往复螺杆式注塑机注射系统设计.docVIP

目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1研究的目的及意义11.2研究内容11.3注塑机的现状11.4需要解决的问题22 总体方案设计42.1柱塞式注射装置42.2螺杆预塑式注射装置52.3往复螺杆式注射装置52.4方案的选定63主要零部件设计73.1塑化装置的设计73.1.1螺杆设计73.1.2料筒的设计103.2传动装置的设计113.2.1单级圆柱齿轮减速器的设计113.2.2轴的设计计算173.3注射装置的设计193.3.1喷嘴的设计193.3.2螺杆最大行程计算203.3.3液压油缸的直径计算203.3.4注射力计算204结论22参考文献23致谢24往复螺杆式注塑机注射系统设计摘要本文根据给定的设计参数介绍了一种往复螺杆式注射系统的设计，所设计的注射系统包括传动装置、塑化装置、注射装置三大部分。传动装置采用了单级齿轮减速器和三相异步电动机满足设计要求，塑化装置采用了三级变径螺杆与料筒结合完成对坯料的塑化，注射装置采用了单向液压缸与往复螺杆结合，由液压缸活塞推动螺杆完成注射过程并在下一循环的塑化过程中自动完成螺杆的退回。所设计的装置具有结构简单、性能可靠、制造容易的特点。关键词：注塑机；注射系统；往复螺杆式 Design of The Injection System of Reciprocating Screw Type Plastic Injection MachineAbstractThe design according to the given design parameters describes a reciprocating screw injection system design, the design of the injection system includes gear, plastics unit, injection unit of three parts. Transmission using a single-stage gear reducer and the three-phase induction motor to meet the design requirements, plasticizing device uses three adjustable screw and barrel combined with the completion of the blank plastics, injection device using one-way hydraulic cylinder and reciprocating Screw combination of hydraulic cylinder piston driven by the injection screw to complete the process and in the course of the next cycle of the plasticizing screw back automatically.The design of the device has a simple structure, reliable performance, easy to manufacture characteristics.Keywords: injection molding machine; injection system; reciprocating screwI青岛农业大学海都学院本科毕业论文（设计）1 绪论1.1研究的目的及意义目前注塑机发展的一个重要方向，是轻量化、节省资源、节省能源、高效率、低使用成本。往复螺杆式注塑机克服了传统注塑机结构庞大复杂，融料质量部均匀，效率低下等问题，集中体现了高新技术含量的特征1。往复螺杆式注塑机的应用，在锁模力只有传统技术三分之一时，仍可高质量的保证制品成型，使机器的体积和重量都大幅度降低，能大大提高注塑成型的效率，保证制品的精度，在节能和制品成本控制方面都具有重大意义。1.2研究内容本次设计要求从经济性、安全性、合理性几个方面考虑。以往复螺杆装置为此次的设计方案。通过所给的原始数据，以螺杆直径为出发点，采用类比设计的方法对料筒、喷嘴和减速器进行设计。所设计的装置要求结构简单、性能可靠、制造容易。本次设计主要围绕以下内容展开：传动装置设计、塑化装置设计、注射装置设计，并对设计的结构进行必要的强度设计。1.3注塑机的现状近年来，中国注塑机行业在改革开放的引导下，取得了长足的发展，也早已结束了注塑机设备基本依赖进口的时代，这主要体现在注塑机的产量以及生产厂家的数量上。国内注塑机的产量由几千台发展到十多万台，生产厂家由原来的四大金刚发展到现在华南、华东大小企业的百家争鸣。 从以上数据看，注塑机行业的增长速度已远远大于GDP的增速，这与老百姓生活水平的提高以及国内家电等行业的迅速壮大是密切相关的，而出口加工业飞速发展也是注塑行业高速增长的强劲推动力。从金额上看，国内注塑机的年产值数以百亿计，年出口过亿美元。全球注塑机产量最多的厂家也在中国。中国已成为名副其实的注塑机生产大国。2从注射机问世起，锁模力在1000-5000kN，注射量在50-2000g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、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TodayHot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。80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3。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，对主关原件分析，对高应力区的应力分布、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，HotTag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。1.4需要解决的问题注射成型（也称注射模塑，简称注塑）是指将注射用原料（粒状或粉状塑料）置于能加热的料筒内，受热、塑化后用螺杆或柱塞施加压力，使熔体经料筒末端的喷嘴注入到所需形状的模具中填满模腔，经冷却定型后脱模，即得到具有要求形状的制品4。注射成形的基本要求是塑化、注射和成形，为满足成形的要求，注射必须保证足够的压力和速度5。同时，由于注射压力很高，螺杆将受到很大的轴向力，因此，螺杆的设计要进行必要的强度校核；螺杆兼具传送物料与塑化的功能，因此要合理安排螺杆的结构以及不同功能段的螺槽深度。由于熔融树脂容易停滞在加热料筒内而发生热分解，因此要设计合理的塑化装置以保证熔融塑料能均匀受热，同时，为达到较大的注射压力，必须合理设计喷嘴的结构以减小压力损失。选用普通异步电动机做为驱动装置，要达到任务要求的转速，必须设计合理的传动装置，合理安排传动件的位置。为准确控制注射量，需设计计量装置，并通过行程开关完成计量的自动控制。192 总体方案设计注射装置是注射机中直接对塑料加热和加压的部分，塑料的塑化和注射都在这里进行。因此，注射装置是注射机的一个非常重要的组成部分。注射装置在注射成型工艺过程中，应能均匀加热和塑化一定数量的塑料；并以一定的压力和速度将熔料注入模腔；保压一段时间以防止模内熔料的反流，且向模内补充一部分熔料，补偿制件的冷却收缩6。注射装置主要形式有柱塞式、螺杆预塑式和往复螺杆式（简称螺杆式）。目前采用最多的是往复螺杆式，其次是柱塞式。2.1柱塞式注射装置柱塞式注射装置由定量加料装置、塑化部件、注射液压缸、注射座移动液压缸等组成。柱塞式注射装置具有以下特点：（1）塑化不均匀，提高料筒能力受到限制。由于料筒内塑料加热熔融塑化的热量来自于料筒的外部加热，且塑料导热性差，塑料在料筒内的运动呈“层流”状态，造成靠近料筒外壁的温度高，塑化快；而料筒中心的塑料温度低，塑化慢。料筒的直径越大，温度差越大，塑化越不均匀，甚至出现内层塑料尚未塑化好 ，而表层塑料已经过热分解变质的状况。对于热敏性塑料则更难于加工成型。（2）注射压力损失大。因为注射压力不能直接作用于熔料，需要经过未塑化的塑料传递，熔融塑料通过分流梭与料筒内壁的狭缝进入喷嘴，最后注入模腔，造成很大压力损失8。据实际测量，采用分流梭的柱塞式注射机，模腔压力仅为注射压力的25%50%，因此需要提高注射压力。 （3）不容易提高稳定的工艺条件。柱塞在注射时，首先加入料筒的加料区的塑料进行预先压缩，然后才将压力传递给塑化后的熔料，并将头部的熔料注入模腔。可见，即使柱塞等速移动，但熔料的充模速度却是先慢后快，直接影响到熔料在模内的流动状态。且每次加料量的不精确，对工艺条件的稳定和制品质量也会有影响。此外，料筒的清洗比较困难，但其结构简单，在注射量比较小时，仍不失其应用价值。因而，一般只用于注射量在60以下的小型注射机7。2.2螺杆预塑式注射装置螺杆预塑式注射装置是由两个料筒组成的，一个是螺杆预塑式料筒，另一个是注射料筒，两个料筒的连接处有单向阀。粒料通过螺杆预塑式料筒而塑化，熔料经过单向阀进入注射料筒8。当注射料筒中的熔料量达到预定量时，螺杆塑化停止，注射柱塞前进并将熔料注入模腔。预塑料筒中的螺杆在转动过程中不仅输送塑料，更重要的是对塑料产生剪切摩擦加热和搅拌混合作用。因此，这种注射装置的塑化质量和塑化效率比柱塞式注射装置有显著的提高。另外，由于料筒内取消了分流梭，而且进入注射料筒的是已经塑化的熔料，所以，注射时压力损失大大减小，注射速率也比较稳定，所以在连续注射或者大型注射装置上应用比较多。螺杆预塑式注射装置虽然解决了柱塞式注射装置在工作过程中的缺陷，扩大了注射量，减小了注射时的压力损失，但由于增加了一个料筒，结构比较复杂庞大。两个料筒的单向阀处容易引起塑料的停滞和分解。同时为了避免熔料泄露，注射料筒和柱塞间的配合要求比较高。因此，给制造和使用带来了一定的困难。为了克服这些缺点，在结构上做了进一步改进，产生了往复螺杆注射装置。2.3往复螺杆式注射装置往复螺杆注射装置也叫螺杆一线式（简称螺杆式）注射装置，主要由塑化部分、料斗、螺杆、传动装置 、注射座、注射座移动液压缸、注射液压缸等组成。塑化部件和螺杆传动装置等装在注射座上，注射座借助注射座移动液压缸可以沿底座的导轨往复运动使喷嘴撤离或者紧贴模具。 同时，为了便于拆换螺杆和 清洗料筒，在底座中部设有一个回转装置，使得注射座能够绕其转轴旋转一定角度。往复螺杆注射装置还有采用液压马达直接驱动型，可根据注射液压缸数目分为单缸式和双缸式两类结构 。对于双缸式液压马达随动式注射装置，螺杆和液压马达直接连接传递运动。双注射油缸放置在料筒两侧平行排列，注射时，液压马达随螺杆一起作轴向移动，故称随动式。这种形式注射装置结构紧凑，能耗低，它是恒定力矩驱动装置，当螺杆出现过载时，液压马达无法驱动，起到对螺杆的保护作用，而电动机驱动装置为恒定功率驱动装置，当螺杆过载时容易扭断螺杆9。目前普遍采用液压马达直接驱动的注射装置。2.4方案的选定往复螺杆式注射装置与柱塞式 注射装置比较有以下优点：（1）螺杆式注射装置塑化时不仅依靠外部加热器提供热量 ，而且螺杆的旋转运动不断地对塑料进行剪切摩擦，产生剪切摩擦热对塑料进行加热塑化 ，可以适当降低加热器的加热温度，因而在塑化效率和塑化质量上都优于柱塞式注射装置 。（2）注射压力损失少。因注射时，螺杆头部的塑料是 完全塑化的熔料，又没有分流梭造成的阻力，在其他条件相似的情况下，螺杆式注射装置可以采用比较小的注射压力。（3）塑化能力大，均匀性好，注射机的生产率高。螺杆还兼有对料筒壁的刮料作用，可减少塑料滞留而产生过热分解。（4）螺杆式注射装置可以对塑料就进行染色加工，而且料筒清洗比较方便。 不过，螺杆式注射装置的结构比柱塞式复杂，螺杆的设计和制造比较困难。尽管如此，因为其优点居多，所以应用十分广泛。经过比较，发现往复螺杆注射装置的优点居多，因此本次设计选用此类注射装置。3主要零部件设计3.1塑化装置的设计3.1.1螺杆设计 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩r=(c+4)=(82.210+41710)=83MPa （3-9）由于r=y/n=539/3=179MPa那么螺杆可以安全工作。其中：y-40Cr的屈服强度（MPa） n安全系数，取2.53 许用应力3.1.2料筒的设计1、料筒内径和壁厚的确定机筒壁厚既要满足强度要求，又要注意机筒结构及其对成型工艺条件的影响。壁厚过小：机筒升温快，但热容量小；壁厚过大：升温慢，热惯性大，调节温度后。根据经验一般取料筒的外径和内径之比K为22.5 螺杆与料筒内径的间隙一般取0.150.3mm。此处取0.2mm那么料筒的内径为40.4mm。当取K=2时，得到料筒的外径为80.8mm。料筒的长度应该按照螺杆的具体长度而选定。2、料筒材料的选取料筒与螺杆一起完成塑料的塑化和注射，要求其耐温、耐热、耐磨和耐腐蚀。那么材料可以取45钢内表面镀铬、氮化钢（38CrMoAl）内表面氮化处理，氮化层深度0.5 mm、碳钢内表面浇铸Xaloy合金衬里。HRC65。此处选用45钢。3、料筒强度校核应力 r=pk/(k-1)=126102/(2-1)=259MPa （3-10）=t/n=400/1.5=267MPa （3-11）r 其中：r-料筒的工作应力 （MPa） p注射压力（MPa） k料筒内外径之比，取22.5 许用应力（MPa） n安全系数，取1.52 t-45钢屈服强度（MPa）所以料筒能够安全工作3.2传动装置的设计3.2.1单级圆柱齿轮减速器的设计1、电动机的选择（1） 类型和结构构型式 在选择合适的异步电动机时，应本着实用、经济和安全的基本原则，要考虑类型、额定功率、额定电压、额定转速等四个因素。往复螺杆式注塑机在不同条件下需要选择不同的转速，同时，在注塑机启动时容易瞬间超载，故电动机功率需略大于螺杆的工作功率；根据以上条件选择Y系列三相异步电动机。（2）电动机的功率 计算电机所需功率： 查得：联轴器传动效率：0.99每对轴承传动效率：0.99圆柱齿轮的传动效率：0.97总传动效率 = （3-12）电动机所需功率 （3-13）查机械设计手册13得：单级圆柱齿轮减速器传动比则电动机转速由p=12.05kw和，选择Y180L-6电动机各参数如下：额定功率15kw满载转速970r/min额定电流31.4A,功率因数102、减速器的设计计算基本传动数据计算 电动机型号为Y180L-4，满载转速为970r/min则传动比 （3-14）计算机构各轴的转速及动力参数 （1）各轴的转速 电动机轴轴 轴 轴 （2）各轴的输入功率 轴 轴 （3）各轴的输入转矩 电机输出转矩 （3-15） 轴 轴 齿轮传动设计图3-3齿轮传动简图（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数12按图3.2所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。注塑机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。材料选择。由表10-1（机械设计）选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数z1=24，则大齿轮齿数z2=120。（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即 （3-16）1）确定公式内的各计算数值试选载荷系数Kt=1.3。计算小齿轮传递的转矩T1=选取齿宽系数=1。查表得材料的弹性影响系数ZE=1.89.8。由图齿轮的接触疲劳强度极限，查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数N1=60n1jLh= （3-17）N2=取接触疲劳寿命系数KHN1=0.95；KHN2=1.15。计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由计算公式得 2）计算试算小齿轮分度圆直径d1t，将中较小的值代入公式（4-17）中。=67.98mm计算圆周速度v。V=计算齿宽b。计算齿宽与齿高之比。模数：齿高：计算载荷系数根据v=3.45m/s,7级精度，由图10-8（机械设计）查得动载系数Kv=1.05；直齿轮，;查得使用系数.5；用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。由=10.68，查图得；故载荷系数校正所算得的分度圆直径，由计算公式得mm计算模数m。（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 （3-18）1）确定公式内的各计算数值查图得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；取弯曲疲劳寿命系数,;计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4；计算载荷系数K。查取齿形系数。 查得齿形系数；。查取应力校正系数。 查表得;。计算大、小齿轮的并加以比较。经比较：大齿轮的数值大。2）设计计算对于计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得模数2.54并就近圆整为标准值m=3.0mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=81.456mm，算出小轮齿数大齿轮齿数取3、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度取B1=85mm,B2=81mm。4、结构设计及绘制齿轮零件图如图3-4所示图3-4齿轮传动示意图3.2.2轴的设计计算因本设计中减速器并非主要设计部件所以此处只设计高速轴。1、轴的结构形式及尺寸高速轴（1轴）：（1）作用在齿轮上的力（2）初步确定轴的最小直径，估算轴最小直径，轴材料为45#钢（调质），查表得=97，于是有输出轴需要安装联轴器取 查手册选用型号为HX2的弹性柱销联轴器。公称转矩为560轴孔直径为22mm,L=52mm（3）轴的结构设计1） 轴上零件的装配方案如图3-53-5 轴上零件装配方案示意图确定各段直径：2）为了满足半联轴器轴向定位要求，-轴端左侧需制出一轴肩，故取-段的直径=24mm,右端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=28mm。半联轴器与轴配合长度52mm，-长度应小于，现取50mm3）初步选择滚动轴承由=24mm,选择深沟球轴承6205 其参数=25mm ， =15mm左端滚动轴承采用轴肩定位。6205定位轴间高度h=4mm,因此取4）取安装齿轮处轴段-V的直径 =32mm, 右端与右轴承间采用套筒定位。已知齿轮宽85mm为可靠定位取左端采用轴肩定位，h0.07d，故取h=3mm 则轴环处=38mm,轴环宽b1.4h,取=5mm5）轴承端盖的总宽度20mm 取外端面与半联轴器左端距离l=20mm 故40mm6）齿轮距箱体内壁距离a=16mm,轴承距箱体内壁一段距离s，取s=6mm，轴承宽T=15mm,则 = T+s+a+（85-81）=15+6+16+4=41mm=a+s=6+16=22mm2、轴强度的校核（1）求轴上的载荷根据轴的结构图做出轴的结构简图，确定各支撑点位置，求得：L1=75mm，L2=29.5mm，L3=65mm。根据轴的计算简图做出弯矩图和扭矩图，如图3-6。图3-6 轴的弯矩图和扭矩图从图中我们可以发现截面D是危险截面。现将计算出的截面C处的及M值列于表3-2。表3-2载荷水平面H垂直面V支反力F=1008.9N,=2564.9N=367.2N,=933.6N弯矩M=75665.4Nmm=27540.9Nmm总弯矩M=80521.8Nmm扭矩TT=Nmm（2）按弯扭合成应力校核轴的强度D截面是危险截面，因此只校核D截面的强度，根据选定材料45 钢，调质处理，查表得取=0.6，轴的计算应力，故安全。143.3注射装置的设计3.3.1喷嘴的设计1尺寸的确定由文献11可知，喷嘴直径 d=kQ1/3 （3-19）k由塑料的性能决定，对热敏性和高粘度的塑料k取0.680.8。一般性塑料k取0.350.4。Q注射速率（/s）此处k取0.8由原始数据可以知道注射速率Q=110g/s。这是相对Ps而言的。Ps的密度是1.05g/cm3。那么可以得d=0.8（110/1.05）1/3=3.8mm又由塑性成型设备9可知，可以取喷嘴的球面半径SR=15mm。2材料的选用由于喷嘴和料筒配合着工作，其所要求的性能与料筒相似。因此，在材料的选择上可以与料筒相同，即也选用45钢。3.3.2螺杆最大行程计算由 Vc=（/4）DsS （3-20）其中：Vc注射量（cm）Ds螺杆直径（mm）S-螺杆最大行程（cm）可以计算得到S=10cm3.3.3液压油缸的直径计算当注射机液压系统选用30MPa的规格时由 p=（D2/Ds2）P0 （3-21）其中：p注射压力（MPa） D-注射油缸直径(cm) Ds螺杆直径（cm） P0 注射油压（MPa）可以计算得到D=80mm3.3.4注射力计