全新设 计了一种全电动多工位立式一步法注射成型机。全文通过理论推导建立了全电动多 工位立式一步法注射成型机的功率消耗，受力变形及应力、应变等数学模型，并进 行了大量的设计计算和有限元受力分析。对全电动多工位立式一步法注射成型机进 行了结构优化设计，为了保证结构的可行性和可靠性，还对机台进行了三维仿真设 计及工作过程动态模拟。本论文的主要成果如下： 1 首次设计了全电动多工位立式一步法注射成型机，实现注射机与开启模装置 的整体竖直布置，一套注射装置可于一台或多台模具系统进行多工位注射，整机受 力合理，变形小，工作可靠，同时结构紧凑，占地面积小，可用于大、中、小型容 量制品的注射成型，克服了传统的转盘式、转角式多工位注射的不足。这是多工位 注射设计史上的重大突破。 2 运用了全电动传动，邸实现了注射、锁模、脱模、多工位移动的全电动化， 代替了全液压传动或液一电传动，提高有效功率，缩短了工作周期，节约能源，易 损件少维护保养方便，工作可靠，解决了液压注射成型设备容易污染环境的问题。 3 ，首次设计了多工位移动装置，把链传动、滚动导轨副与螺旋传动有机的结合 起来，整个机台工作平稳、对中性能好，再现性好，同时极大地提高了工作效率。 4 在注射装置中设计的螺杆旋转注射成型装置，采用特殊结构的螺杆和增压装 置将充分塑化的胶料以高速、高温、高压的喷流直接注入模腔，实现一步法注射。 5 ，在锁模装置中设计的螺旋副机构，实现了电传动和螺旋副传动的有效结合。 全电动多工位立式一步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟 锁模精度高对中性好，螺旋本身的自锁作用，使得螺旋锁模稳定可靠，并克服了传 统锁模装置受行程范围约束的缺点。 6 设计中运用了先进的传感技术。采用压力传感信息模拟定量的方式控制注射 量，精确控制注射压力，压合力和锁模吨位，提高精度。 7 运用了有限元分析进行辅助设计。结构的理论推导和有限元分析相结合，提 高了设计的安全可靠性。 8 运用传统设计、三维仿真设计和过程动态模拟相结合的设计手段，充分体现 了设计与制造同步的现代设计理念，缩短设计周期、降低设计成本、在物理样机产 生之前预先评估设计。 总之，本文对全电动多工位立式一步法注射成型机的设计走在了国内外同行的 前列，是多工位注射发展史上的重大突破，具有明显的创新性。本设计已于2 0 0 6 年 4 月2 5 目申请了发明专利和实用新型专利，发明专利号：2 0 0 6 l 0 0 4 3 8 5 9 6 ；实用新 型专利号；2 0 0 6 2 0 0 8 3 4 8 1 8 。全电动多工位立式一步法注射成型机具有广泛的开发 和应用前景，相信将会带来明显的社会效益和经济效益。 关键词：多工位全电动注射一步法螺旋锁模三维模拟 i i 童璺型垫查堂堑塞皇堂垡堡壅 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ff u l l yd y n a m o e l e c t r i c m u l t i l o c a t i o nv e r t i c a lo n e s t e p i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n ea n ds i m u l a t i o no f3 dd y n a m i cp r o c e s s a b s t r a c t a t p r e s e n tt h es i n g l ei n j e c t i o nm a c h i n em e t h o da n d t h ee q u i p m e n ti su s e dt h er u b b e r i n j e c t i o ng e n e r a l l y i no r d e rt oe n h a n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，r o t a t i n g 。d i s ta n d r o t a t i n g - a n g l em u l t i - l o c a t i o ni n j e c t i o nm e t h o da n dt h ee q u i p m e n ta l s oh a v eb e e nu s e d t h e s ei n j e c t i o nm o l d i n gm e t h o d sa n dt h ee q u i p m e n t se x i s tf o l l o w i n gq u e s t i o n ：f i r s t l y , t h e i n j e c t i o nm a c h i n ea n dt o g g l ec l a m p i n gi n s t a l l m e n ta r es e p a r a t e d ，w h i c he a s i l yc a u s e s s t r e s sw o r s e na n dd i s t o r t i o n , a n da l s oi n d u c e sh u g ev o l u m e t h i sm a c h i n ec a no n l yb e u s e df o rm i n i a t i v ep r o d u c t s e c o n d l y , t h ei n j e c t i o nm a c h i n ea n dt o g g l ec l a m p i n g i n s t a l l m e n ta l - el e v e l ，w h i c ha l s o c a u s e st h ev o l u m eb i g t h i r d l y , f l u i dd r i v ea n d f l u i d - m e c h a n i c a ld r i v ew a s t ee n e r g y ，a n dw o r s e nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r et h e t r a d i t i o n a lm u l t i l o c a t i o ni n j e c t i o nm a c h i n ec a n n o ts a t i s f yp r e s e n tt h ed e v e l o p m e n t r e q u e s t t h ep a p e rh a sd e e p l yr e s e a r c h e do p e r a t i o np r i n c i p l eo ff u l l yd y n a m o e l e c t r i c m u l t i l o c a t i o nv e r t i c a lo n e - s t e pi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n dm e r i ta n ds h o r t c o m i n go f c o n v e n t i o n a le q u i p l m e n t b yt h e o r e t i cd e d u c e ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fc o n s u m i n g p o w e ra b o u tm u l t i q o c a t i o n 蝎e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，s t r e s sa n ds t r a i na l eb u i l tu p m o r e o v e r t h er e l m i o n a ld e s i g nc a l c u l a f i o na n da n s y sa n a l y s i sa 咒c a r r i e do u t s o c o m p l e t e l yn e wm u l t i - l o c a t i o ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n eh a v eb e e nd e s i g n e d f i n a l l y , f o rt h es a k eo fg u a r a n t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r e ，t h ep a r a m e t e r i z e d t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nd e s i g na n dd y n a m i cp r o c e s sd y n a m i cs i m u l a t i o no f m u l t i - l o c a t i o ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea r eu s e d t h ep r i n c i p a l l yi n n o v a t i o ni d e a so f t l l et h e s i sa sf o l l o w s ： 1 t h ei n j e c t i o nm a c h i n ea n dt o g g l ec l u m p i n gi n s t a l l m e n ta r ev e r t i c a li nt h ed e s i g n w h i c hi s p r o v e dt h a t s t r e s si sr e a s o n a b l e ，d i s t o r t i o ni s s l i g h t i to v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n go fc o n v e n t i o n a le q u i p m e r i t ，a n de a r r y so u th i g h c a p a c i t yi n j e c t i o n t h i si sa b r e a k t h r o u g hi nt h em u l t i l o c a t i o ni n j e c t i o nd e s i g n 2 f u l l ye l e c t r o n i cd r i v ei sd e s i g n e di nt h i st b e s i s ，w h i c hm a k e st h ee l e c t r o m o t i o no f i n j e c t i o np r o c e s s ，t o g g l ec l a m p i n gp r o c e s s ，d o f fc l a m p i n gp r o c e s sa n dm u l t i - l o c a t i o ns h i f t i i i 全皇塾墨三堡皇塞二生鎏婆壁壁型垫塑垦塑堡塞皇三丝垫查整堡塑型 p r o c e s sc o m et u r e i tr e p l a c e sf l u i dd r i v ea n d f l u i d - m e c h a n i c a ld r i v e ，e n h a n c e st h ea c t i v e p o w e r , r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc y c l e ，s a v e st h ee n e r g y 3 t h i sd e s i g ns u c c e s s f u l l yc o m b i n e sc h a i n - d r i v e nw i t hs l i d eg u i d ep a i r , a n ds c r e w a c c e s s o r yd r i v ea v a i l a b l y , w h i c hm a d et h ew h o l em e c h a n i s mp o s s e s sh a v em a n ym e r i t s ， s u c h 船，m o r es t a t i o n a r i t ym o v e m e n t ，h i g h e rc e n t r i n ga c c u r a c yp e r f o r m a n c e ，a n db e t t e r r e c i p u c a t ep e r f o r m a n c e ，e t c a sa r e s u l t ，t h ee f f i c i e n c yo f i n j e c t i o ni si m p r o v e dh e a v i l y 4 s c r e wr o t a t i n gi n j e c t i o nm o l d i n gd e v i c ed e s i g n e di nt h i st h e s i sa d o p t ss p e c i a l s c r e wa n dp r e s s u r eu n i t ，w h i c hm a k e ss i z i n gr u t l yp l a s t i c a t e d t h e nq u i c k - s p e e ds t r e a m w i t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dh e a v yp r e s s u r ei n j e c t si n t om o l d i n gc h a m h e r , a n do n e - s t e p i n j c e t i o ni sc a r r i e do u t 5 s c r e wp a i ri sd e s i g n e di nt o g g l ec l a m p i n gu n i t ，w h i c hc o m b i n e de l e c t r o n i cd r i v e a n ds c r e wa c c e s s o r yd r i v ea v a i l a b l y w h i c hi m p r o v e st h ea c c u r a c yo fa i m i n ga tc e n l r a l a x e si nl o c k i n gm o u l da n do v e r c o m e st h em o v e m e n tr a n g er e s t r i c t i o no f t h ec o n v e n t i o n a l t o g g l em o u l d i n gu n i t m o r e o v e rt h es e l f - l o c k i n gf u n c t i o no fs e m wp a i rm a k et o g g l e c l a m p i n gu n i tm o r es t a b l ea n dr e l i a b l e 6 a d v a n c e dt r a n s m i t t i n gs e n s et e c h n o l o g yi su s e di nt h ec o n t r o lo ft h ei n j e c t i o n p r e s s u r ea n dt h et o g g l ec l a m p i n gp o w e r ，w h i c hh i # yi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h e m a c h i n e 7 a n s y si su s e di na c c e s s o r i a ld e s i g n t h ed e s i g nc o m b i n e dt h e o r e t i cd e d u c ea n d a n s y s a n a l y s i s ，w h i c hi m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo fs t r u c t u r ed e s i g n 8 t l l i s d e s i g ns u c c e s s f u l l y c o m b i n e st h et r a d i t i o n a ld e s i g nw i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nd e s i g na n dp r o c e s sd y n a m i cs i m u l a t i o nd e s i g nm e t h o d ，w h i c h d e d u c e sd e s i g nc y c l e ，r e d u c e sc o s t t h ey n c h r o n i z a t i o nm o d e md e s i g ni d e ao fh ed e s i g n a n dt h em a n u f a c t u r eh a sf u l l ym a n i f e s t e d i naw o r d ，t h ed e s i g no ff u l l yd y n a m o e l e c t r i cm u l t i l o c a t i o nv e r t i c a l o n e s t e p i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei n t h i st h e s i si sab i gb r e a k t h r o u g hi nt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i l o c a t i o ni n j e c t i o n ，w h i c hh a so b v i o u si n g e n u i t y s ow eh a v ep u ti nf o ri n v e n t i o n p a t e n ta n dp r a c t i c a l i t yn e wt y p ep a t e n to na p r i l2 5 t h ，2 0 0 6 ；t h ei n v e n t i o np a t e n tn a m b e r i s2 0 0 6 1 0 0 4 3 8 5 9 6 ；t h ep r a c t i c a l i t yn e w t y p ep a t e n tn u m b e ri s2 0 0 6 2 0 0 8 3 4 8 1 8 t h e 如l l yd y n a m o e l e c t r i c m u l t i - l o c a t i o nv e r t i c a l o n e - s t e pi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e p o s s e s s e sw i d e s p r e a dp m s p e c to f d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，ia l t ls u r et h a ti tw i l lb r i n g t h eo b v i o u ss o c i a le f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y k e yw o r d s ：m u l t i l o c a t i o n f u l l yd y n a m o e l e c t r i ci n j e c t i o n o n e - s t e pm e t h o d s c r e wt o g g l ec l a m p i n gu n i tt h r e ed i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n i v 青岛科技大学研究生学位论文 e 一螺棱法向宽度； ；平均螺旋升角 符号说明 口一牵引角； 矿一螺槽法向宽度 旷平均螺槽宽度： d 螺杆顶径； f 螺纹头数； h 1 喂料段螺槽深度： h 3 一均化段螺槽深度； 五一机筒与胶料的摩擦系数； 工一固体塞与螺杆底面之间的摩擦系数； z 一沿螺槽方向的固体输送段长度； a 一固体输送段结束处的压力； 岛一圆体输送段开始处的压力； 编一螺槽中的物料粘度； 仍一螺杆和机简之间间隙中的物料粘度； g 一生产能力； 全电动多工位立式一步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟 d 一顶径尺寸； s 一底径尺寸； 玎一机械传动效率； f 一螺纹的导程，m m ： 2 一螺纹头数： p 螺距，m m ； q 轴向载荷，： 口梯形螺纹的螺旋升角； 吼当量摩擦角，仇= a r c t g 南： ，一螺纹副摩擦系数； 夕梯形螺纹牙项角； r c p 一螺旋的中经，m m 。 电机功率，k w ； m 转矩，n 。m ； 以轴传递功率，k w ： 玎一电机转速，r m i n ： ”2 一输出轴转速，r m i n ： 7 一轴半径，m m ： x 青岛科技大学研究生学位论文 一一电机的过载系数，其值等于堵转转矩与额定转矩的比值，k o = 4 5 ； m 。一工作时的最大转矩，n m i 一传动比； 叮一传动效率； d 2 一螺旋中径，m m 以螺旋小径，m m ： d 1 螺母小径，m m ： d 2 螺母中径，m m ； d 4 一螺母大径，m r f l ； 厅一螺纹的工作高度， t i m z 一旋合髑数： b 一螺纹牙底宽度，咖 e 一材料的弹性模量，m 2 ； j 一惯矩，m 4 ： 占一蜗杆轴在e ，和晶作用下的最大挠曲量，m ； 口一中心距，m m ： 青岛科技大学研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题目的与设计研究的意义 1 1 1 课题的来源 随着现代化建设的日益加快，我国对橡胶制品的需求量越来越大对制品质量 要求也越来越高，高质量的橡胶制品则需要由高品质的橡胶成型设备来保证。囡此 一个企业能否高效率的生产出质量好的橡胶制品很大程度上取决于生产设备的水 平。在各种橡胶制品成型设备中，橡胶注射机的成型过程独特，因此具有很多优点： 简化工艺，能够实现橡胶制品的高温快速硫化，缩短生产周期；提高制品质量，物 理机械性能均匀、稳定、胶边少，几何尺寸精确，制品合格率高，节省胶料；操作 简便，劳动强度低，机械化和自动化程度高。因此，橡胶注射成型机在制品成型生 产过程作用重要，其生产能力、工作可靠性直接影响着橡胶制品的质量。 由于有些橡胶制品所需鹊硫化对阃比注射对阅稷取出对闱长得多，为了充分发 挥塑化部件的效率，常用一个注射装置依次向各个工位的注射模模腔注胶，因此可 以充分利用多工位注射机注射装置快速塑化和注射的特点，使注射、硫化、脱模等 工序能够同时进行，提高了设备的生产能力， 为了适应注射成型设备的发展趋势和市场要求，本文深入研究了各类注射成型 装置的特点和性能，克服传统设备的不足，全新设计了全电动多工位立式一步法注 射成型机。 1 t 2 课题设计研究的迫切性 橡胶注射成型机是生产橡胶制品的先进设备，已成为当今研究和开发的焦点课 题。多工位橡胶注射成型机的发展是橡胶制品注射成型设备发展的必然趋势，将为 橡胶制品进入高质、高效、低耗、低成本、高度自动化生产的发展方向奠定坚实的 基础。 橡胶制品的成型加工，经历了由模压法到传递成型，再到注射成型的发展过程。 橡胶工业制品如密封圈、防震垫，早先都是用模压法压制成型。这种方法是将胶料 全电动多工位立式一步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟 切成简单的形状，填入模腔加压硫化成型，由于这种方法劳动强度大，自动化程度 低，尤其是对形状复杂、胶层较厚的金属架制品无能为力。压铸法又叫传递法或移 模法，通过模腔上部的塞筒使胶料在强大的压力作用下注入模腔，这在定程度上 解决了带骨架复杂形状的制品成型，但其自动化程度仍然不高。 到了1 9 4 0 年，人们将应用于塑料的注射成型工艺适用于橡胶制品。第一代注射 成型机一柱塞式注射成型机，在一定程度上减轻了劳动强度，但其很难达到和维持 注射所需的温度，不易保持胶料的热均匀性热传导能力低，塑化能力差，胶料混 合不均匀，气体不易排出。为了改善柱塞对物料的塑化能力，出现了柱塞欲塑化式 注射机，又称两级柱塞式注射机，在加热料筒内将物料塑化熔融，然后送入注射用 的加热料筒内，这在一定程度上解决了位移定量的问题，但是仍不能从根本上解决 塑化不均的问题。 螺杆注射机的出现，在很大程度上解决了胶料塑化不均的问题。螺抒柱塞式注 射机是于1 9 4 8 年发明的一种两段式注射机，是将螺杆塑化好的胶料输送到机筒中， 当达到一定量时，注射装置中的柱塞就往前推进将物料射入模腔，如果要求更大的 注射量，还可同对使用欲塑螺杆装置，将塑化好的聚合物熔体泵入柱塞式注射机。 螺杆柱塞式注射成型需要另外的螺杆塑化机提供塑化好的胶料与之配合使用，胶料 塑炼和注射不能在一台机子上完成，胄约了生产效率，同时需配备巨大的轴向注射 动力来实现流动性差、阻力大的注射过程，消耗能量巨大。 嫘杆往复式注射机克服了柱塞式注射机的缺陷，满足了工业化发展需求。在注 射加工塑料制品时螺杆转动，物料通过螺杆的螺槽向前移动。由于螺棱和机简内壁 的剪切生热以及机简外壁的加热，使物料得到了很好的塑化，已塑化好的熔体因不 能从前面技压出，而反向推压螺杆向后移动并迸行计量，待螺杆前部钓熔料积存到 一定量时，螺杆停止转动，螺杆起到柱塞的作用将物料挤出完成注射。螺杆塑化装 置和机筒外加热方式的采用，极大地改善了物料的塑化效果，并便于温度的控制和 物料的计量。但螺杆式注射机暴露出其在注射制品的容量和压力方面有一定限制的 缺点。 螺杆旋转式( 一步法) 注射成型机是青岛科技大学挤出实验室长期观察、实践 和研究，成功设计的一种新型的注射成型技术和设备。这种方法是将胶料在高速旋 转的螺杼和特殊增压机构进行塑化的，在螺杆旋转作用下产生的强大接力，使经过 螺杆一机筒系统塑化的胶料推进机头口模和锥形螺杆头构成的流道进入喷嘴，连续 以高速高压高温的料流直接注射入模腔，当模腔注满胶料时，系统将发出定量信号， 停止注射同时进行保压，这种方法塑化一定量与注射同步进行。在油田螺旋泵橡胶 定子和轮胎的胶囊的成功注射中，旋转注射法突破传统的塑化与注射的分布完成， 实现传统注射机注射容量的限制问题和大型橡胶制品的生产难题；塑化装置的塑化 青岛科技大学研究生学位论文 与注射装置的注射同一实现，简化设备；突破传统的机械定量实现压力定量，保证 了制品的质量稳定。 橡胶注射成型一般采用单机注射方法和设备，为了提高生产效率也有采用转盘 式多工位注射方法和设备，也有采用转角式多工位注射成型方法和设备等。这些注 射成型方法和设备有以下共同特点：一是注射机与开启模装置是分离的；二是注射 装置和开启模装置是水平布置的；三是采用全液压传动或液一电传动等。由予上述 注射方法和设备的特点，导至为如下问题：一是注射机与开合模装置的分离机构， 使整机受力恶化，容易造成注射机与开合模装置的变形而影响工作和可靠性，而且 也使设备体积庞大，因此也只能注射小容量的制品：二是注射装置和开合模装置的 水平布置，使设备占地面积太大；三是全液压或液一电传动不但浪费能源，维护保 养困难而且容易恶化工作环境等。 鉴于上述原因，国内外很多设计工作者在寻求一种新型多工位橡胶注射成型机， 克服现有技术受力不合理，工作可靠性差只能用于小容量制品注射的缺点，使之 能有效地发挥橡胶注射成型机的作用，减小设备占地面积，降低设备成本，提高产 品的质量及设备的生产效率。为此，需要设计一种新型的多工位注射机，满足目前 优化性能、简化结构、降低成本以及提高经济效益的要求。 本设计通过设计一种多工位立式一步法注射成型机来克服现有柱塞式注射机、 螺杆柱塞式注射机、螺杆往复式注射机以及转盘式多工位注射机和转角式多工位注 射机存在的缺点，以现代机械设计方法理论为指导，运用有限元的思想方法和三维 仿真设计工具设计完成。设各受力合理化，结构简单，可操作性强，成本低，完全 适应当前注射成型设备的发展要求，具有明显的创新性。 1 1 3 课题设计研究的意义 随着当代科学技术的飞速发展，社会经济结构发生了很大的变化，橡胶工业也 得到了飞快的发展。在国内，橡胶注射成型技术经过了几十年的发展，得到了不断 的完善和提高，从柱塞式到螺杆式，再到步法，注射成型原理也得到了较大的丰 富与完善但从全面的观点来分析，它们仍存在不少问题：注射成型装置温度和物 料的计量不易控制，注射压力和注射容量受到限制，胶料容易出现塑化不均现象。 注射锁模装置主要是液压式或是液压机械式锁模装置，需要油缸来产生驱动力，在 很高的驱动要求下，对主油缸的制造精度要求严格，导致设备制造成本高，并且在 工作工程中容易出现跑冒滴漏现象，浪费能源。传统的脱模机构也多是液压式，机 构体积大，结构复杂，浪费能源，污染环境，不利于实现文明生产。另外，到目前 为止多工位注射成型仍以转盘式多工位注射机和转角式多工位注射机为主，没有突 破性的进展，这种传统的多工位注射机的注射机与开合模装置的结构分离，致使整 全皇垫童三垡皇垄二生塾墅壁型垫塑塑生堡塑兰三丝垫查塾矍堕垫 机受力恶化，容易造成注射机与开合模装置的变形而影响工作的可靠性；而且设备 体积庞大，不利于大容量的制品的注射；同时注射机和开合模装置的水平布置，使 设备占地面积太大；另外其全液压或液一电传动，不但浪费能源，维护保养困难， 容易污染工作环境。 本设计的全电动多工位立式注射成型机，包括一套立式注射成型系统，其中含 一台注射装置和压合装置；一套三工位移动机构；三套模具系统；三套脱模装置， 注射成型装置采用螺杆旋转注射成型，并制作成立式结构，可用于大、中、小型容 量制品，设备结构紧凑；三套锁模装置和一套三工位立式机架，与传统多工位相比 其突出优点表现在采用立式注射成型系统取代卧式注射成型系统，多工位移动装置 可与三台硫化装置及其模具系统配合进行三工位注射，设备结构紧凑、占地面积小； 三工位机架为立式结构受力合理、工作可靠。 本设计的全电动多工位立式注射成型机在传动方式上采用全电动传动，与液压 注射成型机相比，电动注射机高效的能量转换可节约能耗的5 0 ，并且操作精度高， 边角料少；由于高效的动力传动，所有轴几乎同时运动，且各动作相对对立，减少 了空循环时问，从而缩短了成型周期；由于不使用液压传动油，电动注射成型机不 需要冷却液压油的设备，也减少了冷却水的用量；由于没有油压惯性的影响，噪音 低；同时维修和使用费用都较低。可以提高生产效率，提高设备工作可靠性，节省 能源和降低运行成本等。 综上所述，本课题的研究不但能给橡胶工业市场带来巨大的经济效益，而且能 带来丰富的社会效益，所以本课题具有深刻的研究意义。 1 1 4 课题的应用前景 在本设计全电动多工位立式步法注射成型机成功设计了线性多王位移动装 置，利用链轮链条传动系统和滚动导轨机构传动，在电动系统的驱动下注射成型系 统沿滑动导轨作多工位移动。同时可根据硫化时间的需要，方便的设置多工位模具， 利用一套塑化注射设备进行注射，为一步法注射成型实现多工位成型工艺和提高效 率奠定了基础。其组成框架图如图卜l 所示。 4 青岛科技大学研究生学位论文 广 l 圉卜1 全电动多工位立式一步法注射成型机主要结构框图 f i g 卜1 ：m a i ns t r u c t u r ed i a g r a mo ff u l l ye l e c t r i cv e r t i c a lo n e s t e pi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e 本课题设计的全电动多工位立式一步法注射成型机克服了模压成型法、传统注 射成型法和传统多工位注射法的不足，降低了能耗，不会污染环境，易于实现文明 生产，与时代可持续发展的大环境步调相一致。该设备是通用型的橡胶制品注射成 型设备，可用于生产密封圈、防震垫、防尘罩、电器绝缘件、瓶塞、鞋底、工矿雨 鞋、吸尘软管、劳保手套以及热水袋和气门嘴胶垫等橡胶模型制品。同样本设备也 可用于大型家庭用品、油田螺旋输送泵衬套以及轮胎硫化胶囊等的生产上。 总之，本设计与研究具有现实意义，为各种橡胶制品的高效率生产提供了行之 有效的方法，同时也为橡胶注射成型机的发展提供了一个更为广阔的发展前景。相 信全电动多工位立式一步法注射成型机必将会以其较低的成本、优越的性能广泛应 用于橡胶注射成型行业的生产实际当中。 1 。2 注射成型技术的进步与发展 第二次工业革命时期人们开始从煤焦油中提炼氨、苯、人造染料等，利用化学 合成方法，美国人h a t t y 发明了塑料，法国人发明了人造纤维，1 8 3 9 年，美国化学 家查德固特异发明了硫化橡胶。化学工业的发展，特别是高分子工业的发展极大 地改变和丰富了人们的生活。工业革命末期，随着塑料、橡胶的问世，出现了最早 的成形方法注射成型方法。注射成型是一种注射兼模塑的成型方法，又称注望 成型。通用的注射方法是将物料放入注射机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、 混合、和输送作用，使物料进行均化和熔融，这一过程又称为塑化。然后再借助于 5 全电动多工位立式步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟 柱塞或螺杆向熔化好地物料施加压力，高温熔体便通过喷嘴和模具的浇道系统射入 预先闭合好的低温模具，再经冷保压定型后顶出制品。在注射技术的发展历程中， 聚合物材料的发展与其有着密切的联系。伴随着材料工业的发展，注射成型加工日 趋成熟，成为高分子成型领域最普遍也是最重要的成型方法。 1 2 1 “填充机”第一台注射成型机 一个多世纪以前，人们不采用骨头、蹄脚、龟甲等生产天然塑料物质制品，而 是大量利用象牙。象牙的需求量不断增加，当时为获取象牙，每年要蓉死2 万头以 上的大象，价值高达2 0 0 万英镑。象牙从海象、河马的獠牙和其他部位的牙获得， 但最坚硬还是西非象所得到的象牙，偷猎者每年继续杀死几千头大象，并非是为了 食肉，而是为了其身上值钱的象牙。出乎意料的是苏格兰传教士和研究者d 李温 士敦( d a v i dl i v i n g s t o n e1 8 3 1 1 8 7 1 ) 博士认为大象是取之不尽的。幸好英国的d 史毕尔( d a n i e ls p i n ) 和a 帕克斯( a l e x a n d e rp a r k e s ) 及美国的j w 海厄特( j o h nw e s l e y h y a h ) 与i s 海厄特o s a i a hh y a a ) 兄弟俩并未为这种愚昧的见解所蒙蔽，并致力于研 制象牙的替代品。 1 8 6 2 年，在伦敦的一个展览会上，英国人p a r k e s 展出些用p a r k e s i n e 材料模 压而成的小制品，p a r k e s i n e 材料是一种以硝酸纤维索为主的混合材料，这成为注射 技术的起源o 。 1 8 6 5 年，台球制造商p h e l a n & c o l l e n d a r 为了使奇贵的象牙不再制约台球业的发 展，公布了一个广告，悬赏l 万美元寻求制作台球的象牙替代品。当时年仅2 8 岁的 j o h nw e s l e yh y a t t 意识到潜在的市场需求，他辞去印刷工人的职业，回家致力于这 项发明。直到1 8 6 9 年他偶然找到了硝化纤维素，当时a l e x a n d e rp a r k e s 和s c h s e n b e i n 已对该材料研究多年，但是h s a t t 将醋酸纤维素和莰酮混合均匀，并在固化前使溶 剂从材料中全部除去，制成了赛璐珞，并制作出高质量的台球。 1 8 4 9 年，s t u r g i s s 公司推出了首台金属压铸机，主要用来加工纤维素硝酸酯和 醋酸纤维塑料。在1 8 7 0 年，j o n ns m i t h 和j e s s e l o c k e 已经提出了关于注射金属铸件 的专利。基于对注射金属技术的研究和金属注压的经验，h y a t t 兄弟在1 9 7 2 年制造 了第台注射成型机一“填充机”，并申报了专利0 1 ，成为桂塞式注射机的原型。1 8 7 8 年h y a 钍制造出第一个多模腔注射模具，并把赛璐珞注入模具中制备注射制品。 由于赛璐珞塑料的易燃性，不太适合于注塑，直到1 9 1 9 年由e i c h e n g r t m 推出乙 酸纤维素后，注塑技术才得到长足发展。 1 2 2 柱塞式注射成型机 1 9 2 0 年注射已发展成为工业化的成型方法，可以生产出形状复杂的制品。1 9 2 6 6 青岛科技大学研究生学位论文 年在德国出现了根据工业化标准而制造的首批用于加工塑料的注射机，市场上也已 出售注射量为5 6 7 9 ，用压缩空气推动的活塞式注射机。1 9 3 0 年在德国和美国已经 出现了电力驱动的注射机。英国f rn c i s s h a wl t i ) 还发明了压缩空气油压注射机a 注射技术的发展雏形已经形成。 为了提高塑化能力，注射机的料筒也有了突破性的进展。1 9 3 2 年德国h a n s g a s t r o v l 做出了一个重大改进，他在注射成型机料筒的熔融区引入一个分流梭。 g a s t r o w 的流线型分流梭增大了聚合物材料的加热面积，克服了塑料导热性差、受 热不均匀等不足，同时中央芯增大了表面区域使剪切能力提高，明显的增强了注射 成型机的塑化能力。这一改进被一直沿用，现在的橡胶用注射装置的加热室有足够 的面积，热传导能力大并且胶料阻力小。加热室中普遍采用各种形式的分流梭，以 增大加热面积，减薄料层，厚度，从而提高塑化能力和胶料的均匀程度铷。但是分 流梭占去了料筒中的一部分面积，增大了阻力，使熔体注入模腔困难，产生较大的 机头压力，加大了注射的难度。 1 9 3 2 年，德国弗兰兹布劳思( f i i a n zb p a u n ) 生产出全自动柱塞式卧式注射机， 成为柱塞式注射机的基本形式。这种最早的柱塞式卧式注塑机，其塑化、注射装置 都比较简单，由喷嘴、分流梭、电热圈、料筒、加热装置、料斗、计量室、注射柱 塞传动臂、注射柱塞、注射座移动油缸等部分组成。 柱塞式注射成型机，被认为是第一代注射成型机。用柱塞式注射成型机加工橡 胶，将物料经加料口放入注射机的料筒中，因受热部分胶料开始塑化，注射时，注 射机的柱塞以强大的推力，将胶料通过分流梭一喷嘴一注射流道一模腔，当胶料经 分流梭时，胶料被分流并产生剪切摩擦，从而使胶料得到进一步的塑化和加热伽。 由于柱塞与机筒壁配合精密，因此可以产生很高的注射压力，与模压法相比，劳动 强度减轻，生产效率有显著提高。但存在明显的不足：胶料依靠机筒筒壁的热传 导来进行加热，因此很难达到和维持注射所需的温度，不易保持胶料的热均匀性。 热传导能力低，塑化能力差，胶料混合不够均匀，气体不易排出。因此柱塞式注 射机没有得到普遍的应用。 这种原始的注射机本身固有的物料塑化不均、塑化能力低、注射压力损失大、 注射速度不稳定、清洗料筒比较困难等不足，也制约了其在塑料注射领域的应用。 在塑料注射成型过程中，有时颗粒物料潮湿包含空气，因此注射成型的制品中经常 包含气泡，影响制品质量同时，加工大型制品、质量要求高的制品，或加工热敏 性塑科有困难。到目前为止，柱塞式注射机只能用于成型小型制品。 为了改善柱塞对物料的塑化能力，出现了柱塞预塑化式注射机，又称二级柱塞 式注射机。在加热料筒内将材料塑化熔融，然后送入注射用的加热料筒内，由于送 入物料的力使柱塞推杆后退，因此可以通过位移量决定( 计量) 一次的注射量，当达 7 全电动多工位立式一步法注射成型机的设计研究与三维动态过程模拟 到预定的注射量时，注射活塞就前进，将熔融材料注射到模具内。但仍然没有从根 本上解决柱塞式固有的塑化不均问题。 1 2 3 螺杆桂塞式注射机 早在注射成型之前，已经有了橡胶挤出机。在1 8 4 5 1 8 5 0 年修筑英法第一条海 底电缆时，就是利用挤出机包上橡胶生产出来的。1 8 7 9 年g r a y 取得了第一个采用 阿基米德螺线挤出机的专利“1 ，并在英国发明了第一部螺杆挤出机。差不多在同一 时期，美国的r o y i e 也开发了一种螺杆挤出机。到1 8 8 1 年，英国的s h o w 已生产和 出售螺杆挤出机。螺杆强大的塑化能力逐渐被人们认识，并利用到注射成型加工中。 1 9 3 0 年美国人发明了螺杆熔料器式注射法；1 9 4 0 年德国人发明了螺杆直射注射 法“1 ；为了改善为了增大注射压力和速度，能够注