塑料注射成型机液压系统的设计.docx
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塑料注射成型机液压系统的设计
1绪论…………………………………………………………………………………1
2主要技术参数………………………………………………………………………2
3工况分析……………………………………………………………………………4
3.1和模油缸缸负载…………………………………………………………
3.1.2空行程油缸推力…………………………………………………
3.2注射座整体移动油缸负载………………………………………………
3.3注射液压缸负载…………………………………………………………
3.4顶出油缸负载……………………………………………………………
3.5初算驱动油缸所需的功率………………………………………………
4油缸工作压力和流量的确定………………………………………………………
4.1油缸工作压力的确定…………………………………………………………
4.2油缸几何尺寸的确定…………………………………………………………
4.2.1根据和模油缸最大推力确定和模油缸内径…………………………
4.2.2根据注射座最大推力确定注射座移动油缸内径……………………
4.2.3根据注射油缸最大推力确定注射油缸内径…………………………
4.2.4根据顶出油缸最大推力确定顶出油缸内径…………………………
4.3根据确定的油缸直径标准值，计算实际使用的油缸工作压力，绘制整个动作循环图………………………………………………………………………
4.4油缸所需流量的确定…………………………………………………………
4.5油缸功率图的绘制……………………………………………………………
5液压系统方案和工作原理图的拟定…………………………………………………
6液压元件的选择………………………………………………………………………
6.1油泵的选择……………………………………………………………………
6.1.1油泵工作压力的确定……………………………………………………
6.1.2油泵流量的确定…………………………………………………………
6.1.3油泵电机功率的确定……………………………………………………
6.2控制阀的选择…………………………………………………………………
6.3油管内径的确定………………………………………………………………
6.3.1大泵吸油管内径计算……………………………………………………
6.3.2小泵吸油管内径计算……………………………………………………
6.3.3大泵压油管内径计算……………………………………………………
6.3.4小泵压油管内径计算……………………………………………………
6.3.5双泵并联，压力油汇合后油管内径的确定…………………………
7压力系统性能的验算…………………………………………………………………
7.1系统的压力损失验算……………………………………………………………
7.1.1局部压力损失计算…………………………………………………………
7.1.2沿程损失计算………………………………………………………………
7.2液压系统发热量的计算和油冷却器传热面积的确定…………………………
7.2.1液压系统发热量的计算……………………………………………………
7.2.2油箱容量计算和油箱散热面积的确定……………………………………
7.2.3油冷却器的计算……………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………………………………
附录…………………………………………………………………………………………
1绪论
注塑机是中国产量和应用量最大的塑机品种，也是中国塑机出口的主力80年代以后，中国注塑机行业得到快速发展，年增长率在20%以上，并逐步形成了以浙江宁波、广东东莞、顺德等地为主的加工基地。
其中，宁波的注塑机产销量占全国总产销量的五成以上。
其中包括全球产销量第一的中国宁波海天集团有限公司和十多家外资企业，涉及到的零部件配套企业多达数百家。
目前，中国大型骨干注塑机生产企业大多是合资企业，引进了国外先进的技术和管理模式。
在技术方面，中国生产的注塑机已从普通机型向大型机、全电动机、电液复合机和专用注塑机方面发展。
其中海天开发出了中国最大锁模力的注塑机，用于汽车配件的生产；震雄开发出了全电动用于光盘生产的专用机和用于PET瓶坯注塑的专用机型。
虽然从整体上看，中国生产的注塑机还主要是低端产品，但以海天和震雄为代表的注塑机生产企业正努力向中端市场发展。
在应用方面，中国注塑机以通用型为主，一般性的塑料制品如玩具、文具、日用品、家具、装修材料的生产占据最大的市场份额。
其次，注塑机主要用于大型家电，如冰箱、彩电、洗衣机、空调机、计算机壳体等的生产，这一应用市场占据了中国工程塑料总量的40%以上，国产注塑机在这一市场上占有率较高。
注塑机应用的另外一个重要领域是包装制品的生产，主要用于PET瓶坯、塑料瓶、瓶盖等产品。
其中PET瓶坯专用注塑机市场目前主要以进口设备为主。
一些专用注塑机如用于生产精细陶瓷组件的陶瓷注塑机和生产钕铁硼电子组件的磁性注塑机，由于用量不太大，没有得到机械生产企业的重视。
但随着市场的进一步细分，开发相关专用机型具有重要意义。
我设计这台机器的目的是：
为了进一步了解注塑机的结构和其工作原理,把我们学习的理论用到实际中去。
2SX-ZY-250型塑料注射成型机液压系统设计参数
项目
单位
SX-ZY-250
公称注射量
㎝3
250
螺杆直径
mm
45
螺杆行程
mm
270
最大注射压力
MPa
130
注射容量（理论值）
㎝3
270
螺杆转速
r/min
0～180
注射座行程
mm
365
合模力
KN
1600
启模力
KN
60
顶出力
KN
36
注射总力
KN
160
注射座最大推力
KN
40
快速闭模速度
mm/s
100
慢速闭模速度
mm/s
20
快速启模速度
mm/s
105
慢速启模速度
mm/s
40
快速注射速度
mm/s
25
注射座前移速度
mm/s
48
注射座后退速度
mm/s
60
顶出速度
mm/s
35
3工况分析
塑料注射成型机液压系统的特点是整个动作循环过程中，系统的负载变化和速度变化均变大，在进行工况分析时必须加以考虑。
3.1合摸油缸负载
闭摸动作的工况特点是：
模具闭合过程中的负载是轻载，速度有慢—快—慢的变化；模具闭合后的负载为重载，速度为零。
3.1.1根据合模力确定合模油缸推力
由于合模机构形式不同，合模油缸推力的计算方法也就不一样。
SX—ZY—250注射机合模机构采用了液压—机械组合形式。
图3.1
根据连杆机构受力分析可得合模油缸推力为：
P1z=P合/[18.6×（I1/I）+1]
试中P1z—合模油缸为保证模具锁紧所需的油缸推力，牛；
P合—模具锁紧所需的合模力，牛。
I1/I—有关长度之比，SX—ZY—250注射机合模机构取I1/I=0.8，故为保证模具锁紧力（1600KN）所需的油缸推力为；
P1z=1600000/15.9=100628（牛）
3.1.2空行程时油缸推力
空行程时油缸推力P1q只需满足克服摩擦力的要求。
根据同类型机台实测结果，取P1q=0.14P1z则：
P1q=0.14×100628=14088（牛）
SX—ZY—250注射机闭模速度较小，因此惯性力很小，可忽略。
3.1.3启模时油缸推力
启模时油缸推力P2z需满足启模力和克服油缸摩擦力的要求，即：
P2z=P启+T=60000+0.1×60000=66000（牛）
3.2注射座整体移动油缸负载
注射座整体移动过程中，油缸推力P3q只需满足克服各种摩擦力的要求，而当喷嘴接触模具浇口时，则必须保持注射座油缸最大推力P3z为40KN，以使注射成型过程正常进行。
根据类比，取P3q=0.23P3z则P3q=0.23X40000=9200（牛）。
3.3注射油缸负载
注射过程中，负载是变化的，当熔融塑料注人模腔时，注射压力由零逐渐沿AB上升，模腔注满时压力由B急速上升到C点，当冷却时塑料收缩，压力降低，为防止收缩需补缩保压，其压力为DE曲线如下：
图3.2
根据最大注射压力和螺杆直径，可确定注射缸的最大推力为：
P4z=1/4兀d2螺P注=206.6（KN）
保压过程中油缸负载一般要比注射过程油缸负载小，其值随制品形状，塑料品种以及成型工艺条件不同而异。
3.4顶出油缸负载
顶出油缸的最大推力P5z需满足制品顶出力和克服油缸摩擦力的要求，即：
P5z=P顶+T=36+0.1×36=39.6（KN）
3.5初算驱动油缸所需的功率
根据上述工况分析可知，在注射过程中，系统所需的功率为最大，
N=（Pmax×V/n）×10-3
试中N—驱动油缸所需的功率，千瓦；
Pmax—最大的负载，牛
V—在最大负载时的工作速度，米/秒；
n—包括油泵在内的驱动装置总效率。
N=（Pmax×V/n）×10-3=206.6×103×25×10-3×10-3/0.8=6.5（KW）
4油缸工作压力和流量的确定
4.1油缸工作压力的确定
根据注射成型工艺对压力和速度的要求，结合我国目前生产的情况及油泵供应情况，初选油缸工作压力为6.5MPa。
表4.1国产注塑机压力流量参数
XS-ZS
-22
XS-ZS
-60
XS-ZY
-125
XS-ZY
-125A
XS-ZY
-250A
XS-ZY
-350A
XS-ZY
-500
XS-ZY
-1000
XS-ZY
-3000
XS-ZY
-4000
注射量
20、30
60
125
125A
250
350
500
1000
3000
4000
MPa
6.5
6.5
6.5
7.0-14.0
7.0-14.0
6.5
6.5
14.0
14.0-32.0
32.0
KW
5.5
11
11
10+10
30
22
22
40+5.6
+5.5
45+55
55+75
+11+1.1
表4.2国外产注塑机压力流量参数
注身量
30
60
125
250
500
1000
2000
压力范围
5-14.8
5-16
7-21
7-21
7-21
7-21
7-21
流量范围
～80
～130
～210
210
～360
～185
～240
压力百分比
7mpa
60%
7、14mpa
各50%
14、21mpa
各40%
14占57%
21占23%
14mpa占40%
14-21mpa
占60%
4.2油缸几何尺寸的确定
4.2.1根据合模油缸最大推力确定合模油缸内径
合模油缸采用当活塞杆油缸，工作腔为无杆腔，油缸内径计算，即：
A=兀D2/4=Pmax/P
试中A—油缸工作面积，m2
Pmax—油缸所克服的最大负载，n；
P—油缸的工作压力，Pa。
D合=（4Pmax/兀P）1/2=（4×100628/3.14×12×106）1/2=0.1（m）
SX—ZY—250注射机合模油缸内径取0.1m。
活塞杆直径d合取为0.4D合，即：
d合=0.4D合=0.4×0.1=0.04（m）
SX—ZY—250注射机合模油缸活塞杆直径取为0.04m。
4.2.2根据注射座注射座最大推力确定注射座移动油缸内径
注射座移动油缸采用单活塞杆油缸，工作腔为无杆腔，油缸内径为：
D注座=（4Pmax/兀p）1/2=[（4×40000）/（3.14×12×1000000）]1/2=0.065（m）
SX—ZY—250注射机注射座移动油缸内径取为0.065m。
活塞杆直径d注座取为0.4D注座，即
d注座×0.4D注座=0.4×0.065=0.026（m）。
4.2.3根据注射油缸最大推力确定注射油缸内径
注射油缸采用双活塞杆油缸，位于工作腔端的活塞杆用来作为行程控制预塑加料，活塞杆直径取与螺杆直径相同，即为45mm。
注射油杆内径可用下式计算：
D注=[（4Pmax+兀d2螺p）/（兀p）]1/2=[（4×206600+3.14×0.0452
×6.5×106）/（3.14×6.5×106）]1/2=0.206（m）
4.2.4根据顶出油缸最大推力确定顶出油缸内径
顶出油缸采用单活塞杆油缸，工作腔为无杆腔，油缸内径按公式计算，即：
D顶=（4Pmax）/（兀p）=[（4×39.6×103）/（3.14×6.5×103）]1/2=0.088
活塞杆直径d顶=0.4D顶=0.4×0.088=0.0352（m）
4.3根据确定的油缸直径标准值，计算实际使用的油缸工作压力，绘制整个动作循环压力图
SX—ZY—250注射机，各动作循环的油缸工作压力和动作如表4.3所示。
表4.3SX—ZY—250注射机液压系统油缸工作压力及动作时间表
工况
油缸工作腔压力计算公式
油缸工作腔压力
（兆帕）
时间
（秒）
闭模空行程
P=4P1q/兀D2合=（4×14088）/（3.14×0.12）
1.8
3.5
闭模锁紧
P=4×P1z/兀D2合=（4×100628）/（3.14×0.12）
12.8
3.5
注座前移
P=（4×P3q）/（兀D2注座）=（4×9200）/（3.14×0.0652）
2.8
5
注座顶紧
P=（4P3z）/（兀D2注座）=（4×40000）/（3.14×0.0652）
12
5
注射
P=4P4/兀（D2注—d2螺）=（4×206600）/[3.14×（0.2062-0.0452）]
6.5
3
保压
根据制品形状，塑料品种及成型工艺条件的不同而异，一般比注射压力底。
取12
16
预塑
SX—ZY—250注射机的螺杆是采用电机经过齿轮减速箱而驱动的，故螺杆传动装置所需的为零。
0
15
冷却
冷却阶段各油缸皆不进压力油，故油缸所需压力为零。
0
30
启模
P=4P2z/兀（D2合—d2合）=4×66000/3.14（0.12—0.042）
10
4
顶出
P=（4P5z）/（兀D2顶）=4×39600/（3.14×0.0882）
6.5
4
启模空行程
P=4P1q/兀（D2合—d2合）=4×14088/3.14×（0.12-0.042）
2.1
4
4.4油缸所需流量的确定
SX—ZY—250注射机各动作循环中油缸所需流量如表4.4所示。
表4.4SX—ZY—250注射机动作循环中油缸所需流量
工况
油泵所需流量计算公式
流量
（升/分）
慢
速
闭
模
Qmin=6vmin兀/4D2合×104=〔6×0.02×3.14×0.12×104〕／4
9.5
快
速
闭
模
Qmax=6vmax兀/4D2合×104=〔6×0.1×3.14×0.12×104〕／4
47
注
射
座
前
移
Q=6v兀/4D2注座×104=〔6×0.048×3.14×0.0652×104〕／4
9.5
注
射
座
后
移
Q=6v兀/4（D2注座-d2注座）×10^4=〔6×0.06×3.14×（0.0652-0.0262）×104〕／4
10
快
速
注
射
Qmax=6vmax兀/4（D2注-d2螺）×104=〔6×0.025×3.14×（0.2062-0.0452）×104〕／4
47.5
保
压
保压是为了补缩，故所需流量很小。
但该阶段系统所耗油量视所选小泵而定
12
预
塑
预塑时螺杆传动装置不需油泵供油
0
冷
却
冷却阶段各油缸皆不进压力油，故油缸所需流量为零
0
快
速
启
模
Qmax=6vmax兀/4（D2合-d2合）×104=〔6×0.105×3.14×（0.12-0.04^2）×104〕／4
41.5
顶
出
Q=6v兀/4D2顶×104=〔6×0.035×3.14×0.0882×104〕／4
12.7
慢
速
启
模
Qmin=6vmin兀/4（D2合-d2合）×104=〔6×0.04×3.14×（0.12-0.042）×104〕／4
15.8
4.5油缸功率图的绘制
图4.5SX—ZY—250注射机当采用固定预塑方式时流量循环图
表4.5SX—ZY—250注射机各种动作循环中油缸所需功率
工况
油泵所需功率计算公式
功率（千瓦）
慢
速
闭
模
N=[PQ×10-6]/60=（1.8×106×9.5×10-6）/60
（式中P—帕，Q—升/分）
0.29
快
速
闭
模
N=[PQ×10-6]/60=（1.8×106×47×10-6）/60
1.4
注
射
N=[PQ×10-6]/60=（6.5×106×47.5×10-6）/60
5.2
保
压
N=[PQ×10-6]/60=（12×106×12×10-6）/60
2.4
预
塑
预塑时螺杆传动装置所需功率由单独的预塑电机供给
3.5
冷
却
在冷却阶段各油缸皆不进压力油，故油缸所需功率为零
0
快及
速顶
启出
模
本机采用在启模工程中顶出制品
故
N=[PQ×10-6]/60=（10×106×（41.5+13）×10-6）/60
9
慢
速
启
模
N=[PQ×10-6]/60=（2.1×106×15.8×10-6）/60
0.55
5液压系统方案和工作原理图的拟定
根据以上工况分析和计算，可初步拟定出液压系统方案。
根据塑料注射机工作部件速比很大，但又不需要大范围无级调速的特点，本机拟采用量不同的两个定量油泵并联供油的开式系统，这一方案与单泵供油系统相比效率较高，系统发热少；而与变量油系统相比，结构简单，成本低。
为满足注射速度的调节，选用调速阀进行口节流调速，其特点是注射油缸回油的阻力小，可以获得较大的注射推力，而且调速范围较大，速度稳定性较好。
缺点是油通过调速阀发热后进入注射油缸，造成油缸泄漏增加。
根据塑料的品种、制作的几何形状和模具的浇注系统的不同，注射系统采用了两级压力控制，以便灵活地控制注射压力和保压压力。
为了便于实现自动循环，系统的换向控制阀多数采用三位四通电液换向阀和电磁抽阀。
采用电液换向阀换向过程比较平稳，适用于压力较高及流量较大的场合，但结构较复杂，成本高。
三位四通换向阀滑中位机能除注射电液换向阀和控制两级压力动作的电磁换向阀外，皆采用O型，其换向停止的位置精度较高，且能满足本机并联多油缸油路系统的工作需要。
注射电液换向阀和控制两级压力动作的电磁换向阍采用Y型机能，既满足本机并联多油缸油路系统的工作需要，又分别利用中位Y型机能满足螺杆预料后退时注射油缸左腔形成真空进行吸油的需要和使控制两级压力大小的远程调压阀处于非工作状态位置进行卸荷的需要。
在启模系统中采用进油节流增加启模阻力，以满足模过程中实现制品顶出的要求，从而缩短辅助时间，提高生产率。
本系统除采用时间继电器控制保压和冷却动作外，其余皆采用行程开关控制各油缸可靠地依次动作和进行速度换接。
为使用加工塑料得到良好的塑化质量，本机在注射系统中采用了背压阀，控制螺杆退回时间，以使塑化的塑料比较密实，且有利于分离气体的排出。
图5.1SX-ZY-250注射机液压系统的工作原理图
表5.1SX—ZY—250注射机动作顺序说明
6液压元件的选择
6.1油泵的选择
6.1.1油泵工作压力的确定
油泵工作压力按公式计算，即：
PB=P+∑△P
由于在注射液压系统中，压力油所经过的数量较多，故压力损失∑△P亦较大，查表取∑△P=0.8Mpa。
注射油缸最大工作压力P可根据表1—1取6.5Mpa。
于是油缸工作压力即为：
PB=6.5+0.8=7.3（MPa）
所选油泵的额定工作压力应为：
P额=1.25PB=9.1（MPa）
根据上述计算结果，应选额定压力为14Mpa的双级叶片泵。
6.1.2油泵流量的确定
油泵流量可按公式计算，即：
QB≥K（∑Q）max=1.1×226=248.6（升/分）
根据油泵的额定压力和流量的计算结果以及快、慢运动所需的要求，应选用双级叶片泵油泵系列。
6.1.3油泵电机功率的确定
注射机在整个动作循环中，系统的压力和流量是变化的，故油泵电机功率应按公式计算，即：
Nm=[（N12×t1+……+Nn2×tn）/（t1+……+tn）]1/2
Nm—等值功率，KW：
N1,……,Nn—一个动作循环中各阶段所需的功率，KW。
t1,……,tn—一个动作循环中各阶段所需的时间，S。
在选择驱动油泵的电机时，应首先比较等值功率与各个动作的最大功率。
当最大功率在电机允许的短时超载范围内时，可按等值功率选取电机，否则应按最大功率选取电机。
即：
Nmax≤KNe
式中Nmax—最大功率，KW；
Ne—电机额定功劳，KW；
K—电机的过载系数。
一般对直流电机，K=1.8～2.5；对异步电机，考虑到电网电压的波动，一般取，K=1.5～2.0。
（1）慢速闭模小泵工作，大泵卸荷
小泵工作压力P1等于慢速闭模时合模油缸所需压力与闭模液压系统压力之损失和。
压力损失取为0.3Mpa，则P1=2.1Mpa。
此时流量Q1可根据产品样本用内插法求得为12升/分，并取小泵总功率n1为0.35。
大泵卸货压力P2（流量阀卸货压力）取为0.6Mpa，Q2=47升/分,n2取为0.30。
所以在慢速闭模时油泵所需功率N1为：
N1=[P1Q1×10-6]/（60n1）+[P2Q2×10-6]/（60n2）
=[2.1×106×12×10-6]/（60×0.35）+[0.6×106×47×10-6]/（60×0.3）
=2.77（KW）
（2）快速闭模,大,小泵皆工作
油泵工作压力P等于快速闭模时合模油缸所需压力与闭模液压系统压力之损失和。
压力损失取为0.5Mpa，则P=2.3Mpa，Q1=12升/分，Q1=47升/分，n=0.35。
所以在快速闭模时油缸所需功率N2：
N2=[P（Q1+Q2）×10-6]/（60n）
=[2.3×106×（12+47）×10-6]/（60×0.35）
=6.4（KW）
（3）连杆琐紧,大,小泵皆工作
以使连杆迅速倒达自琐位置。
油缸工作压力P=13Mpa（其中∑△P=0.2M
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