注塑机毕业设计说明书

黑龙江工程学院本科生毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 选题背景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。它是由树脂合成，助剂生产，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，助剂生产设备，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，塑料回收与再利用设备，机头与模具制造等组成的工业体系。由于塑料工业的飞速发展，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 70 年代，出现了注塑工艺及设备。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。塑料加工准备设备主要包括有捏炼机、密闭式炼塑机、开放式炼塑机、混合机、筛选机、压片机、造粒机等；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，中空吹塑成型机，压延成型设备，滚塑成型设备，泡沫塑料成型设备；塑料二次加工设备有热成型机，复合设备，塑料圆织机，植绒机，薄膜分切机，印刷机，制袋机，扩管机，焊接机等。在成型加工中，注塑占有重要位置，其设备是注塑机。注射成型与挤出成型相比，注塑成型是周期性地生产单个制件，而挤出机是连续成型的，主要生产管、板、片、薄膜、线材等连续制品。注射成型的特点如下：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，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；注射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，获得有特殊性能、特殊用途的制品；自动化程度高，生产率高，智能化程度高，可实现“无人化” 管理。注塑制品广泛地应用黑龙江工程学院本科生毕业设计2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。1.2 选题目的及意义随着注塑技术在成型加工中广泛的应用，注塑机作为加工生产最主要的工具，其自身也不断地进行着改进，以适应市场发展的需要。本文设计的塑料注射机注射机构为塑料注射成型机的主要组成部分之一。通过分析注射系统工作原理、各部分的结构形式和尺寸等特性，解决某些机构上的问题，设计出一个较为合理的结构方案，为以后注塑机注射机构的制造提供依据，也为以后注塑机注塑系统的优化设计创造条件。1.3 塑料注注射成型机的发展概况1.3.1 塑料注射成型机的发展概况塑料注射成型机最初借助于金属压铸机的原理，并在十九世纪中叶出现的金属压铸机(1849 年 STURGISS )的基础上逐渐形成，主要用来加工纤维素硝酸酯和醋酸纤维一类的塑料。到了 1932 年，德国弗兰兹布劳恩厂生产出了全自动柱塞式卧式注射成型机，并推广和使用，成为柱塞式注射成型机的基本形式。1947 年在意大利制造了第一台液压驱动式塑料注射成型机，1948 年在注射成型机上开始使用螺杆塑化装置，并于 1956 年出现了世界上第一台往复螺杆式注射成型机，成为注射成型工艺技术方面的一项重大突破，大大提高了注射成型机的生产效率和质量，使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。后来，经过实际应用，证明往复螺杆式注射成型机是一种比较理想的加工设备，所以近几十年来，注塑机基本结构上没有很大改变，但控制水平及节能方而却不断改进，品种规格不断扩大，系列和款式更为齐全，还出现了多组份复合材料和低压普通热塑性注塑机，加工人工陶瓷材料、磁性材料、聚氨酯的低压、反应式专用注塑机发展迅速，精密和超精密注塑机也发展很决。塑料注射成型机自本世纪三十年代问世以来，在仅有 70 年的时间，得以迅猛发展和提高，成为在整个塑料机械中量大面广，最具有代表性的塑料成型设备。热塑性注塑机的型式根据锁模机构及排列的不同有直压式、肘杆式和立式与卧式之分；根据注射机构，可分为螺杆式与柱塞式两种。据不完全统计，塑料制品总量的 20-30%采用注射成型，注塑机约占塑机总产量的 35-40%左右，其中，日本注塑机占塑机总产量的 70%以上，西德占 40%左右，美国约占 30%；我国也在 54%以上。黑龙江工程学院本科生毕业设计3归结起来，注塑机的发展大致可以分为以下五个阶段:（1）20 世纪 50 年代以前，是以柱塞式注塑机为特征的第一代，其传动方式山机械发展到液压。（2）50 年代中期出现的往复螺杆式液压注射成型机为第二代，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电气元件和继电器以及开关式液压控制阀。（3）60 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量以及生产效率提出更高要求，电液伺服阀和电液比例阀(70 年代初之后)逐渐为注塑机所采用。同时，随着大规模集成电路的发展，集成电子技术和微处理机系统也逐渐用于注塑机。微机加伺服(或比例) 开环控制方式成为第三代产品的主要特征，这类注塑机产量在世界上目前占人多数。（4）1973 年世界上出现了第一台采用闭环控制的塑料注射成型机，该机可对温度、注射速度、注则压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数实现闭环控制，使控制精度大幅度提高，产品质量更加稳定。由于计算机技术和现代控制理沦的应用，又进一步发展了自适应控制的注塑机。微机闭环控制，成为第四代注塑机产品的主要特征。目前，其产量虽只占 15%左右，但这是注塑机当前最具有方向性的产品。（5）第五代注塑机采用“信息管理系统(MIS)” 或称“群检系统”，按照两级控制结构，借助专家系统以及 FMS/FMC 来实现优化工艺和群控，可明显提高生产率12-20%。随着电子技术、微机实时控制技术、液压技术和传感测量技术的发展，注射成型机控制技术也历经了四个发展阶段。其中，第一阶段的注塑机采用手动控制，大约从 1935 年到 1970 年，为注塑机控制的第二代，采用机械和继电器控制，节流阀、压力阀由手动调节，通过机械限位开关、机械开关定时器进行切换控制，对温度作简单的调节控制，在 1965 年到 1980 年间，注塑机控制进入第三阶段，由于晶体管电路的发展与应用，产生了电子控制器、数字设定、电厂定时器、接近开关及较早的行程测以系统，PID 控制仪控制温度；1978 年至今，随着微计算机价格的大幅度下降，以及微计算机的普及应用，数显技术的完善，开辟了注塑机拄制的第四阶段，微机开环控制已经普及，闭环控制技术逐步得以采用和日趋完善,控制系统采用多处理机形式，并按程序控制、过程控制和温度控制等功能进行分配。另外，配有通用接口便于与上位机实施联机控制和质量管理，现代控制理论广泛应用于预塑计量控制、成型过程控制、温度控制，接触式行程开关完全黑龙江工程学院本科生毕业设计4被近接开关和各种模拟和数字位移侧量系统代替。1.3.2 塑料注射成型机械塑化及注射机构部分的发展概况1932 年最早的柱塞式卧式注射成型机.其顶塑、注射机械比较简单，山喷嘴、分流梭、电热圈、料筒、加料装置、料斗、计量室、注射柱塞传动臂、注射柱塞、注射座移动油缸等儿部分组成。成型加工过程，颗粒状塑料由料斗经计量装置，使每次注射所需一定数量的原料落入料筒内。料筒外部用电热圈加热，内部有注射柱塞、分流梭，料筒前端装有喷嘴。当注射柱塞前进时，迅速地将塑料粒推入料筒内璧和分流梭之问的熔融区，使塑料完全熔化，再通过喷嘴进入预先闭合好的模具中，最后充满模具型腔，直至经冷却固化成型。然而，由于塑化机械本身存在对物料的塑化不够均匀、塑化能力低、注射压力损失大(消耗在颗粒判之间的磨擦卜) 、注射速度不稳定、清洗料筒较困难，再加上因带入了颗粒料所包含的空气，使得常常在制品上产生气泡或者银条等缺陷，对成型较大型、质量要求高的制品或加工热敏性塑料有困难，例如加工尼龙，由于填充的玻璃纤维分散不充分，物理性质不均等，很难保证制品的外观质量，而只有采用具备塑化装置的螺杆式注塑机。柱塞式注塑机目前大都用于成型小型制品。到了 1948 年，首次在注射成型机上开始使用螺杆塑化装置，并于 1956 年出现了世界上第一台往复螺杆式汁射成型机，克服了柱塞式注射成型机存在的缺陷，满足了用户不断提高的质量要求。成型时首先闭合模具，然后通过注射油缸对螺杆加压向前推进，使得已在上一周期塑化好的熔料高速注入模具而充满型腔，经短暂的保压时间后，螺引旋转，塑料通过螺杆的螺槽向前移动。此时，由于剪切生热和料筒外部加热，料筒内塑料被加热塑化。山于已塑化的熔料不能在前面被压出，因而反向推压螺杆向后移动并进行计量，待螺杆前部的熔料积存到所需的数量时，螺杆就会停止转动。然后，进入第二次注射过程至压力达到额定值，模腔己被充满，即转入保压工况，此后，待模具型腔中的熔料已冷却固化，就开启模具,取出制品( 经简单修饰即成成品)，接着又进入下一周期的循环操作。由于采用了螺杆塑化装置，并通过料斗筒外加热方式，颗粒状塑料得以充分塑化，便于控制温度和计量。由于液压马达便于实现低中速无级调速和有效过载保护，故螺杆驱动通常采用液压马达来实现。随着注射量的增大，预塑蛛杆的驱动方式也在变化。由于电机是以恒功率传动的，而液压马达则为恒扭知驱动，塑化时山于螺杆所受的扭矩基本是恒扭矩，因此采用液压马达频繁启动，会比电机驱动的电力能耗高出 130%。但是液压马达可实现无级调速和有效过载保护，因此，对于不太经常更换物料和模具的大型注黑龙江工程学院本科生毕业设计5塑机来说，采用电机拖动螺杆是经济的；而对于经常更换物料和模具的小型注塑机来说，采用液压马达驱动是合适的。随着直流和交流伺服电机的出现，实现无级调速已成为可能。为了节能，近年来也出现了变排量马达(二次调节)预塑系统。目前工厂所使用的多数是移动螺杆式注射成型机，但也有相当数量的柱塞式注射成型机。一般在生产 60 立方厘米体积以下的小型制品时，多采用柱塞式的；而对成型热敏感塑料，流动性差的塑料及生产中、大型制品，则多采用移动螺杆式。移动螺杆式射射成型机除了加工热塑性塑料外，还成功地用于加工热固性塑料，不仅使得加工制品质量稳定，性能提高，尺寸精度高，成型周期缩短，而且劳动条件也得到了适当改善。国外还推出了双料斗注塑机。其中,两个料斗安装在一台注塑机上，并分别用两块可滑动平板支架安装在可左右滑动的导轨板上。此导轨板上设有三个下料口，左右两个口可供两个料斗排泄旧料，清洗料斗和换新料以及对物料进行干燥处理，中间的下料口可供两个料斗分别对螺杆进行喂料。这样，两个料斗轮换使用，可以一边注射，一边对原料进行干燥处理，并可边注射、边清洗料斗及换料，毋须取下料斗可提高生产率，尤其在大型注塑机上，可减少装卸料斗的机械设备及降低劳动强度。1.4 塑料注射成型机械的发展趋势注塑机进一步发展的重点在于提高水平和质量、节能及自动化，尤其需要不断完善液压系统与控制手段，并通过采用性能先进的设备、质量可靠的电气系统及油路系统，以确保生产中动作灵敏、运行稳定，明显提高了塑料制品的质量，同时，设备可靠，达到了改善劳动条件、减轻维修工作量、降低能耗、节省原料的目的。其中，广泛采用比例阀、伺服阀、插装阀、变量泵与蓄能器等，实现多级注射和保压，并能够按照需要改变流量和压力，节能在 40-70%；新型液压系统具有反应快、灵敏度高、泄漏少等优点，大大提高了注塑机的可靠性和使用寿命，改善了操作条件；在控制方面，采用微机或可编程序控制器，并结合位移传感器来代替传统的继电器、限位开关，基于系统压力甚至模腔压力实现生产过程闭环控制、屏幕监测和人机交互。另外，在大型、中型注塑机上，机械手、自动称量上料、模具快速交换系统(甚至全自动快速交换系统)、模具自动调温系统等自动化手段及各种辅助设备越来越引起人们关注，并广为采用，真正实现整机自动化、整个生产车间和工厂无人化。黑龙江工程学院本科生毕业设计6注射成型加工以柔性生产系统和柔性模具组为其生产特点，通过不断改进主要技术，采用自动换模机和机械手，并将先进的液压系统与微处理机或高级计算机控制系统结合，来严格控制注塑机的各种参数，实现无人化操作，并使注塑机一直朝着高速、高效、高精度、高质量、低噪音、自动化、节能以及降低生产成本的方向发展。1.4.1 巨型和微型注塑机的发展以美国为例，在 1986 年现行使用的注塑机中，锁模力在 50-750 吨之间的占总台数的 72%,其中，以锁模力在 50-99 吨和 500-749 吨之间的注塑机增长最快，分别较 1980 年增长了 38%和 37%；日本在 1986 年锁模力低于 100 吨的注塑机占总台数的 48.9%、100-500 吨的占 46.3%，其中尤以锁模力为 100-200 吨、200-500吨的注塑机发展最快，分别按 1982 年增长 68.2%和 62.8%。由此可见，世界七注塑机的规格仍以发展中、小型机为主。80 年代以来，由于塑料在汽车、船舶、宇航以及大型家用电器方面广泛应用，例如生产艇身和甲板及改性 PP 汽车前挡板，促进了大型注塑机的发展。目前，生产大型注塑机的少家有日本的名机制作所(MEIKI),日制钢所(JSW) 、德国 Battenfeld Maschin-enfabriken CMIBH、意大利 Idra、法国的 Billion maohine Divof SMP 等。其中，日本名机(MEIKI )的生产的一台注射量 92000 立方厘米，锁模力 12000 吨的巨型注塑机是目前世界上最大级别的几种；日本制钢所是日本能够制造 6000 吨级注塑机的又一厂商，其中“J-E”系列大型注塑机适应性强，在实际应用中真正体现了厂方“到处都可以使用” 的设计思想，该厂生产的超大型注射成型机 (J-6300E - C5-l15)，采用肘杆式锁模机构，锁模力达到 6300 吨，现已交付日共和工业公司位于日新泻县南蒲原郡的大型工厂，并投入使用。这类注塑机人多配有先进的微机控制系统和插装阀。由英国几家公司协作生产的长 3.4 公尺的艇身和甲板成为目前世上最大的注塑制品，其模具总重 60 吨。随着电子技术以友各种器械、仪器向微型化、精密化、轻量化方向发展，增加了对微型制品的需求，从而微型注塑机也与日俱增。注塑机朝高压、高速、高精度甚至超高压、超高精度发展，注射量 15 立方厘米、锁模力 15-25 吨的注塑机开始普及。例如，日本芝东机械的 IsI6p,日精树脂工业的 PS-20 等；同时，也开发了注射量 3-5 立方厘米、锁模力 5-10 吨的超小型精密注塑机，如日本三友重机械工业生产的 m8/7,其最大注射量 3.8-5 立方厘米、锁模力 7 吨、螺杆直径 16mm,最大注射压力达 2280 公斤/平方厘米。这种超小型精密注塑机多数用来生产精密度高、产量大的电子计算机等设备上的微型精密元件，制品精密度以微米计量。采用日黑龙江工程学院本科生毕业设计7本 Aida 工程有限公司最新推出的高精度注射成型新型系统，塑件精度可达亚微米级，并成功地加工了直径 60mm、中心最大厚度 10.5mm、容许偏差2m 的有机玻璃凸透镜。该系统除了基于高压注射及模腔压力、湿度精确控制外，还专门设计有浇口关闭机构以防止熔料从模具中倒流出来，以及一个高度稳定的拉杆架机构，以确保模具锁紧，并牢牢固定在原位。1.4.2 性能及结构的发展1、提高注塑机技术性能参数通过改进螺杆结构，采用蓄能器、变量泵、组合泵组等手段，以及增强机器的成套性( 模具的温控、快速均匀冷却和自动脱模、换模装置、机械手等)，来提高塑化能力、注射压力、注射速度，短成型周期、提高制品质量。例如，合模力 500吨的注塑机塑化能力由过去的 200 公斤/小时提高到 500 公斤/ 小时，注射速度已由过去的 100 毫米/秒提高到 250 米/秒，开合模速度高达 60 米/分，中小型注塑机注射压力都在 1500 公斤力/平方厘米以上，甚至大型机也都接近 1500 公斤力/ 平方厘米，微型注塑机在 2000 公斤/平方厘米以上已不鲜见，甚至发展为超高压系列，如日本 NADAC 公司产 SN 120P 型，锁模力 120 吨，由于注射压力已达 4600 公斤力/平方厘米，生产的制品收缩率几乎为零，可成型壁厚仅 0.1-0.2mm 的制品。2、改进合模机构仍然以肘杆和直压合模力式为主，并朝着以下二方面发展:(1)不改变拉杆长度，尽量增大开模行程，以满足成型深度制品的需要；(2)增大拉杆间距，以便在同一设备上成型而积较大的制品，例如意大利 Negri Boss 公司产 NB1000 型注塑机就有这种特点；(3)增加模板移动速度，减少空程循环时间，例如意大利 Netalmeccanica Plast生产薄壁容器的注塑机，最大移模速度达 2 米/秒。3、采用优化设计，形成标准化系列普遍采用 CAD/CAM 等先进手段，按照模块化思想发展标准构件式结构，即由专用设备加工标准化零部件，再装配成组件，便可进行多种组合，形成各种各样的注塑机，使得注塑机标准化和系列化得以加强，包括注塑机配套设备、机械手、注塑机连结装置等。一方面增强了设备的灵活性，同时，各厂家自行生产的零部件( 如螺杆、机筒) 可以更换，提高了制造厂家的应变能力。1.4.3 其它主机外观及形状优化设计已引起制造厂商的高度重视，噪音成为衡量注塑机质量等级的一项工要内容通过采取措施，例如选用低噪泵、冲击性小的阀和低噪黑龙江工程学院本科生毕业设计8音电机，限制管道中液压油流速等，来降低噪音对人体的危害，影响人的身心健康，以保证工作环境的安静。注塑机配套设备及其标准化、系列化，包括自动供料设备、模具温控设备、浇口柄的取出和切割装置以及机械手或其他自动化设备，注塑机的联结装置等。1.5 本毕业设计的主要内容在实验室现有注塑机的基础之上，设计一个塑料注射机的注射机构。且需符合以下要求：（1）采用低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆；（2）螺杆采用直径为 45mm 的通用型螺杆；（3）注射重量 282g、注射速率 138g/s、注射压力 159MPa。黑龙江工程学院本科生毕业设计9第 2 章 注射机构的技术参数与计算注塑机根据注射装置和主轴的位置关系分为立式注塑机和卧式注塑机，而注塑机的注射系统种类繁多，其结构类型如表 2.1 所示：表 2.1 注塑机注射系统结构分类分 类 方 式 内 容按塑化装置与注射装置配置形式 一线式排列；两线式排列按注射装置数目和排列形式 双注塑座；三注塑座按加工能力 超小型；小型；中型；大型；超大型按用途 热塑通用型；热固系列；发泡系列；排气系 列此次设计的注塑机注射机构，将采用一线式螺杆预塑、双缸注射装置，并使用低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆。使其具有加工的物料品种多，塑化能力强，注射率高等特点。料筒采用电加热圈加热，加热迅速，温度稳定、均匀。2.1 注射部分的主要技术参数及意义1、螺杆直径 ds(mm)注塑螺杆的外径；2、螺杆长径比 L/ds注塑螺杆螺纹部分的有效长度（L）与其外径 ds 之比；3、理论注射容积 Vi(cm3)一次注射的最大理论容积；4、理论注射量 Gi(g)一次注射的最大理论质量，一般用 PS 料；5、注射压力 pi(MPa)注射时螺杆头部熔料的最大压强；6、注射速率 qi(cm /s，g/s)单位时间内，注射的最大理论容积或最大理论质量(PS)；7、注射功率 Ni(kW)螺杆推进熔料的最大功率；8、塑化能力 Qs(cm3/s，g/s)单位时间内，螺杆可塑化好的塑料量（PS） ；9、螺杆转速 ns(r/min)预塑时，螺杆每分钟最高转数；10、螺杆扭矩 Mt(N/m)塑化物料时，驱动螺杆的扭矩。11、注座推力 P(kN)注射喷嘴对模具主浇套的最大密封推力；12、料筒加热功率 NT(kW)料筒加热圈单位时间供给料筒表面的总热能。黑龙江工程学院本科生毕业设计102.2 注射部分主要技术参数的计算注射部分的主要技术参数之间的关系从注塑系统图 2.1 中可以看出。1-喷嘴； 2-注射装置； 3-注射油缸； 4-模具主浇道； 5-模具型腔； 6-模具浇口； -模腔压力；mp-注射压力； -注射行程（螺杆行程） ； -螺杆外径； M、n-液压马达输出扭矩和转速；ipiSSd、 -液压系统的供油量和油压； -注射油缸直径0Qp 0D图 2.1 注射系统原理示图1、理论注射容积 Vi (cm3)根据定义：理论注射容积，应由注塑螺杆直径 ds 及其最大注射行程 Simax 来决定，即(2.1)max24isiS由此可以看出，加大螺杆直径或螺杆行程，可加大注射容积。螺杆直径根据注塑机的系列来决定，而螺杆行程根据螺杆直径来决定，且与螺杆的结构有关，一般 Simax=（45）d s，如果取的过大会影响物料的塑化质量。已知 ds=45mm， =4.4ds=198mm，由公式（1.1）得 Vi=315cm3。maxiS2、理论注射量 Gi(g)根据定义(2.2)iiV式中 塑料熔体密度，一般取 PS 的熔体密度 0.91g/cm3；考虑与螺杆结构、间隙、回流等因素的系数 =0.70.9。已知 Gi=282g。3、注射压力 pi(MPa)注射压力 pi 是由注射油缸通过注射螺杆提供的，与其所建立的模腔压力 pm 有关。（1）p i 与模腔力的关系黑龙江工程学院本科生毕业设计11(2.3)ppmi式中 p流通的各段压力之总和，即总压力损失，与流道的各段长度、几何形状及塑料的流变性能有关。（2）p i 与注射油缸之间的关系如注射系统 2.1 所示：(2.4)siAp0式中 Ai注射油缸的总有效作用面积；As注射螺杆的作用面积。由此可知，p i 是反映注塑机注射能力和关系制品质量的重要参数。已知 pi=159MPa。4、注射速率 qi(cm3/s，g/s)根据定义(2.5)iitVq或 (2.6)iitG式中 注射时间，s， ； (2.7)it iivVtvi注射速度，cm/s。如注射系统图 2.1 所示，注射速度是由注射油缸的供油量提供的，由此得：(2.8)0AQvi(2.9)0tSii式中 Q0注射油缸的总供油量，cm 3/s；A0注射油缸的总有效作用面积，cm 2。由此可知，注射速率是反映注射充模能力和注塑机供油能力的重要参数。已知 qi=138g/s。5、注射功率 Ni(kW)根据定义(2.10)5108.9iivP式中 Pi注射螺杆的推力， N；黑龙江工程学院本科生毕业设计12vi注射速度，cm/s。此注射功率是由注射的油压系统瞬间提供的，因此，N i N0。(2.11)00QpN式中 N0供油功率(kW) ；p0系统压力，即系统工作的最高压力，由系统安全溢流阀压力限定；Q0系统供油量，即系统最大工作流量，由流量阀调节泵的有效供油量来决定。由此知，注射功率反映了注塑机注射系统的工作能力，即单位时间内做功能力。6、塑化能力 Qs(cm3/s，g/s)塑化能力与螺杆均化段螺槽的输送能力一致，由此得下式(2.12)cosin5.032khdss式中 Qs螺杆塑化能力， g/s；ds螺杆外径，cm ；h3均化段螺槽深度，cm；熔体密度，g/cm 3，对 PS 取 0.930.98；k修正系数，一般取 0.850.9；螺杆的螺旋升角，度。 （螺杆螺距 S= ds 时，取 = ）4017此塑化能力必须满足注射成型周期中单位时间内注射量的要求，即(2.13)istVQ式中 Vi理论注射容积， cm3/s，或注射量，g/s；ti注射时间。已知 ds =4.5cm，h 3=0.25cm，=1740，设 =0.98，k=0.9，取最大值180r/min，即 3r/s。将上述数值代入式(2.12)中，可得 Qs=22g/s。7、螺杆转速 ns(r/min)螺杆在预塑时，其转速由液压马达或电机提供，如注射系统图 2.1 所示。(2.14)Msqn式中 QM液压马达的供油量， cm3/min，由油泵的有效供油量决定；qM液压马达的每转排量，cm 3/r。螺杆的转速是由流量阀调节其液压马达的供油量或驱动螺杆伺服电机的转速黑龙江工程学院本科生毕业设计13来决定的；螺杆的工艺转速，由螺杆线速度及加工塑料所允许的极限剪切速率来限定。(2.15)ssdvn(2.16)ssh式中 vs螺杆线速度（圆周速度） ，cm/s；剪切速率，1/s，不同的塑料有不同的许用剪切速率，超过此值塑料有降解的危险；h3均化段螺槽深度，cm。由于至今尚无精确有效地确定注塑机螺杆转速的方法，且在加工不同品种的塑料时，螺杆的转速也有所不同，所以对于我们所设计的通用型螺杆来说，并没有一个确切的转速的数值，只能设定一个适当的范围。在这里，所选定的范围为0180r/min。8、螺杆扭矩 Mt(N/m)目前还没有计算扭矩的标准公式，以下为经验公式(2.17)mstd式中 Mt螺杆扭矩，Nm； 比例系数，一般取 13；ds螺杆外径，cm ；m 由树脂性能决定的指数，m=2.53。已知 ds=4.5cm，在这里 、m 均取最大值 3，则根据式 (2.17)可得，Mt=273.375Nm。9、注座推力（N）为了在注射时，将熔体可靠地注入型腔，必须使注射喷嘴压在模具的主浇套上，形成足够的压力来封闭从喷嘴流过的高压高速熔体，如图 2.2 所示。1-注射喷嘴流道； 2-模具主套流道；-主浇口直径； -喷嘴流道直径； R-主浇套圆弧半径； r-喷嘴圆弧半径； -注射座推力KdHd TP黑龙江工程学院本科生毕业设计14图 2.2 喷嘴封闭示图注射座推力由注射座油缸提供：(2.18)TApP0式中 PT注射座推力；P0注座油缸的供油压力，MPa；AT注座油缸活塞总的有效面积， cm3。为了有效地封闭熔体不仅需足够的油缸推力 ，而且需有合理的喷嘴与浇套TP的结构、尺寸：(2.19)HKd(2.20)Rr10、料筒加热功率（kW ）料筒加热功率，由料筒加热圈的加热能力来决定。根据定义：(2.21)TAqN式中 AT料筒加热表面的有效面积， cm2。qT加热圈单位面积上所提供的供热瓦数，W/cm 2，与加热圈的结构及性能有关。电阻加热圈 qT =33.5W/cm 2铸铝加热圈 qT =45W/cm 2陶瓷加热圈 qT =67W/cm 2料筒加热功率不足时会影响预热时的升温速度，延长升温时间；但如果加热功率过大，会影响加热圈的使用寿命。(2.22)LDAbT式中 Db料筒外径；L 料筒布置加热圈的有效长度。可知，加大料筒直径或加长有效长度有助于提高加热功率及其加热圈的布置。经设计计算可知 Db=108mm，L=678mm，由公式(4.21)可得，A T =2300cm2。由于加热方式采用电阻加热方式，所以 qT 取=3W/cm 2，再经由公式(2.20)可得NT=6.9kW。2.4 计算所得技术参数值黑龙江工程学院本科生毕业设计15通过以上各个公式的计算，我们可以得到所设计注塑机注射机构的主要参数，如 2.2 表所示：表 2.2 注射机构主要技术参数规 格 单 位 螺 杆 直 径 mm 45理 论 容 积 cm3 315注 射 重 量 g 282注 射 速 率 g/s 138塑 化 能 力 g/s 22注 射 压 力 MPa 159注射装置螺 杆 转 速 r/min 0180油压系统压力 MPa 16油泵马达功率 kW 15其它料筒加热功率 kW 6.92.5 本章小结在本章中我利用搜集所得的相关公式资料，经过计算，获得了注塑机注塑机构工作的主要技术参数。以后的各个部件的结构设计，都将会在此数据资料的基础之上。黑龙江工程学院本科生毕业设计16第 3 章 塑化部件的设计与选用3.1 塑化部件形式1、柱塞式，如图 3.1 所示。1-喷嘴；2-加热圈；3-塑化室；4-分流梭； 5-料筒；6-加料室；7-柱塞图 3.1 柱塞式塑化部件结构示图部件主要由料筒 5、分流梭 4 和柱塞 7 等组成。第一次预塑时，是物料从料口落入柱塞 7 的前端，然后，柱塞在注射油缸推力作用下推进，将物料注入分流梭4 的四周流道内，料筒加热圈 2 的热能通过内壁、分流梭传递给塑料。在注射时，在柱塞 7 执行推料，使其头部的物料被压缩成固体床并推动分流梭流道中的熔体，通过喷嘴注入模具，物料通过分流梭流道时，将产生强剪切作用，大大地提高了剪切速率和温升，使物料得到进一步地塑化和熔融。此种结构特点是：结构简单，轴向尺寸短，安装方便；但热能消耗大，注射压力损失大，塑化效果较差，现单独使用较少；但对物料的适应性强，可用再生料。2、螺杆式，如图 3.2 所示。1-喷嘴；2-前机筒；3-螺杆头；4-止逆环；5-推力环；6-料筒；7-螺杆图 3.2 螺杆式塑化部件结构图主要特点是在料筒 6 内装有螺杆 7，预塑时，螺杆旋转将从料口落人螺槽中的物料连续地向前推进，加热圈通过料筒壁把热量传递给螺槽中的物料，固体物料在外加热和螺杆旋转剪切双重作用下，并经过螺杆各功能段的热历程，达到塑化和熔融。熔料推开止逆环 4，经过螺杆头 3 的周围通道流入螺杆的前端，并产生背黑龙江工程学院本科生毕业设计17压，推动螺杆后移，完成对熔料的计量。在注射时，螺杆起柱塞的作用，在油缸作用下，迅速前移，将储料室中的熔体通过喷嘴 1 注人模具。位于喷嘴 1 和料筒6 之间的前体，由固定螺钉连接。此种塑化装置，塑化功能好，使塑化和注射良好的统一，结构简单、紧凑，得到普遍应用。所以，此次设计采用螺杆式。3.2 塑化主关零件3.2.1 螺杆1、螺杆作用与分类螺杆是塑化部件中的关键部件，和塑料直接接触，塑料通过螺槽的有效长度，经过很长的热历程，要经过 3 态(玻璃态、豁弹态、勃流态)的转变，螺杆各功能段的长度、几何形状、几何参数将直接影响塑料的输送效率和塑化质量，将最终影响注射成型周期和制品质量。注塑螺杆按其对塑料的适应性，可分通用螺杆和特殊螺杆。通用螺杆又称常规螺杆，可加工大部分具有低、中勃度的热塑性塑料，结晶型和非结晶型的民用塑料和工程塑料，是螺杆最基本的形式。与其相应的还有特殊螺杆，是用来加工用普通螺杆难以加工的塑料，例如热固性塑料、聚氯乙烯、高勃度的 PMMA。按螺杆结构及其几何形状的特征，可分为常规螺杆和新型螺杆。常规螺杆又称三段式螺杆，是螺杆的基本形式。新型螺杆形式很多，主要有分离型螺杆、分流型螺杆、波状螺杆、横纹螺杆、无计量段螺杆、两段式排氯螺杆、强混炼型螺杆等等。2、螺杆的基本形式、几何参数及计算螺杆基本结构如图 3.3 所示，主要由有效螺纹长度 L 和尾部的连接部分组成。螺杆头部设有装螺杆头的反向螺纹。(1)ds螺杆外径。螺杆直径大小直接影响着塑化能力的大小，也就直接影响到理论注射容积的大小。因此，理论注射容积大的注塑机其螺杆直径也大。这里已知 ds=45mm。(2)L/ds螺杆长径比。L 是螺杆螺纹部分的有效长度。螺杆长径比愈大，说明螺纹长度愈长，直接影响到物料在螺槽中输送的热历程，影响吸收能量的能力。此能量分两部分：一部分是料筒外面加热圈传给的，另一部分是螺杆转动时产生摩擦热和剪切热，由外部机械能转化的。因此，L/ ds、直接影响到物料的熔化效果和熔体质量。但是如果 L/ds 太长，则传递扭矩加大，黑龙江工程学院本科生毕业设计18能量消耗增加。过去，L /ds 数值在 1618；现在，由于塑料品种增加，工程塑料增多，L/d s，已增加到 1923。所以，这里 L/ds 取 21。图 3.3 螺杆基本结构(3)L1加料段长度。加料段又称输送段或进料段。为提高输送能力，螺槽表面一定要光洁。L 1 的长度应保证物料有足够的输送长度，一般 L1=(910)d s。已知 ds=45mm，取 L1=10ds，则 L1=10ds=450mm。(4)h1加料段的螺槽深度。h 1 深，则容纳物料多，提高了供料量，但会影响物料塑化效果以及螺杆根部的剪切强度。一般 h1 (0.120.16)d s。已知 ds=45mm，取 h1=0.145ds，则 h1=0.145ds 6.5mm。(5)L3熔融段(均化段、计量段)螺纹长度。熔体在 L3 段的螺槽中得到进一步的均化：温度均匀，私度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。L 3 长度有助于稳定熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称计量段。一般 L3=(45)d s。已知 ds =45mm，取 L3=5ds，则 L3=5 ds=225mm。(6)h3熔融段螺纹深度。h 3 小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化。但 h3 过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起大分子链的降解，影响熔体质量。反之，如果 h3 过大，由于在预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。所以合适的 h3 应由压缩比 来决定：(3.1)31对于结晶型塑料，如 PP、 PE、PA 以及复合塑料， =33.5；对黏度较高的塑料，如 VPVC，AI-黑龙江工程学院本科生毕业设计193S，HIPS，AS，POM ，PC ，PMMA，PPS 等， =1.42.5。(7)L2塑化段(压缩段)螺纹长度。物料在此锥体空间中不断地受到压缩、剪切和混炼作用，物料从 L2 段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺槽，物料完成从玻璃态，经过黏弹态向黏流态的转变，从固体床向熔体床的转变。L 2 长度会影响物料从固态到黏流态的转化历程，太短会来不及转化，固料堵塞在 L2 段的末端，形成很高的压力、扭矩或轴向力、太长也会增加螺杆的扭矩和不必要的能耗，一般 L2=(68)d s。已知 ds=45mm，取 L2=6ds，则 L2=6ds=270mm。对于结晶型的塑料，物料熔点明显，熔融范围窄，所以 L2 可短些，一般为(34) d s。(8) S螺距，其大小影响螺旋角月，从而影响螺槽的输送效率，一般 S ds。已知 ds=45mm，则 S=ds=45mm。(9)e螺棱宽度，其宽窄影响螺槽的容料量、熔体的漏流以及螺棱耐磨损程度，一般为(0.050.12) ds。已知 ds=45mm，取 e=0.11ds，则 e=0.11ds 5mm。(10) 螺棱后角 、螺棱推力面圆角 R1 和背面圆角 R2 的大小影响螺槽的有效容积，物料的滞留情况以及螺棱根部的强度等，一般 = ，R 1=(0.30.5) 305R2，如图 3.4 所示。图 3.4 螺棱尺寸示意图这里取 = ，R 1=1.5mm，R 2=2 R1=3mm。303、普通螺杆的简介与选用(1) 概述普通注射螺杆螺纹有效长度通常分成加料段(输送段)、压缩段(塑化段)、均化段(计量段 )。根据塑料性质不同，可分为渐变型螺杆、突变型螺杆、通用型螺杆。 渐变型螺杆：压缩段较长，塑化时能量转换缓和，多用于聚氯乙烯等软化温度较宽的、高黏度的结晶型塑料。 突变型螺杆：压缩段较短，塑化时能量转换较剧烈，多用于聚烯烃、聚酞黑龙江工程学院本科生毕业设计20胺类的结晶型塑料。 通用型螺杆：适应性比较强的通用型螺杆，可适应多种塑料的加工，避免更换螺杆频繁，有利提高生产效率。通用型螺杆的压缩段长度介于渐变螺杆和突变螺杆之间。但通用型螺杆也绝非是“万能”螺杆，对某些有特殊注塑工艺要求的塑料，需要配备特殊螺杆。本次设计中，选用的是通用型螺杆。(2) 普通螺杆参数 螺杆长径比(L/D S)螺杆长径比大，可以实现低温、均质、稳定的塑化，螺杆长径比一般取1822。普通螺杆各段长度如表 3.1 所示：表 3.1 螺杆长度比螺杆类型 加料段（L 1） 压缩段（L 2） 均化段（L 3）渐变型 2530% 50% 1520%突变型 6570% 155% 2025%通用型 4550% 2030% 2030%本次设计中的螺杆长径比为 21，已知各段长度分别为：L1=450mm，L 2=270mm，L 3=225mm，总长度 L= L1+L2+L3=945mm。经计算可得，L1/L=47.6, L2/L=28.6，L 3/L=23.8，符合通用型螺杆的各段长度范围。 压缩比 ( )注射螺杆压缩行比是指计量段螺槽深度(h 1)与均化段螺槽深度(h 3)之比。压缩比大，会增强剪切效果，但会减弱塑化能力，相对于挤出螺杆，压缩比应取得小些为好，以有利于提高塑化能力和增加对物料的适应性。对于结晶型塑料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺以及复合塑料，一般取2.63.0；对高黏度的塑料，如硬聚氯乙烯、丁二烯与 ABS 共混、高冲击聚苯乙烯、AS、聚甲醛、聚碳酸酯、有机玻璃、聚苯迷等，约为 1.82.3，通用型螺杆可取 2.32.6，在均化段螺槽深度和螺杆压缩比确定后，对于单头等距变深螺杆，可由式 计算出加料段的螺槽深度。若 h1/ h2=2，实际压缩比为 1.86。通319.0h常所说的压缩比，大雨实际压缩比。因为此次设计的是通用型螺杆，我们取 =2.6，又由公式(3.1)可知，(3.2)13h黑龙江工程学院本科生毕业设计21所以，代入 h1=6.5mm，得 h3= h1=2.5mm。(3) 螺杆材料与热处理目前，国内常用的材料为 38CrMoAl，或者日本进口的 SACM645。国内螺杆的热处理，一般采取镀铬工艺，镀铬之前高频淬火或氮化，然后镀铬，厚度0.030.05mm。此种螺杆适于阻燃性塑料，如透明 PC、PMMA。但镀铬层容易脱落，防腐蚀性能差，所以多采用不锈钢材料。因为可以提高耐磨性, 增加螺杆表面强度, 所以此次设计中螺杆的材料选用氮化钢 38CrMoAlA。3.2.2 螺杆头注塑螺杆和挤出螺杆之间重要区别，在于前者装有各种特殊结构形式的螺杆头，这是由于螺杆工作特性所决定的。在注射螺杆中螺杆头的作用是预塑时，能将塑化好的熔体放流到储料室中，而在高压注射时，又能有效地封闭螺杆头前部的熔体，防止倒流。螺杆头分两大类：带止逆环的和不带止逆环的。带止逆环的螺杆头如图 3.5所示。预塑时，螺杆均化段的熔体将止逆环推开，通过与螺杆头形成的间隙，流入储料室中；注射时，螺杆头部的熔体压力形成推力，将止逆环退回将流道封堵，防止回流。1-前料筒；2-止逆环；料筒图 3.5 螺杆头结构示图对螺杆头的要求：止逆环要灵活，光洁，有的要求增强混炼效果等，又有多种形式，如表 3.2 所示，对有些高黏度物料如 PMMA、PC、AC 或者热稳定性差的物料 PVC 等，为减少剪切作用和物料的滞留时间，可不用止逆环，但这样在注射时会产生反流，延长建压时间。对螺杆头要求：(1) 止逆环与料筒配合间隙要适宜，既要防止熔料回泄又要灵活；(2) 既有足够的流通截面，又要保证止逆环端面有回程力，使在注射时快速封闭；黑龙江工程学院本科生毕业设计22(3) 止逆环属易磨损件，应采用硬度高的耐磨、耐蚀合金材料制造；(4) 结构卜应拆装方便，便于清洗；(5) 螺杆头的螺纹与螺杆的螺纹方向相反，防止顶塑时螺杆头松脱。此次设计中，采用的是带爪形止逆环的螺杆头。表 3.2 注射螺杆头形式与用途形式 结 构 图 特征与用途尖头形螺杆头锥角较小或有螺纹，主要用于高粘度或热敏性塑料无止逆环型 钝头形头部为“山”字形曲面，主要用于成型透明度要求高的PC、AS 、PMMA 等塑料环形止逆环为一光环，与螺杆有相对转动，适用于中、低黏度的塑料爪形止逆环内有爪，与螺杆无相对转动，可避免螺杆与环之间的熔料剪切过热，适用于中、低粘度的塑料销钉形螺杆头颈部钻有混炼销，适用于中、低粘度的塑料止逆型分流形螺杆头部开有斜槽，适用于中、低粘度的塑料3.2.3 料筒(1) 料筒结构料筒是塑化部件中的重要零件，内装螺杆外装加热圈，承受复合应力和热应力的作用。料筒大多数采用整体结构如图 3.6 所示。定位子口 1 与前料筒径向定位，并用端面封闭熔体，用多个螺钉旋入螺孔 2内将前体与料筒压紧。螺孔 3 装热电隅，要与热电隅紧密地接触，防止虚浮，否黑龙江工程学院本科生毕业设计23则会影响温度测量精度。料筒安装在注射座上，前端与喷嘴相连。 料筒与喷嘴的连接为了便于安装注射喷嘴，一般在机筒的前端设置一前料筒(或称连接套)，注射喷嘴安装在前料筒上。1-定位子口；2-螺孔；3-螺孔；4-加料口；5-尾螺纹；6-定位图 3.6 料筒结构 料筒与注射座的连接机筒固定在注射座上，其连接主要应考虑以下几点要求：保证料筒的加料口能对正注射座上的料斗人口，工作时避免机筒随螺杆转动而造成加料口偏移；料筒在工作时会产生轴向力，料筒轴向位置的固定结构应满足强度要求；料筒与注射座安装孔可采用间隙配合。由于本次设计的注射机构适用于中小型注塑机上，所以选用第二种连接方式。(2) 加料口加料口结构形式直接影响进料效果和塑化部件吃料能力。注塑机大多数靠料斗中物料的自重加料，常用进料口截面形式如图 3.7 所示。对称形料口如图 3.8(a)所示，制造简单，但进料不利。现多用非对称形式，如图 3.8(b)、(c)所示，此种料口由于物料与螺杆的接触角大，接触面积大，有利于提高进料效率，不易在料斗中形成架桥空穴。本次设计选用了画法相对简单的(a)类。图 3.7 加料口结构形式示图(3) 料筒壁厚料筒壁厚要求有足够的强度和刚度，因为料筒内要承受熔料和气体压力，且黑龙江工程学院本科生毕业设计24料筒长径比很大，在注塑座上悬臂；料筒要求有足够的热容量，否则难以保证温度稳定性；如果太厚，料筒笨重，浪费材料，热惯性太大，升温慢，温度调节产生滞后现象。一般料筒外径与内径比值 K=2.50.25，如表 3.3 所列。表 3.3 料筒壁厚螺杆直径/mm 34 42 50 65 85 110 130 150料筒壁厚/mm 25 29 35 47.5 45 75 75 67比值(K) 2.47 2.40 2.40 2.46 2.10 2.36 2.15 1.80根据上表所示，已知螺杆直径为 45mm，取 K=2.40，经计算料筒外径得108mm，机筒壁厚为 31.5mm。(4) 料筒间隙料筒间隙系指料筒内壁与螺杆外径的单面间隙。此间隙太大塑化能力降低，注射回泄量增加，注射时间延长；如果太小，热膨胀作用使螺杆与料筒摩擦加剧，能耗加大，甚至