（机械设计及理论专业论文）曲肘式合模机构的结构参数优化.pdf

摘要 曲肘式合模机构的结构参数优化 摘要 注射成型是聚合物加工的主要方法之一。无论是中小型注射成型机还 是大型注射成型机，都要求具有较大的行程比和力的放大倍数，这不仅可 以获得最大的模板平均速度，而且可以省力，降低能耗。优化设计方法改 变了以往注射成型机设计中凭经验、靠类比以及近似计算等不准确的设计 方法，还可将设计人员从繁琐的计算及辅助工作中解放出来，并为注射成 型机的c a d 奠定基础。 在此背景下，本课题利用机构学的方法对目前注射成型机合模机构中 应用最广泛的双曲肘五支点斜排合模机构进行了运动和力学特性分析，系 统地建立了运动及力学模型，包括模板行程、油缸行程、行程比、速度变 化系数、力的放大倍数、合模力、临界角、系统刚度、合模油缸推力等， 并在此基础上对合模力为2 0 0 0 的合模机构进行了优化设计。 在对肘杆合模机构进行优化设计时，分别将多目标函数中力的放大倍 数和行程比作为目标函数，而将其余的目标函数变换为约束条件。选用外 惩罚函数法进行优化，利用t u r b oc 和s u a lc + + 软件编制优化程序，对 肘杆合模机构进行了优化设计。通过优化前后的结果相比较发现，行程比 增加1 0 1 ，力的放大倍数增加8 9 。从优化结果看，优化后的行程比 和力的放大倍数都有明显提高，从而提高了合模机构的运动及力学性能， 这将使注射成型机以最低的能耗获得最高的效率。 根据计算程序，分别对合模机构中的主要结构参数( 包括形状角、斜 t 北京化工大学硕士学位论文 排角以及杆长比等) 对机构力的放大倍数和行程比等的影响进行分析，得 到了相对应的变化关系，为合模机构的设计提供了依据。 通过前面推导的计算公式，利用v s 2 0 0 3 软件编制通用的可人机对话 式的计算程序，通过这些程序可以大大地减少工程设计人员的计算量。最 后利用u g 软件建模、绘制出主要的零部件三维图，再进行整体装配。通 过该项工作，可以为合模机构的设计人员提供更直观的参考资料。 本论文的完成为对双曲肘五支点斜排列合模机构的优化设计提供了 较好的理论模型和优化方法。 关键词：注射成型机，合模机构，优化设计，注射成型 l i 摘要 o p t i m i z a t o nd e s i g nf o ri n s t r u c t u r e p a r a m e t e r so ft o g g l e c l a m p i n gu n i to fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gi so n eo ft h em a i nm e t h o d sf o rp o l y m e rp r o c e s s i n g w h a t e v e rt h e ya r em e d i u m s c a l e ，s m a l l - s c a l eo rl a 玛e s c a l ei 坷e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e s ， a l lo fm a c h i n e sr e q u i r e 1 a r g e rr a t i oo fs t r o k ea n dt h ef o r c e a m p l i f i c a t i o n ，w h i c hw o u l dn o to n l yo b t a i nm o u l dm a x i m u mb o a r da v e r a g e v e l o c i t yb u ta l s ol o wt h ee n e 玛yc o n s u n l p t i o n s w a y so fo p t i m i z a t i o nd e s i g n c o m p l e t e l yc h a n g ep r e v i o u sd e s i g n i n gw 妁，s w h i c hr e l yo ne x p e r i e n c e ， a n a l y s i sa n d 印p r o x i m a t ec a l c u l a t i n g ，e m a n c i p a t ed e s i g n e r sf 而mt h eh a m w o r ka n dl a yaf o u n d a t i o no nc a d o f 蝎e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e i nt h i sa r t i c l e ，a na n a l y s i so fm o t i o n a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf o r o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ro b l i q u ef i v eh i n g ej o i n t d o u b l et o g g l ec l a n l p i n gu n i t o fi n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei sm a d eb ys t m c t u r em e t h o d ，s y s t e m a t i c a l l y m a k n ge s t a b l i s h m e n to fm o t i o n a la n dm e c h a n i c a lm o d e lw h i c hi n c l u d e st h e m 0 1 db o a r ds t r o k e ，t h eo i lc y l i n d e rs t r o k e ，r a t i oo fs t r o k e ，t h es p e e dv 撕a t i o n c o e f j f i c i e n t ，t h ef o r c ea m p l i f i c a t i o n ，m ef o r c eo fc l a r n p i n g ，t h ec r i t i c a la n g l e ， t h es y s t e m a t i c a ls t i f m e s s ，t h ep u s h i n gf o r c eo fc l o s u r eo i lc y l i n d e ra n de l s e b a s e do na b o v e ，o v e r a ua n ds y s t e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nt oc l 锄p i n gu n i to f i i l 北京化工大学硕士学位论文 w h i c ht h ef o r c eo fc l 锄p i n gi s2 0 0 0 l d nh a sb e e np r o d u c e d d u r i n gt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft o g g l ec 1 锄p i n gu n i t ，a 玎叩l i 6 c a t i o no n c l a n 叩i n gf o r c ea n ds t r o k er a t i oa r er e g a 埘e da st h eo b j e c t i v e 如n c t i o ni na l l 咖l t i p l eo b j e c t i v e如n c t i o n s ， o t h e ro b j e c t i v e sm n c t i o n sa r ec o n v e r ti n t o c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s o p t i m i z e dt o g g l ec l a n l p i n gu n i tb ya d o p t i n gp e n a l t y 如n c t i o nm e t h o dt oo p t i m i z e ，u s i n gt u r b oca n d s u a lc + + t oo p t i m i z e p r o g r a m s a v ey o u rt i m ea n de n e 玛y c o m p a r e dw i t l lb e f o r eo p t i m i z a t i o n ， o u t c o m e so fo p t i m i z a t i o ni n c r e a s e1o 1 i nm es t r o k er a t i oa i l d8 9 i nt h e f o r c ea m p l i f i c a t i o n f r o mo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw ec a ng e ti ti so b 啊o u st h a t m o t i o n a la 1 1 dm e c h a m c a lc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e ni m p r o v e da c c o m p a n i e dw i m r a t i oo fs 们k ea n dt h ef o r c ea n l p l i f i c a t i o n s ow ew i l lg a i nt h eh i g h e s t e f ! e i c i e n c ya tac o s to f1 0 we n e r g yc o n s u m p t i o n s f m mt h ec a l c u l a t i n gf o 加m l a ，w ea d o p t e dv s 2 0 0 3s o 脚a r et ow o r ko u t i n t e r a c t i v ep r o g r 锄，w r h i c hc a n 目e a t l yd e c r e a s ew o f i 【i n gc a p a c i t yo fp r o je c t p l a n n e r f i n a l l y iu s e du gs o 腑a r et o m o d e l i n g ， a n dm 印p i n go u t t h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p ho fm 句o rp a r t s t h i sw o r kc o u l dp r o v i d ei i m l i t i v e r e f e r e n c et od e s i g n e r so fc l a n l p i n gu n i t t h ec o i n p l e t i o n so ft 1 1 i sp a p e rp r o v i d e db 酏c e rm e o r e t i c a lm o d e l sa n d o p t i m i z em e t h o d sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fo b l i q u ef i v e h i n g ej o i n t - d o u b l e t o g g l ec l 锄p i n gu n i to f 坷e c t i o nm 0 1 d i n gm a c h i n e k e yw o r d s ： i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，t o g g l ec l a m p i n gu n i t ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i n j e c t i o nm o l d i n g i v 符号说明 符号说明 彳模具开启时后模板上主销轴的位置 召模具开启时三角块上销轴的位置 c 模具开启时动模板上销轴的位置 d 模具开启时时合模缸座上销轴的位置 f 模具开启时中间销轴的位置 _ 合模机构的前后肘杆拉直成直线时后模板上主销轴的位置 召合模机构的前后肘杆拉直成直线时三角块上销轴的位置 c 合模机构的前后肘杆拉直成直线时模板上销轴的位置 d 合模机构的前后肘杆拉直成直线时合模缸座上销轴的位置 ，合模机构的前后肘杆拉直成直线时中间销轴的位置 厶后肘杆的长度 厶前肘杆的长度 厶召，f 点之间的长度 厶中间连杆的长度 厶曰，d 点之间的长度 口合模机构的斜排角 最大启模角 厂肘杆厶和肘杆厶夹角 北京化工大学硕士学位论文 口杆厶和前后肘杆成直线时的夹角 杆厶与水平的夹角 伊连杆厶与水平的夹角 开模位置时连杆厶与水平的夹角 q 十字头高度 日后支座半开距 瓯合模油缸活塞行程 瓯动模板行程 j j l 拉杆间距之半 d 销轴的直径 尼后肘杆的宽度 临界角，表示模具刚闭合时后肘杆与前、后肘杆伸直时后肘杆的夹角 后肘杆的最大后摆角 眙行程比 m 力的放大倍数 乞合模力 乞最大合模力 系统变形力 油缸推力 圪油缸活塞杆移动速度 圪动模板移动速度 e 速度比 t 拉杆长度 x i i 符号说明 心拉杆伸长变形量 厶受压零件总长度 必受压零件变形量 石前模板弯曲变形量 以动模板弯曲变形量 石后模板弯曲变形量 动模板加速度 q 前肘杆刚度 g 后肘杆刚度 q 前模板刚度 q 动模板刚度 g 后模板刚度 q 模具刚度 厶。前模板厚度k l 日u 糗枚厚度 厶：动模板厚度 厶，后模板厚度 l 模具厚度 以么点销轴的回转直径 以b 点销轴的回转直径 砟f 点销轴的回转直径 e 销轴的弹性模量 三销轴受力的接触长度 占销轴受力产生的形变 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：熊! 雹查日期：兰塑：童 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：熊丕查日期：兰堡! ：墨2 导师签名： 么釜二幺12 豆日期：左竺鲥：；至 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 注射成型是聚合物加工的主要方法之一。注射成型技术自18 6 2 年发明到现在已 经经历了巨大的发展，无论是在注射成型机还是工艺方面都己取得了相当的成就。注 射成型是塑料的主要成型方法，其生产效率高，能成型外形复杂，尺寸精确或带嵌件 的注射制品，对各种塑料的加工适应性强。因此广泛地应用于国防工业，航空，交通， 电气，机械，建筑，农业，文教，卫生，日用品等各个领域【l 4 ，2 4 1 。 影响注射成型制品质量的因素包括影响注射成型制品质量的主要包括四个因素： 成型工艺条件、塑件收缩率、塑件结构设计与模具因素及设备状况。其中，成型工艺 条件包括注射温度、注射压力、成型周期；塑件收缩率包括热胀冷缩、因弹性回复造 成的收缩、由分子定向缓和造成的收缩；塑件结构设计和模具因素包括塑件设计、模 具结构、模具制造精度；设备状况包括设备的精度、锁模方式、分段注射及调整工艺 条件功能的好坏、注射速率的调整、注射成型周期中动作的连续性和稳定性【1 3 】。 注射成型设备是影响注射成型制品质量的关键因素之一。注射成型设备直接影响 制品的质量和成型效率。通过不断的研究，注射成型机得到了很大的发展。注射成型 机主要由塑化注射系统、合模系统、液压系统、控制系统等部分组成。 合模机构是注射成型机的一个重要组成部分。合模机构所要求的基本作用是能闭 合模具，并在模腔内注入高压物料时仍能保持模具的闭合状态，以及成型完毕时能克 服制品对模具的附着力而打开模具。此外，还要求合模装置有如下功能：为缩短成型 周期，模具应可高速开关，为保护模具的构型，在闭合前的一瞬间，可低速关闭；为 保护制品，从闭合状态开启时，可低速打开及在制品脱模时可顶出制品。 合模机构主要由导柱( 又称拉杆) ，固定模板，调模装置，顶出装置和传动装置 等组成。合模机构的基本形式分为机械式，液压式和液压机械组合式三大类。而双曲 肘内卷式合模机构是目前注射成型机上应用最为普遍的一种合模机构。它是由合模油 缸和两个对称的曲肘连杆机构组成的，由于启闭模时曲肘带动连杆机构内向卷曲，故 称双曲肘内卷式合模机构，它比单曲肘有较好的运动特性、动力特性和系统刚性【3 】。 优化设计是将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助电子 计算机的高速度运算和逻辑判断能力，从满足设计要求的一切可行方案中，按照预定 的目标，自动寻优的一种设计方法。过去合模机构主要靠测绘、类比、经验设计法， 参照已有的合模机构的尺寸比例和结构进行设计，在这种情况下所获得的机构各参数 不可能为最佳组合，也不可能满足多个目标的性能要求，这在一定程度上降低了合模 机构的实用价值。特别是在系列化设计中，不能保证整个系列的机器性能一致，设计 北京化工大学硕士学位论文 水平不易提高【1 4 l9 l 。 注射成型机机械合模机构的连杆机构较为复杂，为保证较佳的行程放大比和力放 大比( 行程比和力的放大倍数分别增加，这将提高增力机构的运动及力学性能，使注 射成型机以最低的能耗获得最高的效率) ，设计时需采用优化方法，并需要对机构的 特性进行分析及干涉检验；另外，由于合模力较大，各模板和拉杆的局部因应力集中 而发生断裂现象，因此又需对其进行有限元分析，以避免在生产中发生意外事故，这 就要求设计人员要有比较高的理论分析能力和实践经验。如何让设计人员摆脱程序式 的反复试算和修改设计图纸，并可以直观地分析判断设计结果，这是困扰设计人员多 年的难题。开发该类机构的设计软件意在解决这个问题，让设计人员能在良好的界面 引导下，方便地开展机构的优化设计与特性分析、机构运动模拟与干涉检验以及主要 零件的有限元分析，实现快速完成图纸设计的目的，并可把设计中积累的经验保存下 来，以进一步降低往后再设计的难度【4 引。 1 2 国内外相关课题研究现状 在注射成型机合模机构的三大类型中，五孔斜排双曲肘式合模机构是应用最为广 泛的一种结构型式。目前国内外4 0 0 吨以下的中小型注射成型机大量采用此种结构， 甚至有的用在合模力为3 6 0 0 吨的大型注射成型机上。此种结构的特点是承载能力高， 结构紧凑，运动性能良好，力的放大比大，省能，有一定的行程比，刚性足，从而可 靠地保证在注射过程中不易产生胀模现象，保证产品质量和工作效率。 由予双曲肘合模机构具有行程比、力放大比大，运动特性较好，机构紧凑，油路 简单，工作可靠，成本较低等优点，在生产中得到广泛应用。但由于其设计参量多， 还涉及到有关几何学、运动学及动力学的许多问题，以及机台结构存在的许多干涉条 件和相互制约等问题，随着合模力的增大( 尤其在1 0 0 0 k n 以上的大型机) ，其设计难 度也随之增加。对于肘杆式合模机构的设计一般需要满足下列要求【l 巧】： ( 1 ) 有较大的增力倍数，可以同等的油缸推力实现较大的合模力； ( 2 ) 有良好的速度特性，确保运行平稳； ( 3 ) 有较大的速度，以求高的效益； ( 4 ) 有适宜的强度刚度，不易形成注后胀模； ( 5 ) 有较短、紧凑、质量轻的结构。而这些要求，都与诸多的肘杆机构设计参数有 关。 1 2 1 注射成型理论的研究睁埘 在挤出理论研究方面做出开拓性贡献的是d 锄e 1 1 m 0 1 ，他在1 9 5 6 年以固体间磨 2 第一章绪论 擦的静力平衡为基础建立了固体输送理论。徐敬一等人以该理论为基础，并引入螺杆 后退速度，建立了注射螺杆固体输送的物理模型和数学模型。 1 9 7 1 年，d o n o v a l l 在实验研究基础上，提出了往复螺杆式注射成型机瞬态熔融理 论模型，成为注射螺杆设计的理论依据。 在熔体输送理论方面，目前仍以挤出螺杆的熔体输送理论作为定性分析和近似计 算注射螺杆塑化能力的理论依据。s t e l l e r 和王喜顺等人考虑了螺杆后退速度以及背压 的影响对此进行了理论修正。 由于注射螺杆在塑化过程中一边转动一边后退，造成熔体温度分布不均匀，结果 影响制品的外观质量，力学性能及尺寸精度。因此，注射螺杆塑化过程能否提供温度 分布均匀的熔体受到人们的关注。k a m a l ，a m a n o ，d o n t u l a ，v c 而m a k 等人就螺杆几何 结构，螺杆转速，注射压力，背压以及成型工艺条件等对熔体温度分布的影响进行了 实验研究，从而得出了熔体温度的轴向分布规律以及三维熔体温度分布规律。 2 0 世纪5 0 年代初期，s p e l l c e g i l m o r e 利用圆盘型模腔及可视化手法，提出了等 温充模模型，创立了充模过程的可视化研究方法，并发表了充模过程的开创性文献。 2 0 世纪6 0 年代，b a l l m a i l 等人研究了矩形薄壁模腔的充模模型，同时还提出了 注射充模过程中的分子取向理论。r o s e 提出了充模过程中用于描述熔体流动前缘区流 动的喷泉效应模型。p e a r s o n 提出了矩形型腔和圆盘模腔的非等温充模模型，并提出 了一系列的模拟和数值分析方法。 2 0 世纪7 0 年代，h 州等人把能量方程应用于矩形模腔的研究，创立了下一维半 稳态充模模型。w l l i t e 和k 锄a l 等人开始研究窄缝模腔的二维流动问题。 2 0 世纪8 0 年代，k a m a l l a f l e u r 对二维流动充模过程中的熔体压力，速度和温度 分布进行了计算机模拟研究。m a v r i d i s 则对二维喷泉流动进行了计算机模拟研究。 进入2 0 世纪9 0 年代，计算机模拟熔体充模流动得到了进一步发展，且研究的内 容更加多元化，所用的数值方法也更加严密。x i a o s h i i i n 应用边界元分析方法对注射 喷泉流动引起的分子取向进行了计算机模拟。g a o 和k 锄a l 等人根据矩形模腔中压力 分布，研制出充模过程中自动动态调节的反馈控制系统。而模具充模过程分析的计算 机软件，如c f l o w 和m o l d n o w 等也得到了广泛的应用。充模过程的研究已成为注射 理论研究中最为活跃的领域。 2 0 世纪7 0 年代，k 锄a l k e n i n g 等人对半圆形模腔进行研究，首次把传递现象引 入保压阶段，建立了半圆形模腔保压阶段的连续性方程，动量方程和能量方程。k 锄a 1 等人建立了适用于矩形模腔的保压过程理论，考虑了聚合物熔体的可压缩性，推导出 一个非线性压力偏微分方程，从而得出模腔的压力分布规律。 2 0 世纪8 0 年代，c h u n g r y a i l 等人发展了k a n l a l 模型，用数值求解并提出了平均 速度场的分布规律。 2 0 世纪9 0 年代，y u 等人研究了注射制品密度变化规律。f r i e d l e 等人通过实验， 北京化工大学硕士学位论文 分析了各种加工参数与制品不同位置的密度之间的关系。n g u y e n 等学者根据摄动法 原理对非牛顿流体进行润滑近似，建立了保压阶段的二维粘弹流体的控制方程，并分 析了薄壁模腔内的压力和应力分布。 冷却阶段模腔压力变化过程十分复杂。g r e e n e r 研究了矩形模腔中的冷却问题， 并得到模腔压力变化规律的经验方程。k 撇a 1 k e n i n g d i e t z 等研究者研究了结晶型塑 料在冷却阶段的结晶行为。 1 2 2 肘杆式合模机构优化设计的理论研究n 鼠1 7 。嘲 2 0 世纪8 0 年代以来，对于肘杆机构的优化设计已有多种文献介绍，但仔细分析 不同程度存在着注重优化方法的验证，忽视工程上的实际应用。具体表现在： ( 1 ) 不考虑机构的运动摩擦条件( 如运动自锁摩擦阻力等) ； ( 2 ) 不讨论机构的合理刚度确定、分配以及销轴等受力构件的变形计算； ( 3 ) 对优化设计中的目标函数缺少细致讨论，多少带点随意性和人为的干预； ( 4 ) 多次引用对某个己知机构进行优化，以此证明优化方法的有效。如对无此类似 结构的设计( 特别是大型机或开发新机) 就很困难； ( 5 ) 肘杆机构形式多样( 如排列形式、杆件数目与形状等) ，其干涉条件也各异，所 以文献所列之例，并非其它形式都能适用。 1 2 3 肘杆式合模机构的运动特性分析及优化设计 设计肘杆机构时，经常希望机构在保持模板行程要求的前提下，所占据的轴向位 置尺寸要小，机构具有较高的运动速度和平稳变速以及大的力的放大能力，而这些要 求与机构的几何尺寸和位置有密切的关系。机构的运动分析主要讨论肘杆机构的几何 尺寸及位置与模板行程及其速度之间的关系。符合合模机构运动特性和力学特性的计 算公式的正确表达和实用性显得相当重要，这关系到合模机构的合理设计和优化设计 中数学模型的建立和设计周期的缩短。近年来有不少学者在详细分析了注射成型机合 模机构的运动特性及其影响因素，建立适当力学模型的基础上，确立某一目标函数， 采用现代设计的理论与方法对塑料注射成型机的合模机构进行了优化设计。 国内有不少关于肘杆式合模机构的运动特性和力学特性分析，在2 0 世纪8 0 年代 末就有研究者对这方面做了相关的研究，采用现代设计理论和方法对注射成型机双曲 肘合模机构进行了理论研究，建立了符合工程实际应用的双曲肘五支铰合模机构设计 理论模型，并应用复合形法原理和f o i 盯r a n 语言编制了完整的计算机优化设计程序 【3 l ，3 2 】。详细分析了注射成型机五孔斜排曲肘式合模机构运动特性及其影响因素，并对 机构的合模速度曲线进行优化设计，以求在保证模板尺寸及动模行程不变的条件下， 4 第一章绪论 其在整个运动过程中运行平稳，同时使机构的力放大倍数和行程比匹配较合理【4 h 5 1 。 还有的文献中把速度传动比的设计作为首先研究的问题，然后考虑与此相关的问 题。肘杆合模机构的速度传动比性能，特别在开模启动点处，由于肘杆合模机构本身 固有的特点，其速度传动比性能，主要由机械机构的本身解决，液压系统驱动功率的 调节很难达到理想的效果。提高肘杆合模机构的性能，主要是提高肘杆合模机构速度 传动比的性能。全电动注塑机的开发中，为减小合模伺服机构的推力达到降低制造成 本，广泛应用肘杆合模机构的特点为增力比大、行程比小的肘杆机构【4 6 】。 大量文献中研究了从合模机构的强度和刚度要求出发进行注射成型机五孔斜排 合模机构优化设计的方法。提出了等功效系数法的概念，并介绍了它在优化设计中的 应用。由于综合处理强度和刚度，并简化处理目标函数，既达到了优化搜索方案的目 的，又降低了编程难度，缩短了计算机运行时间，且能得到整个合模机构的结构尺寸 4 8 5 0 1 。 文献中也有针对注射成型机机械合模机构，以自动化设计为目标，集成数据管理、 机构参数优化与特性分析、三维运动模拟、有限元分析和零件库的软件开发【4 7 】。还有 研究者采用不同的算法来对机构进行优化，比如选用遗传算法、模拟退火算法等，通 过比较分析，选用最优化算、法【3 6 弓1 7 1 。 从文献中不难发现，大量的研究都是围绕着力的放大倍数、模板行程比、速度比 等几个方面进行优化，区别在于，针对不同形式的合模机构，选用不同的优化目标， 采用不同的优化算法，不同的约束条件，得到不同的优化结果，然后对结果进行分析 比较，得到更为合理高效的优化方案。 综上所述，有关注射成型机肘杆式合模机构的运动特性和力学特性及其优化设计 的研究有近三十年的历史，众多学者通过各种途径对这个课题进行了多方面的研究， 鉴于以上研究内容，有如下不足： ( 1 ) 合模机构的力学模型不够完整：以往优化设计中，绝大多数只对机构的行程比， 力的放大倍数，最大模板行程或机构总长进行优化设计，得出的结果只是机构自身的 尺寸参数，而并未考虑机构的强度及刚度问题。近期的优化设计，在初始化设计中， 考虑了机构的强度及刚度问题，但也未考虑合模油缸推力这一关键问题。 ( 2 ) 合模机构力的放大倍数表达式不够准确：以往的优化设计中，力的放大倍数表 示为后肘杆角度变化量的关系式。但由于其基准选择不当，导致力的放大倍数表达式 不够准确。这将影响到最后的优化结果。 ( 3 ) 模板强度及刚度计算误差较大：合模机构设计中，系统刚度的确定即是重点也 是难点，它包括了合模机构中所有受力构件的力学计算问题，而其中模板的强度刚度 计算最为关键。以往设计中，系统刚度力学模型是单曲肘结构型式的模型，并且将模 板简化为简支梁进行力学计算，所得结果偏于保守，误差也较大。 因此，希望通过本课题的研究： 5 北京化工大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统准确地建立五孔斜排双曲肘合模机构的力学及运动学模型，包括力的放大 倍数，系统刚度，临界角，合模油缸推力，行程比以及模板移动速度等。 ( 2 ) 应用优化方法，在计算机上对合模机构进行设计，替代传统的经验，类比，试 算，近似公式以及作图等设计方法。 ( 3 ) 力求合模机构的结构尺寸更加合理，从而提高合模机构的力学及运动学性能。 ( 4 ) 为合模机构的模块化设计及c a d 奠定基础。 本文在系统准确地建立五孔斜排双曲肘合模机构的运动及力学模型的基础上，突 破了传统的设计方法，采用现有的设计软件，对e c 2 0 0 注射成型机合模机构进行全面 的优化设计计算。即可将设计人员从繁重的辅助工作中解放出来，又可获得满意的结 果，而且也为注射成型机c a d 奠定了基础。 1 3 本论文的内容概述 通过查阅大量文献，制定工作方案。从整个研究工作上来看，本课题主要是针对 双曲肘五支点斜排列合模机构的研究工作中三个相关部分而展开，即：双曲肘五支点 斜排列合模机构的运动学与力学分析、双曲肘五支点斜排列合模机构的结构参数的优 化建模分析、双曲肘五支点斜排列合模机构结构参数的优化设计，主要的研究内容包 括以下几个方面： 1 ) 双曲肘五支点斜排列合模机构的理论分析：详细分析双曲肘五支点斜排列合 模机构的运动和力学特性，包括肘杆机构的几何尺寸及位置与模板行程及其速度之间 的关系，以及力的放大比等，再根据机构运动原理推导出了合模机构运动特性和力学 特性的相关计算公式，所得到的计算公式为注射成型机双曲肘五支点斜排列合模机构 的合理设计和优化设计建立相应的数学模型提供了理论基础。 2 ) 合模机构结构参数优化设计的建模分析：详细介绍了有关求解约束问题的方 法，确定本课题利用计算机编程来解决约束求解问题，并确定选用t u r b oc 和v i s u a l c + + 来进行优化程序开发；然后通过比较分析确定合模机构的优化设计参数，并确定 分别以追求大的力的放大倍数和大的合模行程比作为目标函数，然后根据机构运动条 件及设计经验确定目标函数的约束条件；通过对优化方法的对比与选择，最终确定选 用外惩罚函数法作为计算机优化算法；最后通过分析机构运动确定了合模机构的结构 参数优化的数学模型。 3 ) 双曲肘五支点斜排列合模机构结构参数优化设计：结合第四章建立的优化设 计数学模型，详细介绍了利用t u r b oc 和v i s u a lc + + 进行优化程序的编制与调试过程 并得到优化结果，比较并分析了优化前后的结果，并对双曲肘五支点斜排列合模机构 的结构参数的变化与机构力的放大倍数和行程比等的影响进行分析，得到了相对应的 变化关系。 6 第一章绪论 在课题的后期工作中，利用v i s u a lc + + 编制了合模机构的有关计算程序以及人机 对话界面，方便设计人员的设计计算；最后利用u g 软件对双曲肘五支点斜排列合模 机构进行了三维建模并装配出合模过程各个阶段的关键画面。 7 北京化工大学硕士学位论文 第二章注射成型及注射成型机合模机构概述 2 1 注射成型及其设备的发展及应用2 ”1 】 在目前四大材料体系( 木材、硅酸盐、金属和聚合物) 中，金属和聚合物是当今材 料体系中应用最多的两类材料，聚合物材料中尤以塑料应用最多、最广。2 0 0 7 年，全 球年塑料消费量达2 4 亿吨，年增长达4 0 左右；中国每年消费塑料4 0 0 0 多万吨， 今后几年内仍将会以最低8 的速度增长。中国塑料工业己形成较完整的行业体系， 成为与钢材、水泥、木材并驾齐驱的新型基础材料产业，其应用领域已远远超越上述 三大产业。目前注射制品的产量占总塑料制品的3 0 以上。塑料注射成型机( 简称注 射成型机) 是将热塑性塑料或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型设备。加工范围 从几克甚至几毫克的手表、仪表小齿轮、激光唱盘、微电子元件等，到几千克的电视 机、音响、空调及洗衣机外壳，再到上万克的浴缸、桌椅、赛艇船体。注射成型机是 一种集成度很高的机电液一体化设备，其技术含量在很大程度上反映一个国家的机 械、电子、液压等基础工业的水平。 注射成型是一种以高速高压将塑料熔体注入到己闭合的模具型腔内，经冷却定 型，得到与模腔一致的塑料制品的成型方法。注射成型与其它方法相比具有一些明显 的优点：能一次成型外形复杂、尺寸精确可带有各种金属嵌件的塑料制品；可加工的 塑料种类繁多，几乎可以加工所有的热塑性塑料、热固性塑料和弹性体；成型过程自 动化程度高，生产周期短，生产率高等。 早在1 8 4 9 年，德国的s t u r g i s s 就发明了赛璐璐注射成型机。最初主要用来加 工纤维素硝酸脂和醋酸纤维一类的塑料。1 9 2 2 年德国正式用热塑性塑料为原料生产注 射成型制品。1 9 3 2 年德国f ra n z b r a u n 工厂制造了第一台现代型注射成型机 全自动柱塞式卧式注射成型机。4 0 年代以后，由于石油化学工业的发展，促进了塑料 工业的发展。其中热塑性塑料无论在品种或是数量方面，增长都很突出，这要求发展 相适应的加工技术和机器设备。l9 4 8 年将螺杆挤出机用作注射成型机的预塑化装置， 并于1 9 5 6 年出现了世界上第一台往复式螺杆注射成型机，其在本质上已经有了今天 的注射成型机的所有重要特征。在我国，塑料工业及其成型机械工业都是新兴的工业 部门，注射成型机又是塑料加工机械中属于比较复杂和精密的机器。解放后不久，我 国就建立了自己的塑料机械工业和生产注射成型机的专业机械厂。1 9 5 8 年生产出我国 第一台液压传动的全自动柱塞式注射成型机。1 9 6 5 年我国自行设计的x s z y 螺杆式 注射成型机问世，并出口外销。目前，我国已成为注射成型机制造的大国，但集中于 中、低端产品，还不是注射成型机生产的强国。 通用型注射成型机主要包括注射装置、合模装置、液压传动系统和电器控制系统。 第二章注射成型及注射成型机合模机构概述 其中注射装置的主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将 一定量的熔料注射到模腔内。合模装置是保证成型模具可靠的闭合和实现模具启闭动 作，即成型制品的工作部件。由于注射成型是由塑料熔融、模具闭合、注射人模、压 力保持、制品固化定型、开模取出制品等工序所组成的连续生产过程，液压传动系统 和电器控制系统则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求( 压力、速度、温度、 时间_ ) 和动作程序，准确无误地进行工作而设置的动力和控制系统。 2 1 1 注射成型过程嘲 注射成型是将聚合物的粒料或粉料从加料斗加入注射成型机的料筒内，经过加热 和螺杆的剪切，使物料塑化、计量，用螺杆将塑化好的物料注入低温模腔中，经冷却 定型得到形状和模腔一致的塑料制品。注射成型过程是一个周期性的循环过程，主要 由合模和锁模、注射座前移和注射、保压、制品冷却和预塑、注射座后退和开模顶出 制品等动作过程组成。 合模和锁模过程：合模过程是一个注射成型周期的开始，模具首先以低压快速进 行闭合，当动模与定模快要接近时，合模系统切换成低压低速合模，最后切换成高压 对模具进行锁模。 注射座前进和注射：合模后，注射座前移，将喷嘴与模具紧贴。此后，螺杆以一 定的速度和压力将料筒内的塑化好的熔体注入到模具内成型制品。 保压过程：当熔体注入模具后，由于低温模具的冷却作用，模腔内的熔体便开始 收缩。为了获得致密的制品，注射后继续对熔体施加一定的压力对制品进行补缩。 制品冷却和预塑过程：当保压进行到模腔内的熔料失去从浇口回流的可能性，即 浇口封闭时，卸去保压压力，使制品在模腔内逐步冷却定型。为了提高生产效率，在 冷却的同时，螺杆旋转塑化为下一次的注射作储料准备。 注射座后退和开模顶出制品：当螺杆塑化完结束，为避免出现长时间冷却导致冷 料等现象，需将注射座后退。目前注射成型过程中一般不进行这一步动作。当模具内 的制品冷却定型后，模具开模，顶出机构将模腔内的制品顶出。然后模具闭合，开始 一个新的循环周期。 2 1 2 注射成型原理5 1 1 注射成型基本原理就是利用塑料的可挤压性与可模塑性，将粒状或粉状塑料通过 高温的料筒内加热( 包括剪切生热和外部加热) 熔融塑化，使之成为黏流熔体，然后 在柱塞或螺杆的高压推动下，快速通过料筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具 中，经过保压冷却定型后，开模从型腔中顶出具有一定形状和尺寸的塑料制品，过程 9 北京化一i ：大学硕十学位论文 如图2 1 所示。不同于挤出成型的连续生产特性，注射成型的生产具有间歇性、周期 性的特点。注射成型主要有合模、注射、保压、塑化、冷却定型及脱模顶出等步骤， 总体上可以划分为预塑计量、注射充模和冷却定型三大过程。 预塑计量过程：预塑计量过程就是将固体粒料或粉料通过螺杆机筒及外加热的作 用下逐步压实、混合，从玻璃态转变为均化的粘流态熔体的过程。所谓均化是指聚合 物熔体组分均匀、密度均匀、粘度均匀和温度分布均匀。只有连续均化的熔体才能保 证注射充模过程中具有良好的流动性。良好的塑化质量为得到高质量塑料制件提供了 可能。在这一过程进行的同时完成计量程序。计量是指将塑化好的熔体定温、定压、 定量地输出料筒所进行的准备工作。计量精度越高，获得高精度制件的可能性越大。 注射充模阶段：注射充模过程即是将塑化均匀存储于料筒内的熔体，以一定的 注射速度和注射压力通过喷嘴、模具流道和浇口注入到模具型腔内的过程。这一过程 主要有三个阶段：注射充模阶段、保压补缩阶段和倒流阶段。注射充模阶段是指螺杆 推进熔体开始，到模具型腔注满为止，是一个体现熔体速度的过程。保压补缩阶段则 是从型腔充满开始到浇口封冻为止。即注射后要继续维持一定的压力，对型腔内的熔 体继续进行压实，同时向型腔内压入一定量的熔体来补偿因冷却造成的熔体收缩。保 压的目的一是防止型腔内物料在浇口凝固前产生倒流；二是充分压实型腔中的物料， 降低其收缩率，提高强度；三是补充因为收缩而造成的型腔内物料体积的变化，确保 形状尺寸的稳定。保压过程是一个体现压力的过程。倒流阶段是指柱塞或螺杆倒退时， 型腔内的熔体向浇口倒流的阶段，持续到浇口封冻为止。 冷却定型过程：冷却定型过程是从浇口冻封开始至制品脱模为止。保压压力撤除 后，模腔中的熔体温度逐渐降低，一直降到脱模温度为止，使制品具有足够的刚度能 从模腔中脱出。这一过程是一个典型的热传导过程，没有熔体流动，因此温度是主要 的表现。对于薄擘制晶，一股将其中心层温度降低到玻璃化转变温度以下所需的时州 称为冷却时间。在冷却定型过程中，熔体没有流动，模腔内的温度和j 卡力逐步下降减 少。 a c b d 第一二章注射成型及注射成型机合模机构概述 e f 图2 1 注射成型机理 a 合模b 注射c 一保压d1 颦化e 一顶出f 一开始卜一个周期 f i g 2 1p r i n c i p l eo fi n j e c t i o nm o l d i n g a c l a m p i n gb i n j e c t i o nc h o l d i n g d p l a s t i c i z i n ge e j e c t i n g f - s t a r tf i o rn e x tc y c l e 2 1 3 注射成型机的构成n 1 注射成型机是将熔融塑料在模具内成型制品的设备，为了实现这项功能，注射成 型机需有相应的装置。为完成注射成型，注射成型机必须具备塑化，注射和成型三个 基本功能。为实现基本功能，注射成型机由以卜- ，l 个部分构成如图2 2 示： ( 1 ) 注射系统：主要作用就是将塑料均匀塑化，并住高压和高速f 将熔体注入到模 腔内；注射充模后，对型腔保持定的压力直到制品冷却定型。一般的注射系统主要 由塑化装置、驱动装置、计量装置、喂料系统、注射和移动液压缸等组成。塑化装置 主要由料筒和螺杆组成，螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环；驱动装置主要由减速 装置、驱动电机或油马达组成。注射系统应该具有良好的塑化性能、计量精准等特点。 ( 2 ) 合模系统：主要作用就是固定模具，保证模具可靠的启闭及足够的锁模力防止 出现开缝胀模溢料的现象，而且能够将制品从模具内顶出。一般合模机构主要由模板、 拉杆、调模机构、肘杆机构、移模液雎缸、锁模液压缸、巧i 出机构及其它辅助设备等 组成。 ( 3 ) 加热冷却系统：对机筒及喷嘴加热，对模具及液压油冷却。 ( 4 ) 液压系统：液压系统为注射成型机的各种执j j ：机构提供所需要的压力和速度， 保证注射成型机各机构能够准确的执行设定的动作程序