注塑机合模机构设计.docx
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注塑机合模机构设计
中文摘要I
第一章引言1
1.1注塑机整机的工作原理1
1.2注塑机的结构组成2
第二章合摸机构方案设计4
2.1•合模机构的类型和选择4
2.2.液压肘杆式合模机构的常见形式和选择6
2.3.合模机构的参数和尺寸计算7
2.3.1合模力的确定7
2.3.2模板尺寸及拉杆间距8
2.3.3动模板行程Sm9
2.4肘杆机构的尺寸参数确定10
2.4.1运动特性分析11
2.4.2力学特性分析12
2.4.3肘杆机构自锁及正常运动条件14
2.4.4肘杆机构的速度分析14
2.4.5肘杆机构的尺寸参数确定18
2.5具体速度和加速度分析20
第三章内翻式合摸机构机械结构设计25
3.1合摸机构装配图和主要的零件设计图25
3.2肘杆机构的强度校核25
3.3铰轴的剪切强度校核25
3.4注塑机的调模机构26
第四章注塑机的液压系统27
第五章其它机构30
5.1注塑机的机械保险装置30
5.2注塑机的注射装置30
5.2.1.注塑机的注塑油缸数类型的选择与确定30
5.2.2.注塑机的注塑装置的其他部件31
参考文献32
总结33
第一章引言
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，这在很大程度上涉及到塑料加工的设备的先进与否。
所以为塑料制品行业提供加工装备的塑料机械行业，近几年发展迅速，其发展速度与所创主要经济指标在机械工业的194个行业中名列前茅。
塑料机械年制造能力约20万台（套），门类齐全，在世界排名第一。
而在众多塑料加工设备中，塑料成型加工设备是重点，主要有注塑机、挤出机、中空吹塑成型机及其辅助设备。
在成型加工中，注塑占重要位置，其设备是注射成型机，又称注塑机。
注塑成型的特点是：
可一次成型外形复杂、尺寸精确、表面光泽的塑料制件；模具可以快速更换，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、特殊用途的制品等。
合模机构是注塑机的重要部件之一，因为合模机构提供的锁模力最终决定力模具模腔的平均压力，而模具模腔的平均压力的决定了制品的产品质量。
现在，随着塑料
的品种的日益丰富，性能越来越多样性和优越性，以及现在社会对塑料制品的需求量不断上升，且需求品种也越来越多样性。
合模力从超小型的200kN到超大型的大于
20000kN,几乎包含了社会生产生活中的各个领域。
但平常用的最多的，较常见的是小型机。
1.1注塑机整机的工作原理
注塑机利用塑料的热物理性质，把物料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加
热，使物料熔融；在料筒内装有在外动力马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的
作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化，熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程；然后，螺杆在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高压，将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中；型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，开启模具，并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出落下。
通俗点来说，注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，其借助螺杆的推力，将已塑化好的熔融状态的塑料注射入模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。
注塑机作业循环流程如图1-1所示。
其中制品冷却与螺杆塑化是同时进行的。
图1-1注塑机工作程序框图
1.2注塑机的结构组成
注塑成型机主要由合模部件、注射部件、液压系统、控制系统、机身、加热系统、加料装置等组成。
如图1-2所示。
图1-2注塑机组成示意图
由图1-2可大致地看到注塑机是一个机电一体化程度很高的设备，其中合模性能对提高制品质量、提高生产效率有重要影响。
本文主要从合模部件、注射部件、液压系统和控制系统这四个方面展开具体的结构分析和有关参数确定。
1.3合模装置配套的注塑机机型
随着塑料的性能和可塑性的提高，以及近年来，随着医疗器械以及电子产品消费的不断增长，产品的更新换代越来越快，塑料制品的生命周期因此也变得越来越短，导致小型注塑成型制品的需求逐年增加，因而生产这些制品的小型注射成型机也引起了人们的广泛关注。
基于这一点，本注塑机主要用于生产食品包装、电子产品包装、商用机器壳体以及医疗器械等制品。
根据上述制品相关性能的要求，比如电子产品包装和医疗器械都应该具备优良的各项性能。
故选择PVC（聚氯乙烯，白色粉末，其力学性能、化学性能、电性能、阻燃性优良，密度1.38^cm'）作为制品注塑用料。
根据聚氯乙烯的成型性能确定其注塑工艺条件，如表1-1所示。
表1-1
温度/C
压力/MPa
转速/
rpm
喷嘴
均化段
压缩段
加料段
模具
注射
保压
背压
螺杆
150-170
170-190
165-180
160-170
30-60
80-130
40-60
5-10
20-30
根据用途和制品塑料品种，该注塑机注塑多类形状的制品，要求能方便地更换模具，且制品尺寸较小（最大180mM180mr）质量较轻，属于日常用品，小型机便能达到要求，故选择卧式螺杆式注塑机。
其特点是注射总成的中心线与合模总成的中心线同心或一致，并平行于安装地面。
它的优点是重心低、工作平稳、模具安装、操作及维修均较方便，模具开档大，占用空间高度小。
第二章合摸机构的方案设计
2.1合模机构的类型和选择
合模机构是注塑机的重要部件之一，其功能是实现启闭运动，使模具闭合产生系统弹性变形达到锁模力，将模具锁紧。
对于一个比较好的合模机构应该具备三个方面的特性：
1）足够的锁模力和系统刚性，保证模具在熔料压力作用下，不会产生开缝溢料现象；
2）模板要有足够的模具安装空间及模具开启行程；
3）快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢-快-慢的运动特性。
现按锁模力的实现方式讨论全液压式、液压肘杆式和电动式合模机构的优缺点。
（1）全液压式
这是一种非常简单的合模机
锁模动作由液压油升压来完
点是启闭模动作和合模力的产生都由合模油缸直接完成,构。
合模机构的合模动作由液压油作用在活塞上来实现,成。
这种合模机构不满足合模机构的运动特性，耗能大，精度低，目前已经很少应用
2）增压式合模机构。
由合模油缸、充液阀、稳压油缸和增压缸组成。
此类合模机构的锁模力受液压系统和密封的限制，固增压有限，主要用于中小型注塑机。
3）充液
式合模机构。
这种开合方式模精度高、模板受力均衡、不需调模、不需加油润滑、磨损较少、开合模行程长；但容易内泄造成升压时间长、爬行、甚至让模、速度慢、漏油、能耗高、容易造成液压冲压、液压系统复杂、成本高、大油缸加工困难。
（2）液压肘杆式
液压肘杆式合模机构由移模液压缸和曲肘连杆两部分串联而成，是通过液压系统
驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧。
它可以用很小的液压缸推力，通过肘杆机构的力的放大作用来获得较大的锁模力。
在开合模过程中，这种机构能实现慢-快-
慢的运动过程，提高了合模速度，节约了能耗并提高了效率。
在输入功率相同的情况下，肘杆式合模机构的运动速度优于其它形式的合模机构，如在相同的尺寸和运动速度下，肘杆式合模的输入功率比全液压式约节省10%-20%。
另外，肘杆式合模机构
的开模力通常是有限的，这一点在小吨位机器上更为明显。
液压肘杆式是目前使用最为普遍的合模机构。
但这种方式不足的是：
1）结构复杂、易磨损、开合模精度差；
2）加工精度要求极高，在成型过程中使得模板受力不均，不能成型精密产品；需要复杂的调模结构和润滑系统，开合模行程短，而且销轴等磨损后造成的受力不均，会加速机器损坏，例如：
销轴和拉杆断裂、模板开裂、调模螺母咬死等。
（3）电动式
电动式合模机构指用电机作动力源来驱动模版移动而实现合模、锁模的合模机
构。
目前，较流行的是全电动肘杆式即所谓电动机械式合模机构。
全电动肘杆式合模
机构使用伺服电机配以滚珠丝杠、齿形带等元件替代液压系统驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧，整个装置的调模、顶出均采用伺服电机来执行的合模机构。
具有节能、控制精度和重复精度高、效率高和环保清洁等优点。
但不足的是滚珠丝杠会带来新的问题：
1）滚珠丝杠的磨损会导致精度下降；
2）对制造、装配的要求较高，若两者的精度不够，则会在滚珠丝杠上出现附加的径
向力，从而加速滚珠丝杠的磨损；
3）当成型面积较大时，如果在肘杆未完全撑直时就开始注射，滚珠丝杠要承受很大
的轴向力，加速滚珠丝杠损坏；
4）成本太高，特别是电气控制系统，在目前注塑机技术条件下，市场普及度较低。
表1-2为全液压式和肘杆式（液压肘杆式和全电动肘杆式）合模机构的性能对比。
综述以上三种类型合模装置的对比分析，本设计选择液压肘杆式合模装置。
表1-2
全液压
肘杆式
移模速度
速度较慢，在整个移模行程中，
速度可设定为常数
速度较快，在整个移模行程中是变化的，并处于较高的速度状态，效率较咼
移模力、
锁模力
在整个行程范围内，移模力和锁
模力均为常数
与构件的材料、尺寸精度、质量、速度有关，对锁模力有放大作用
对模具适
应性
对不同咼度的模具易于适应，因
施力于模具中心且均匀，模具的
使用寿命长
调整要求高，合模力的调整与显示较复杂
系统刚度
合模状态液压刚性较弱，难以产
生追加合模力，超载时制品易形
成飞边
合模状态机械系统刚性较好，在胀模力作用下，产生追加合模力，允许适量短时间的超载工作
自锁性
不能自锁，一般要继续供应液压油，能耗较大
合模后曲肘连杆进入自锁，液压油可卸掉，节能
噪音
在合模稳压时，易产生流体噪音
开合模时，易产生启动的机械噪
2.2液压肘杆式合模机构的常见形式和选择
下面主要以双曲肘五支铰连杆合模机构展开论述计算，其主要结构为内翻式和外
翻式两种。
（1）双曲肘内翻式五支铰连杆机构，如图2-1所示。
图2-1双曲肘内翻式
1—合模油缸；2—调模装置；3—后模板；4—连杆机构；5—动模板；6—拉杆；7—前模板
动作原理：
启闭模时，合模油缸1进油，推动双曲肘连杆机构4带动动模板5及其模具实现启闭模运动；模具接触时，曲肘连杆处于未伸直状态，在合模油缸1推力作用下曲肘连杆机构产生力的放大作用，使合模系统发生变形，直至曲肘连杆伸直进入自锁为止。
模具接触时连杆未伸直的程度是通过调模装置2与合模油缸相配合，按
工艺所要求的锁模力来调整的
其特点是，启模时，双曲肘相对于轴线向内翻转，结构较外翻式简单、紧凑，较适用于中小型机，是比较有代表性的，是目前应用最为普遍的合模机构。
图2-2双曲肘外翻式
1—合模油缸；2—曲肘连杆机构
动作原理：
启闭运动原理和锁模原理与外翻式相同，所不同的是结构特点，在后模板和前模板上的支铰靠近中心布置，启模时双曲肘相对于轴线向外翻转，减小了支铰跨度，增加了动模板的支承刚性，减小了挠度，较适用于大型机。
综上所述，比较双曲肘内、外翻式的特点，结合本注塑机为小型机，所以选择双曲肘内翻式合模机构。
2.3合模机构的参数和尺寸计算
2.3.1合模力的确定
合模力也称锁模力，其含义为合模机构锁模后，熔料注入模腔时，模板对模具形成的最终锁紧力。
.液压肘杆式合模机构的合模力是通过合模油缸产生的推力借助曲肘连杆机构的传递和放大，作用在动模板上，然后使模具产生合模的力。
具体原理是，当模具刚接触时（还未产生明显的弹性变形），由于曲肘连杆尚未完全伸直，即在图-3中L1与水平线的夹角（合模角〉）接近3°时，产生曲肘锁模角及连杆角，开始进入锁模状态。
此时继续油缸施加推力，那么整个合模机构就要发生弹性变形，产生变形力。
最大变形力是曲肘连杆机构在伸直后进入自锁状态下发生
的，此时进入锁模状态的锁模力等于变形力。
当熔料以一定注射压力和流速进入模具空腔时，为使模具不至于被熔料胀开，合模力应满足下面的公式
Fm-spA
其中Fm――合模力；
S――安全系数，一般取1.1-1.6,此处取1.2；
p――模腔平均压力（Mpa）,根据制品要求和物料特性，此处模腔平均压力确定为
25Mpa；
A――制品在分型面上的投影面积（cm2）;
根据制品最大尺寸180mm<180mm代入上式
Fm-SpA
=1.22510618018010*
二972KN
二97.2t
由于合模力不足时会产生“飞边”，所以要确保机器的锁模力的大于制品加工所
需的最大锁模力，此处合模力定为120to
2.3.2模板尺寸及拉杆间距
模板是用来固定模具的，模板尺寸H（mm）V（mm），拉杆间H0（mm）V0（mm）。
制品的最大成型面积决定了模板尺寸和拉杆间距，而拉杆间距决定了模具的尺寸。
根
据经验，模板面积约为注塑机最大成型面积的4-10倍，为便于模具从上往下安装，
设计模板的长H水平放置。
根据制品最大尺寸180mm<180mm按模板面积约为注塑机最大成型面积的7倍计算，定模板尺寸H（mm）V（mm）=550450，拉杆间距H0（mm）V0（mm）=370270，如图2-3表示。
370
图2-3模版尺寸及拉杆间距
233动模板行程Sm
动模板行程是指动模板能够移动的最大距离，用Sm（mm）表示。
移动模板行程-般与成型制品的高度有关，为了制品能够顺利地取出，动模板行程要大于制品最大高度的2倍，如图2-4所示。
图2-4模板最大开距与移动模板行程
1-定模板；2-固定阴模；3-制品；4-动模板
动模板行程的关系可用下式表示
Sm-L\=
Sm-2L
式中'：
——脱模间隙；
\――料把高度；
L――最大制品高度。
根据最大制品高度L=150mm、料把高度\=30mm、取脱模间隙八=15mm,由
上式
Sm-L\：
-=195mm
Sm-2L=300mm
在实际生产中，为了缩短一次制品的循环时间，提高生产效率，减少机器磨损和动力消耗，成型时尽可能使用最短的模板行程。
此处取动模板行程300mm。
2.4肘杆机构的尺寸参数确定
根据双曲肘内翻式的传统结构，绘制出运动简图如下图2-5：
So讯p
丫"
图2-5肘杆机构运动简图
L1—后连杆长度；
L2――前连杆长度;
L4—小连杆长度；
L5—后连杆上的支杆长度
E—偏心度，即十字头上的滑动点C与支点A的水平线垂直距离;
j—后连杆转角，也称合开模转角；
'■—前连杆转角；
—后连杆上主杆与支杆的夹角，即L1与L5的夹角；
二—斜排角，即L1与L2共线时丄1与过A点的水平线的夹角；
「一小连杆与过C点的水平线的夹角；
m—锁模状态下，小连杆与过C点的水平线的夹角；
0—开模到最大行程的状态下，小连杆与过C点的水平线的夹角;
:
max—开模到最大行程的状态下的开模转角；
So—合模油缸活塞的行程；
Sm—动模板的移动行程；
以A为原点，建立如图所示的XAY坐标系。
241运动特性分析
（1）合模行程一一动模板的移动行程Sm
当合模转角转到任意角度［时，B点所处的位置点为xc
兀=L1cos（）L2cos：
（4-1）
L1sin（：
巧=L2sin一：
（L1L2）sin二
从上式得出
从而得到
cos--._1—sin2：
1-['sin（：
巧一（1川'；）sin打2
其中•十，称为杆长比，代入四<>式得
Xc=L1cosC打L2、1一［■sinC旳一
（1）sin珀2
下面分析合模转角，转到极限位置时，兀的值
①当〉=0时，―，即L1与L2共线时，肘杆合模机构处于锁模状态，Xc有
最大值Xcmax
Xcmax二Llcos）L2.1-[■sinv-（1■）sinv]2
=（L1L2）cosr
②当〉二:
max时，即L1处于坐标系XOY勺第四象限，理论值是在L5与L4共线状态下，但是这是不可能达到的，现:
-max是在合模转角转到一定位置时的值，即达到
动模板行程300mm的设计要求的值，此时xc有最小值xcmin
xcmin二L1COS（：
max旳L2•百Sin（：
max"-（1g
所以动模板的行程
Sm-xcmax_xcmin
=（L1L2）COSd-L1COSGmaxd）-L2；1-[■Sin（：
max旳-（1'）sind]2
（2）合模油缸活塞的行程S0
由图-7所知，当十字头滑块从初始位置（开模起始点）〉=0,「「max，变化到终点位置（开模终点）〉二:
max^「0时，可得到合模油缸活塞的行程S0
S0=L4cos;0L5cos[180-（：
maJ'「：
；'F）]L5cos（「）-L4cosmax
=L4cos0_L4cos;maxL5cos（丁）-L5cos（：
max-）
偏心度
E二L4sin「L5sin（:
"）（4-3）
S。
二,L42二[E匚L5sin（3ax二’）]2-.L42=[E匚L5sin（^_）]2
L5[COS（J-）-COS（：
max_）]
2.4.2力学特性分析
X
图-8力的特性分析
Fci——小连杆（二力杆）上的C点受到得杆向力；
hd――支点A到小连杆的距离；
Ffi前连杆（二力杆）上的F点受到得杆向力；
hf支点A到前连杆的距离。
（1）力的放大倍数M，即动模板的合模力与合模液压缸的推力的比值
M虽
Fo
其中Fo——合模油缸的推力
Fm――动模板的合模力（锁模力）
若不计机构在运动中的摩擦力、自重、惯性力等因素的影响，可根据以图2-6的
力学分析和静力平衡关系求得M
F。
-2F“cos，0
F/d-Ffh=0（因为两者的转矩相等）
Fcos：
〜耳=0
2
其中hd、hf的关系式可以通过几何分析得到
hd二L5sin（
由式4.<2>得
:
=arcsin[sin（：
v）_（i：
；-；）sinr]
由式4.<3>得
L4
从而得到力的放大倍数M
M_F^_2FfiC0s1hfjcos-
（4-4）
（4-5）
Fo2FdC0S®hdCOS^
L5sin（：
v）cos:
L1sin（a+日+E）cos®
2.4.3肘杆机构自锁及正常运动条件
根据式4.<4>得到合模油缸的推力F。
lFm厂L1sin（a+T+P）cos®F0=—=F
MmL5sin（：
v:
）cos:
根据式4.<5>及摩擦圆理论（转动副的自锁条件为驱动力位于摩擦圆之内）可确定肘杆机构自锁条件：
〉max•八—155（假设值）
即肘杆机构正常运动条件：
：
max，：
^155
从而得到最大合模角
:
max乞155-（「J
2.4.4肘杆机构的速度分析，如图2-7
（1）肘杆机构的速度传动比
图2-7肘杆机构速度分析
根据图-9的几何关系得
VcCOS®
Vd_sin（）
vWd=vdcosCv-90）=vDsin（：
-）
所以动模板的移动速度vm与合模油缸活塞的移动速度v0之比
vFsinC丁-）
vmVbcos:
i
V0VcVccos
sin（□+了+日+®）
化解整理得到
‘亠^）CO^3.1<1>
L5sin（g+日+f+®）cosP
比较分析式3.1<1>与式2.1<1>,这结果与通过力的特性分析的得到的结果是一致的。
下面在对式3.1<1>进行分析，分子分母同乘以sin（二代「J，则i的表达式可以表达为i=ia*ib的形式：
L1sin（a+T+P）cos^sin（口+日+?
）
L5cosPsin+日+f）sin（a+日+*+^）
其中前一部分表达式L5；Tsin（「J）为VB与VwD之比'即ia
vFsin（：
v-）
VbcosPL1sin（a+T+P）
ia———
vWDvDsin（:
v）L5cos:
sin（:
v）
后一部分表达式
cossin（：
V）
为Vwd与Vc之比，即ib
sinC丁）
VwdVdSin（a十了+日）
ib：
VcVc
vccos
-sin（：
v）
sin（：
v）cos:
sin（：
丁）
vCsin（日+了
所以总的速度传动比可以表示为两个分速度传动比之积，即
i"a叫
其中
Vc――驱动速度，即合模油缸活塞的移动速度V。
；
Vd――后连杆上的D点以半径L5绕支点A的绝对速度;
VwdVd的水平分量；
Vf――后连杆上的F点以半径L1绕支点A的绝对速度;
Vb――合模速度，即动模板的移动速度;
Vbf――前连杆上的B点以半径L2相对于F点的相对转动速度。
（2）速度传动比的特性分析
从上面的表达式分析可得出以下结论：
a.总的速度传动比i主要由后连杆的长度L1与其支杆长度L5所决定的，要提高移模速度，应尽可能加大L1的及减小L5。
b.在合模转角：
•很小的范围内，总的速度传动比i是由式3.1<1>中的cos「所决定的。
cos函数在从80°趋向于90°的范围内，曲线的斜率很大，函数值下降率很快，例如,从80°变化到85°，cos的函数值增长了近2倍。
所以在合模角:
很小的范围
内，
总的速度传动比式3.1<1>中的cos「所决定的。
因为C80~90）相对于二（：
、4~6）和（:
15）很大，当合模转角〉趋近于0时，八--，cos・-；0，cos=>1，sin（「U）>1,此时有
.Lisin（a+€>+B）cos半
limi0
—0L5cosvsin（:
v:
）cos!
：
:
;
即此时总的速度传动比已经没有，这非常符合合模终点，模具刚好被锁紧时防止速度过快模具被冲击的条件。
当然上述分析是理想状态下，实际效果是，当主肘杆在伸展位置时，分速度传比ia中的分子表达式sin（「•v--）趋向于0，分速度传比ib在这种情况下趋向于一个很小的值，但是一个有限的值，总的速度传动比i在这种情况下同
理趋向于一个很小的值。
c.在合模转角〉很大时，总的速度传动i比是由式3.1<1>分母中的sin（■厂■:
所决定的。
开模趋向于终点时，即（■-）趋向于180°，
sin（「八-;:
）趋向于零，总的速度比趋向于无穷大。
但这只有当后连支杆L5和小
连杆L4共线的情况下，即开模行程结束时位伸展状态时才会出现。
一般在设计的肘杆系统中，不会有这种情况出现。
根据前面肘杆机构自锁及正常运动条件%ax兰155°-p+丫+%）即（a+B+YZ）要小于155°。
（3）影响速度传动比的主
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