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摘 要 注射成型機是將熱固性或熱塑性的塑料制作成為各種塑料制件的成型設備。注射成型機又是在塑料加工機械中較為復雜及精密的機器。目前，隨著機器生產率的提高和自動化生產的發(fā)展，塑料制件已日益廣泛地運用到國防、電氣、航空、機械、科教文衛(wèi)等各個領域，注塑成型機也得到了極為廣泛的運用。 本論文的內容主要為注塑機注射部分的設計，有關各章節(jié)內容分述如下： （1）介紹了課題的背景和意義，總結了注塑機注射部分設計及優(yōu)化研究現(xiàn)狀，闡述了基于CAD軟件下的優(yōu)化方法，提出了本論文的基本框架。 （2）介紹了塑化部件的設計，研究了螺桿、螺桿頭、料筒，分析了其分類和優(yōu)缺點。 （3）介紹了注射油缸的設計，研究了注射油缸直徑、活塞桿直徑，包括對其尺寸的計算。 （4）介紹了傳動部分的設計，研究了其所能承受了扭矩和轉速，并對其軸承做了介紹。 （5）介紹了移動油缸的設計，研究了移動油缸的油缸直徑和活塞桿直徑，包括對其尺寸的計算。 設計這臺機器的目的是：為了進一步了解注塑機的結構和其工作原理，把我們學習的理論用到實際中去。 關鍵詞：注塑機；螺桿；注射油缸；傳動部分 Abstract The injection molding machine is an equipment that thermosetting or thermoplastic plastic can be made into all kinds of plastic parts. Plastic industry and its molding machinery industry are emerging parts. Injection molding machine is complicated in plastic processing machinery and precision of the machine. At present, with the development of the machine productivity and automation production, plastic parts have been increasingly widely used in national defense, electrical, aviation, machinery, science，education，culture，health and so on. The content of this paper is mainly for the design of injection molding machine injection parts, relevant chapters of the content will be introduced with the topic background and significance, In chapter 1, the paper summarizes the injection molding machine with the injection part of the design and optimization research present situation, which is elaborated and based on CAD. The paper also puts forward the basic framework of this paper. In chapter 2, the paper introduces the plasticizing unit, the screw, cylinder head, and analyses the classification of advantages and disadvantages. In chapter 3, the paper introduces the design of the injection cylinder, and studies the injection cylinder diameter, also with the diameter of the piston rod, which includes the calculation of its size. In chapter 4, the paper introduces the transmission part of the design. It can withstand the torque and rotate speed which is studied, and the paper also introduces the present of the bearing. In chapter 5, the paper introduces the design of the moving oil cylinder, the mobile oil cylinder diameter of cylinder and the piston rod diameter, including the calculation of the size. My purpose to design this machine's to further understand the structure of the injection molding machine and its working principle; we study the theory in practice. Key words: injection molding machine; Screw; Injection of oil cylinder; the transmission part 目 錄 1 緒論 1 1.1 本課題的研究內容和意義 1 1.2 注塑機發(fā)展概況 1 1.3注塑成型原理 2 1.4本課題應達到的要求 5 2 塑化部件設計 6 2．1柱塞式 6 2．2 螺桿式 6 2.2.1 螺桿式塑化部件 6 3 注射油缸的設計 12 3.1 注射裝置的形式 12 3.2 注射油缸的結構 12 3.3 注射油缸直徑的計算 14 4 傳動部分的設計 15 4.1 螺桿傳動方式的介紹 15 4.2 螺桿轉速的計算 17 4.3 螺桿傳動特性及驅動功率 18 4.4傳動部件中軸承的選擇 20 4.4.1 軸承類型介紹 20 4.4.2 選擇軸承時的考慮因素 22 4.4.3 軸承尺寸的計算 23 5 移動油缸 25 5.1 移動油缸的結構 25 5.2 移動油缸的計算 26 結論與展望 27 致謝 28 參考文獻 29 附錄…………………………………………………………………………………..30 III 注塑成型機注射部分設計 1 緒論 1.1 本課題的研究內容和意義 本論文的內容主要為注塑機注射部分的設計，有關各章節(jié)內容分述如下： 介紹了課題的背景和意義，總結了注塑機注射部分設計及優(yōu)化研究現(xiàn)狀，闡述了基于CAD軟件下的優(yōu)化方法，總結了注塑機注射部分發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，提出了本論文的基本框架。 第一章， 介紹了塑化部件的設計，研究了螺桿、螺桿頭、料筒的選擇，分析了其分類和優(yōu)缺點。 第二章， 介紹了注射油缸的設計，研究了注射油缸直徑、活塞桿直徑，包括對其尺寸的計算。 第三章， 介紹了傳動部分的設計，研究了其所能承受了扭矩和轉速，并對其軸承的選擇做了介紹。 第四章， 介紹了移動油缸的設計，研究了移動油缸的油缸直徑和活塞桿直徑，包括對其尺寸的計算。 意義：改進注塑機的構造，降低成本，為了進一步了解注塑機的結構和其工作原理，把我們學習的理論用到實際中去。 1.2 注塑機發(fā)展概況 中國塑料注射成型機產業(yè)從1958年上海生產第一臺60克注塑機開始，從無到有、從小到大逐步做強，特別是改革開放30多年來，中國注塑機實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，取得了巨大成就。 塑料注射成型機是中國機械工業(yè)不可忽視的重要組成部分，產品種類多，應用領域廣，關聯(lián)程度大，綜合性能強，技術資金密集，是促進汽車工業(yè)、建筑材料工業(yè)、電子通信工業(yè)、輕工業(yè)、國防工業(yè)等各行業(yè)發(fā)展、豐富人民物質文化生活的重要產業(yè)，也是具有較強國際競爭力的優(yōu)勢產業(yè)，是名符其實的注塑機制造大國和出口大國，在全球塑機市場上具有重要地位。近幾年來，隨著控制技術的不斷發(fā)展與完善，注塑機已朝著自動化、節(jié)能化、智能化、無人化等方向發(fā)展。如采用計算機數(shù)字化控制和程序化控制，使注塑機具有自動控制、自動診斷、自動調節(jié)、自動補償功能；控制系統(tǒng)實行模塊化、集成化；采用成組技術，通過網(wǎng)絡實施多臺注塑機的群控。在成型工藝方面，低壓注射成型、交變注射成型、注射壓縮成型、熔芯成型工藝都已開始出現(xiàn)。 1.3注塑成型原理 注射成型是把塑料通過料斗加入機筒中，機筒外部由加熱圈加熱，使塑料熔融。在機筒內部裝有馬達驅動旋轉的螺桿，塑料在螺桿的旋轉作用下沿著螺槽向前輸送，同時在加熱圈和螺桿剪切的雙重作用下塑料逐漸塑化。當已熔融的物料推到螺桿的頭部時，螺桿在物料的反作用下進行后退，使螺桿頭部形成儲料空間，完成塑化過程。然后，螺桿在注射油缸的活塞推力作用下，以高速、高壓將儲料室內的熔融料通過噴嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料經過保壓、冷卻、固化定型后，在合模機構的作用下，開啟模具，并通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出。 注射成型是一種以高速高壓將塑料熔體注入已閉合的模腔內，經冷卻定型，得到與模腔相一致的塑料制品的成型方法。 一臺標準的注塑機必須具備如下基本功能： 1. 對加工塑料實現(xiàn)塑化計量并將熔料射出的功能； 2. 對成型模具實現(xiàn)啟閉和鎖緊的功能； 3. 實現(xiàn)在成型過程中所需能量的轉換與傳遞的功能； 4. 對工作程序及工藝條件設計與控制的功能。 圖1.1 注塑機 圖1.2 注塑機結構示意圖 圖1.3 注射部分結構示意圖 塑料干燥 脫模過程 模具溫度 冷卻時間 塑化過程 注射過程 保壓過程 模具冷卻 干 燥 溫 度 / 時 螺桿轉速 塑化溫度 塑 化 量 背 壓 抽膠位置 注射位置 注射壓力 注射時間 注射速度 模具溫度 保壓壓力 保壓時間 模具溫度 圖1.4 注塑的過程 1.4本課題應達到的要求 ① 熟練掌握注射裝置的型式和結構； ② 熟練掌握注射裝置的工作原理； ③ 熟練掌握螺桿式塑化部件的設計； ④ 熟練掌握注射油缸的設計 ⑤ 熟練掌握螺桿傳動裝置的設計； ⑥ 熟練掌握移動油缸的設計； ⑦ 熟練使用AUTO-CAD進行設計及3D制圖技巧。 2 塑化部件設計 2．1柱塞式 注塑機塑化部件主要有兩種形式：柱塞式、螺桿式。柱塞式的優(yōu)點是結構簡單，軸向的尺寸短，安裝方便，對物料的適應性強，可使用再生料；缺點是熱能消耗大，注射壓力損失大，塑化效果差，由于現(xiàn)在對塑料制品的要求越來越高，因此單獨使用較少。 2．2 螺桿式 特點是：塑化功能好，使塑化和注射良好的統(tǒng)一，結構簡單，緊湊，得到普遍應用。此次塑化部件采用螺桿式塑化裝置。 2.2.1 螺桿式塑化部件 主要由螺桿、機筒（又稱料筒）、螺桿頭、止回環(huán)、止回墊、噴嘴、加熱部分組成。塑料在轉動螺桿的連續(xù)推進過程中，實現(xiàn)了物理狀態(tài)的變化，最后呈熔融狀態(tài)而被注入模腔。 螺桿是塑化部件中的關鍵部件，和塑料有直接接觸，塑料通過螺槽的有效長度，經過長時間的加熱歷程，所以螺桿的各個功能段的長度、幾何形狀、幾何參數(shù)將直接影響塑料的輸送效率和塑化質量，最終影響注射成型周期和制品的質量。 注射螺桿在熔融過程中為非穩(wěn)定過程，主要表現(xiàn)為熔融效率不穩(wěn)定和塑化后的熔料存在較大的軸向溫差。特別是后者直接關系到制品的質量。影響軸向溫差的因素有： 樹脂性能：對于粘度大，熱物理學性能差的樹脂，其溫差大； 加工條件：螺桿轉速高、行程大、油缸背壓低、料筒全長溫度差大，其溫差大； 螺桿形狀及要素：對長徑比小、壓縮比小的普通螺桿，其溫差大； 因此，在設計時從保證塑化質量出發(fā)，螺桿轉速、注射行程需要控制。 注射螺桿按其對塑料的適應性，一般分為通用螺桿和特殊螺桿。通用螺桿又稱常規(guī)螺桿，可加工絕大部分具有低,中黏度的熱塑性塑料，結晶型和非結晶型的民用塑料和工程塑料，是螺桿最基本的形式。與其相應的還有特殊螺桿，是用來加工普通螺桿難以加工的塑料，例如熱固性塑料、聚氯乙烯、高粘度的PMMA。 按螺桿結構及其幾何形狀的特征，可分為常規(guī)螺桿和新型螺桿。常規(guī)螺桿又稱三段式螺桿，是螺桿的基本形式。新型螺桿形式有很多，主要有分離型螺桿、分流型螺桿、波狀螺桿、橫紋螺桿、無計量段螺桿、兩段式排氣螺桿、強混煉型螺桿等等。 表2-1已知條件 名 稱 參 數(shù) 備 注 螺桿直徑 mm 38 長徑比 L/D 21 理論容積 cm3 172 注射量（PS） g 155 注射壓力 MPa 176 油泵排量 L/min 53 工作油壓力 MPa 160 液壓馬達 NH3-300 噴嘴壓力 t 3.4 根據(jù)表中的參數(shù)進行計算，確定螺桿長度、機筒外徑、注射油缸直徑、注射油缸行程，注射速率、塑化能力、移動油缸直徑、移動油缸行程等。 假設已知下列參數(shù)，確定螺桿長度、機筒外徑、注射油缸直徑、行程，注射速率、塑化能力、移動油缸直徑、行程等。 L3：均化段（計量） L/D：螺桿長徑比 L1：加料段（輸送） L2：壓縮段（塑化） h1:加料段的螺槽深度 h3:均化段的螺槽深度 i：壓縮比,i＝h1/h3 e:螺棱法向寬度 L1 L2 L3 L h1 h3 S e D θ θ:螺紋升角 S :螺距 圖2.1 螺桿的示意圖 2.2.1.1螺桿的基本形式和幾何參數(shù) 如上圖所示，主要由有效螺紋長度L和尾部的連接部分組成。螺桿頭部設有裝螺桿頭的反向螺紋。本次設計采用普通形式的通用型螺桿，從而適應多種塑料加工，避免頻繁更換螺桿，有利生產效率的提高。 通用型螺桿有效長度分成加料段、壓縮段、均化段。 A． 注射行程 由已知條件得螺桿直徑，理論注射容積，因此求得注射行程。 （2.1） —螺桿直徑(mm) —機器理論注射容積 —注射行程(cm)， —螺桿行程與直徑的比值，常取，最大可到5左右，視螺桿性能而定, 可求得S=151.7mm L=21DS=798mm B．壓縮比 螺桿壓縮比是h1/h3之比，壓縮比大，剪切效果強，塑化能力弱，對于普通型塑料，一般取2.2-2.6之間。 h1是加料段的螺槽深度。h1深，則容納的物料多，提高了供料量，但會影響物料塑化效果以及螺桿根部的剪切強度。一般h1=（0.12～0.2）Ds,本次設計取h1=6.33mm. h3是熔融段螺紋深度。h3小，螺槽淺，提高了塑料熔體的塑化效果，有利于熔體的均化。但h3過小會導致剪切速率過高，以及剪切熱過大，引起大分子鏈的降解，影響熔體質量。反之，如果h3過大，由于在預塑時，螺桿背壓產生的回流作用增強，會降低塑化能力。所以合適的h3應由壓縮比來決定，本次設計取h3=2.5mm 壓縮比 C．螺桿幾何參數(shù) L1是加料段長度。加料段又稱輸送段或進料段。為了提高輸送能力，螺槽表面一定要光潔。L1 的長度應保證物料有足夠的輸送長度，一般L1=（9～10）Ds, 本次設計取L1 =380mm. L3是熔融段（均化段、計量段）螺紋長度。熔體在L3段的螺槽中得到進一步的均化：溫度均勻，黏度均勻，組分均勻，分子量分布均勻，形成較好的熔體質量。L3長度有助于穩(wěn)定熔體在螺槽中的波動，有穩(wěn)定壓力的作用，使物料以均勻的料量從螺桿頭部擠出，所以又稱計量段。一般L3=（4～5）Ds，本次設計取L3=190mm L2是塑化段（壓縮段）螺紋長度。物料在此錐體空間中不斷地受到壓縮、剪切和混煉作用，物料從L2段入點開始，熔池不斷地加大，到出點處熔池已占滿全螺槽，物料完成從玻璃態(tài)，經過黏彈態(tài)向黏流態(tài)的轉變，從固體床向熔體床的轉變。L2長度會影響物料從固態(tài)到黏流態(tài)的轉化歷程，太短會來不及轉化，固料賭塞在L2段的末端，形成很高的壓力、扭矩或軸向力、太長也會增加螺桿的扭矩和不必要的能耗，一般L2=（4～8）Ds，本次設計取L2=190mm S是輸送槽螺距，其大小影響螺旋角，從而影響螺槽的輸送效率，一般 e是螺棱寬度，其寬窄影響螺槽的容料量、熔體的漏流以及螺棱耐磨損程度，一般為（0.05～1） 本次設計取e=3.5mm D.螺桿材料與熱處理 目前國內常用材料為38CrMoAl，熱處理采用氣體氮化工藝或高頻淬火加鍍鉻處理。本次設計采用氣體氮化工藝。 圖2.2螺桿 2.2.1.2 螺桿頭 注塑螺桿和擠出螺桿之間重要區(qū)別，在于前者裝有各種特殊結構形式的螺桿頭，這是由螺桿工作特性所決定的。在注射螺桿中螺桿的作用是預塑時，能將塑化好的熔體放流到儲料室中，而在高壓注射時，又能有效地封閉螺桿頭前部的熔體，防止倒流。 螺桿頭要求： 1、 止逆環(huán)與料筒配合間隙要適宜，既要防止熔料回泄又要靈活； 2、 既有足夠的流通截面，又要保證止逆環(huán)端面有回程力，使注射時快速封閉； 3、 止逆環(huán)屬于易磨損件，應采用硬度高的耐磨、耐蝕合金材料制造； 4、 結構上應拆裝方便，便于清洗； 5、 螺桿頭的螺紋與螺桿的螺紋方向相反，防止預塑時螺桿頭松脫。 圖2.3螺桿頭示意圖 2.2.1.3 料筒 料筒是塑化部件的重要零件，內裝螺桿外裝加熱圈，承受復合應力和熱應力的作用。 A. 料筒壁厚 料筒壁厚要求有足夠的強度和剛度，因為料筒內要求要承受熔料和氣體的壓力，且料筒長徑比很大，在注塑座上懸臂；料筒要求有足夠的熱容量，否則難以保證溫度穩(wěn)定性；如果太厚。料筒笨重，浪費材料，熱慣性大，升溫慢，溫度調節(jié)產生滯后現(xiàn)象。 表2-2（部分機筒的K值） 螺桿直徑（mm） 34 42 50 65 85 110 130 150 機筒壁厚（mm） 25 29 35 47.5 47 75 75 60 比值（k） 2.47 2.40 2.40 2.46 2.10 2.36 2.15 1.80 根據(jù)插值法算得 及 (2.2) (2.3) （2.4） ——機筒壁厚（mm） ——螺桿的螺紋長度（mm） ——機筒內徑（mm） ——機筒外徑（cm） ——注射速率（cm3/s） ——注射時間（s） 表2-3間隙值/mm 螺桿直徑 ≥15～25 ＞25～50 ＞50～80 ＞80～110 ＞110～150 ＞150～200 最大徑向間隙 ≤0.12 ≤0.20 ≤0.30 ≤0.35 ≤0.15 ≤0.50 B． 料筒間隙 料筒間隙系指料筒內壁與螺桿外徑的單面間隙。此間隙太大塑化能力降低，注射回泄量增加，注射時間延長；如果太小，熱膨脹作用使螺桿與料筒摩擦加劇，能耗加大，甚至卡死，此間隙△=（0.002～0.005）DS C．加料口形式 加料口結構形式直接影響進料效果和塑化部件吃料能力，注塑機大多數(shù)靠料斗中物料的自重加料，因此一般選擇加大物料與螺桿的接觸角大，接觸面積大，有利于提高進料效率，不易在料斗中形成架橋空穴。 D． 料筒材料 料筒、螺桿材料要求在高溫下耐磨、抗腐蝕，大多采用優(yōu)質氮化鋼38CrMoAlA加工后進行氮化處理。對于加工某些增強纖維填充物的復合材料，需配高碳、高硬度抗蝕耐磨的雙金屬片料筒。 圖2.4機筒 2.2.1.3 噴嘴 噴嘴是連接塑化裝置與模具流道的重要組件。具體功能有：預塑時，在螺桿頭部建立背壓，阻止熔體從噴嘴流出；注射時，建立注射壓力，產生剪切效應，加速能量轉換，提高熔體溫度均化效果；保壓時，直保溫補縮作用。噴嘴可分為敞開式、鎖閉式。由于敞開式噴嘴結構簡單，制造容易，壓力損失小，因此本次設計采用敞開式噴嘴。 噴嘴頭與模具的澆套要同心，兩個球面應配合緊密，否則會溢料。一般要求兩個球面半徑名義尺寸相同，而取噴嘴球面為負公差，其口徑略小于澆套口徑0.5～1mm為宜，二者同軸度≤0.25～0.3。 噴嘴口徑尺寸關系到壓力損失、剪切發(fā)熱以及補縮作用，與材料、注塑座及噴嘴結構形式有關 表2-4 噴嘴口徑 機器注射量/g 30～200 250～800 1000～2000 通用料開式噴嘴/mm 2～3 3.5～4.5 5～6 硬聚氯乙烯類開式噴嘴/mm 3～4 5～6 6～7 鎖閉式噴嘴/mm 2～3 3～4 4～5 表2-4注射成型機（通用型）注射量與注射時間關系 注射量（g） 注射時間（s） 注射量（g） 注射時間（s） 50 100 250 500 1000 0.8 1 1.25 1.5 1.75 2000 4000 6000 10000 2.25 3.0 3.75 5.0 根據(jù)表1-2可求得注射時間 （2.5） 圖2.5 注射部分 3 注射油缸的設計 3.1 注射裝置的形式 目前，常見的注塑裝置分為單缸和雙缸。在單缸中以液壓馬達或伺服電機直接驅動注塑螺桿的為常見，雙缸以低速或高速液壓馬達驅動居多，近年來還發(fā)展一種用伺服電機驅動螺桿預塑和注塑的注塑裝置。 單缸注射的結構特點是：在注射活塞與活塞桿之間布置有滾動軸承和徑向軸承，結構較為復雜，由于螺桿、油馬達、注射油缸是一線式排列，導致軸向尺寸加大，影響其穩(wěn)定性。 雙缸注射的優(yōu)點是：軸向尺寸短，各部分重量在注射座上分配均勻，工作穩(wěn)定，并且便于液壓管路和閥板的布置，使之與油缸及液壓馬達接近，管路短，有利于提高控制精度、節(jié)能等。 因此，本次選擇雙缸注射的形式。 3.2 注射油缸的結構 注射油缸缸筒通過其后、前端蓋用螺釘緊固在注射座的缸體座上?；钊麠U通過頭部的螺紋及螺母，壓蓋，螺釘與推力座固緊。注射油缸進油時，活塞帶動活塞桿及其置于推力座的軸承，推動注射螺桿前進或后退。通過活塞桿頭部的螺母可以對兩個平行活塞桿的軸向位置以及注射螺桿的軸向位置進行同步調整。 注射油缸固定在缸體座上，注射活塞桿與軸承推力座通過螺母調節(jié)活塞桿的軸向位置并使之固緊。油馬達固定在推力座上，并與注射螺桿相連接。推力座由注射活塞桿帶動，對螺桿實施推力，既能實現(xiàn)防延時的直線后退動作，又能實現(xiàn)在預塑時由油馬達驅動螺桿的旋轉與物料反推作用下直線后退的復合作用。 圖3.1注射座 圖3.1注射油缸分部件 其中推力軸位于推力座的中心線上，由推軸承、止推軸承及徑向軸承將其軸向固定，推力軸的大端與小端分別與油馬達的輸出軸和注射螺桿尾部的花鍵相連接。注射時，推力座通過主軸推動螺桿進行注射；預塑時，通過油馬達驅動推力軸帶動螺桿旋轉實現(xiàn)預塑。 3.3 注射油缸直徑的計算 圖3.2注射油缸示意圖 ——注射油缸直徑mm ——活塞桿直徑mm 根據(jù)壓強公式 （3.1） 現(xiàn)已知工作油壓力P=160MPa （3.2） 假設活塞桿的直徑d=45mm，可求得注射油缸直徑D=100mm 4 傳動部分的設計 4.1 螺桿傳動方式的介紹 螺桿的傳動方式與布置將影響到螺桿工作效能與注射裝置的整體結構。螺桿傳動裝置主要討論螺桿傳動及其傳動系統(tǒng)的特性及其系統(tǒng)主要設計參數(shù)的確定。 螺桿傳動裝置是供給螺桿在預塑時所需要的動力和速度的工作部件。注塑機螺桿傳動一般有一下幾個特點： （1） 螺桿預塑是間歇式進行工作的。因此啟動頻繁并帶有負載。 （2） 螺桿在轉動時，出料僅供注射用，對制品無直接聯(lián)系。而塑料的塑化狀況，可以通過調整背壓等途徑進行調節(jié)。因此，對螺桿的轉速要求并不十分嚴格。 （3） 傳動裝置一般設置在注射座架上，工作時并隨之往復運動。因此，傳動裝置要力求簡單緊湊。 根據(jù)上述注射螺桿的傳動特點和要求，目前使用的傳動形式比較多，如從實現(xiàn)螺桿變速方式進行分類，可分為無級調速和有級調速兩大類；從布置形式上分，有平行于螺桿軸線（垂直交叉）和螺桿同軸線對稱（一線）布置兩類；從工作時傳動裝置是否隨螺桿同時發(fā)生軸向位移，也可分為傳動部件隨動式和固定式兩種。在無級調速類中，主要以油馬達傳動為主；在有級調速類中，主要以電動機齒輪變速箱傳動為主。 表4-1油馬達與電動機傳動對比 項目 油馬達傳動 電動機——變速傳動 調速性 通過改變流量，可實現(xiàn)在大范圍內的無級調速，調節(jié)可在工作過程中進行 實現(xiàn)有級和范圍較小的調節(jié) 傳動特性 一般屬于恒力矩傳動 恒功率傳動，即低速時扭矩大 啟動與停止 啟動力矩?。ǎ?；啟動特性軟，慣性小 啟動力矩大（以上）特性硬，慣性大 效率 較低（），在低速下工作效率更低 較高（） 結構 緊湊，但油路復雜 笨重 過載保護 油馬達不會超負荷下工作，易于實現(xiàn)螺桿保護 必須單獨設置螺桿保護 圖4.1 傳動座 目前在注塑機螺桿上，越來越多地采用油馬達。其原因，除了傳動特性軟，啟動慣性小，不會超負荷工作，對螺桿能起安全保護作用等。還有液壓馬達傳動，其體積比同規(guī)格的電動機小的得多，傳動裝置容易實現(xiàn)體積小、重量輕，目前絕大多數(shù)注射機的傳動采用液壓傳動，當螺桿預塑時，機器正處在冷卻定型階段，此時油泵處于卸載狀態(tài)。如果用油馬達傳動，可方便地得到和合理地使用動力源。正是這樣，則要求螺桿塑化時間必須在制品冷卻時間內完成，否則就會出現(xiàn)油泵在動力分配上的矛盾。近來由于螺桿技術的發(fā)展，塑化能力有了較大的提高，使原塑化時間得到縮短，一般情況下能做到制品冷卻前完成塑化。這也是目前油馬達得到普遍應用的重要因素之一。油馬達能夠在比較大的范圍內，并且在螺桿轉動過程中實現(xiàn)螺桿轉速的無級調節(jié)。這點在控制熔料溫度的調節(jié)系統(tǒng)中和要求精確計量而須對螺桿轉速進行程序化設計時是不可缺少的。 由于注射螺桿對調速要求并不嚴格，加之電動機有級調速系統(tǒng)具有易維護、壽命長、效率高、螺桿預塑時間不受制品冷卻時間限制，驅動功率（扭矩）可很大，目前主要用于大型機上。新近日本FANUC公司開發(fā)了全部由AC伺服電機驅動的注射機，實現(xiàn)了低能耗、無油污染、低噪音新型注射成型機。對于電機傳動系統(tǒng)，因傳動特性硬，設計時應該防止螺桿過載的保護環(huán)節(jié)。 4.2 螺桿轉速的計算 螺桿的塑化能力與螺桿的轉速成正比。在一般情況下螺桿的塑化能力隨螺桿轉速的增加而增加。但在較高轉速下，其塑化能力的增加也非正比增加，有時卻相反。這是由于螺桿加料處的摩擦條件發(fā)生了變化，甚至發(fā)生料加不進的現(xiàn)象。對于結晶型熔解熱大的塑料，高轉速時如對機筒溫度不作相應調整，則會因料不能得到充分地預熱而使塑化能力得不到提高。此外，螺桿轉速又關系到螺桿對塑料的剪切速率和熔料的軸向溫差，故對熱敏性塑料（PVC等）螺桿轉速要低，而對熱穩(wěn)定性好，粘度低的塑料（PS、PE等）需要較高的轉速。因此，對螺桿轉速的確定，主要根據(jù)塑化能力，剪切均化等方面的要求而定。 根據(jù)目前使用的情況，對于熱敏性（或高粘度）的塑料，螺桿線速度一般在15～20m/min以下；而加工一般塑料的線速度約為30～40m/min。對于長徑比在15左右的一般螺桿，為得到較小的軸向溫差，螺桿的塑化行程最后不要超過3DS，螺桿線速度不宜大于30m/min。在選擇螺桿線速度時，還應注意其他條件的影響，如背壓、螺桿的結構與參數(shù)等，所以其數(shù)值要求也不十分嚴格。 為了在塑化時對不同塑料施加不同的剪切作用和平衡注射循環(huán)周期中預塑工序的時間（因經常受到制品冷卻時間所限），而需要對螺桿轉速進行調節(jié)。螺桿的調節(jié)范圍由機器用途決定，為了適應高速注射機的發(fā)展需要，螺桿轉速在向提高的方向發(fā)展，以求得到更高的塑化能力。例如在一些機器上，螺桿直徑DS40～60mm的轉速已達到300～450r/min，其圓周線速度高達50～60m/min。 表4-2部分小型機使用的螺桿轉速 廠家 螺桿直徑（mm） 最高轉速（r/min） 巴登費爾德（德） 阿爾堡（德） 名機（日本） 東芝（日本） 根據(jù)已知液壓馬達的型號，可查得NH300液壓馬達的排量為289ml/r,額定壓力20MPa,最高壓力為25MPa,額定扭矩為856N·m可根據(jù)公式計算 （4.1） ——油泵排量（L/min） ——液壓馬達排量（ml/r） ——液壓馬達的容積效率，一般為0.9 可求得液壓馬達的轉速n=174r/min 4.3 螺桿傳動特性及驅動功率 注射螺桿的驅動功率，一般要比同規(guī)格的擠出螺桿要小些，這是由于兩者的工作狀況和螺桿設計參數(shù)等方面不一致。但是注射螺桿在塑化時的負載特性與擠出螺桿相比卻具有類似性。即： （1） 在塑化同一種塑料時，螺桿在一定的轉速范圍內，其轉速與功率基本呈線性關系； （2） 不同直徑的螺桿或相同直徑的螺桿塑化不同類型的塑料，所需的扭矩不一樣。大直徑的螺桿，塑化高粘度的塑料，需要較大扭矩 表4-3不同直徑螺桿所需扭矩 螺桿直徑（mm） 30 35 40 50 60 82 螺桿長徑比 16 13.7 12.8 16.6 18 15 扭矩（N·M） 200 300 450 800 1200 1500 螺桿傳動系統(tǒng)的設計，除了轉速應能滿足使用要求外，另一個重要方面，是它的外特性應滿足負載特性的要求。油馬達傳動系統(tǒng)，一般根據(jù)負載最大扭矩來設計。因此，不會出現(xiàn)在高速時產生功率或扭矩不夠的現(xiàn)象。因此塑化時的負載均包括在傳動系統(tǒng)的外特性之中。而一般異步電動機在傳動系統(tǒng)中、低速下工作時效率較低，反之如果用較小功率來設計，又會產生部分塑料在提高轉速后出現(xiàn)扭矩不夠的現(xiàn)象。 在螺桿預塑時，對高粘度塑料常需要大扭矩，而轉速要求并不高。對一般塑料卻相反，轉速高而扭矩小。因此，采用變極電動機（雙速）系統(tǒng)和變力矩的液壓馬達傳動系統(tǒng)是一種比較經濟合理的系統(tǒng)。 對于注射螺桿的驅動功率，至今尚無獨自的計算理論，主要參照擠出螺桿的計算。目前注射螺桿常用的計算方法有比能法和經驗計算法兩種。本次選用經驗計算法來計算。 由螺桿均化段功率消耗理論計算式可知，螺桿所需功率主要取決于螺桿轉速、螺桿幾何參數(shù)、加工塑料性能。由于其計算過程比較復雜，較多采用的是在實驗基礎上的經驗計算公式。經實驗證明，在一定轉速范圍內，螺桿功率與轉速之間呈指數(shù)關系。 （4.2） ——取決于螺桿結構與參數(shù)的常數(shù) ——實驗指數(shù)，一般為 ——螺桿轉速 對于目前轉速較低的國產注射機，螺桿驅動功率用下列經驗式進行計算還較為接近式中 （4.3） ——螺桿驅動功率（KW） ——由螺桿結構參數(shù)及傳動方式有關的系數(shù)，可取為 ——螺桿直徑（cm） ——螺桿轉速（r/min） 可求得=6.17kW 螺桿所需扭矩與直徑及轉速之間的關系，可以用下式表示 （4.4） ——螺桿扭矩（N·m） ——螺桿直徑（cm） ——比例系數(shù)，對于熱塑性塑料 ——由樹脂性能而定的指數(shù)， 取，由于已知，可求得 由于塑料之間的性能差異較大，相應所需的功率或扭矩相差也很懸殊。因此，螺桿的驅動功率一般需留的余量，以作備用。 隨螺桿塑化能力的提高，螺桿驅動功率與螺桿轉速一樣，近來也提高了許多。 圖4.2 傳動分部件 傳動分部件主要由以下幾個部分組成（1）推力軸（2）螺釘（3）滾動軸承（4）注油杯（5）螺母擋圈（6）絲堵（7）擋圈（8）油封及其封蓋，而這些部分中，主要的是滾動軸承。 4.4傳動部件中軸承的選擇 4.4.1 軸承類型介紹 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。滾動軸承絕大多數(shù)已經標準化，并由專業(yè)工廠大量制造及供應各種常用規(guī)格的軸承。滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動容易等優(yōu)點。 如果僅按滾動軸承用于承受的外載荷不同來分類時，滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。主要承受徑向載荷Fr的軸承叫做向心軸承，其中有幾種類型可同時承受不大的軸向載荷；只能承受軸向載荷Fr的軸承叫做推力軸承，推力軸承中與軸頸配合在一起的元件叫做軸圈，與機座孔配合的元件叫做座圈；能同時承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。 滾動軸承的類型很多，現(xiàn)將常用的各類滾動軸承的性能和特點介紹于下表 表4-4常用軸承的主要類型 類型代號 類型名稱 結構代號 基本額定動載荷比 極限轉速比 軸向承載能力 性能和特點 1 調心球軸承 10000 0.6～0.9 中 少量 因外圈滾道表面是以軸承中點為中心的球面，故能自動調心，允許內圈（軸）相對外圈（外殼）軸線偏移量≤2°~3° 2 調心滾子軸承 20000 1.8～4 低 少量 性能、特點與調心球軸承相同，但具有較大的徑向承載能力，允許內圈對外圈軸線偏移量≤1.5°~2.5° 推力調心滾子軸承 29000 1.6～2.5 低 很大 用于承受以軸承載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。運轉中滾動體受到離心力矩作用，滾動體與滾道間產生滑動，并導致軸圈與座圈分離。為保證正常工作，需施加一定的軸向預載荷。允許允許軸圈對座圈軸線偏移量≤1.5°~2.5° 3 圓錐滾子軸承α=10°~18° 30000 1.5～2.5 中 較大 可以同時承受徑向載荷及軸向載荷（30000型以徑向載荷為主，30000B型以軸向載荷為主）。外圈可分離，安裝時可調整軸承游隙。一般成對使用 大錐角圓錐滾子軸承α=27°~30° 30000B 1.1～2.1 中 很大 5 推力球軸承 51000 1 低 只能承受單向的軸向載荷 只能承受軸向載荷。高速時離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴重，壽命降低，故極限轉速很低。為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作時必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配 雙向推力球軸承 52000 1 低 能承受雙向的軸向載荷 6 深溝球軸承 60000 1 高 少量 主要承受徑向載荷也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。在高轉速時，可用來承受純軸向載荷。工作中允許內、外圈軸線偏移量≤8′~16′，大量生產，價格最低 4.4.2 選擇軸承時的考慮因素 選用軸承時，首先是選擇軸承類型。常用的標準軸承的基本特點已經說明，下面再歸納出合理選擇軸承時所應考慮的主要因素。 4.4.2.1 軸承的載荷 軸承所受載荷的大小、方向、和性質，是選擇軸承類型的主要依據(jù)。 根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后的變形也較小。而球軸承中則主要為點接觸，宜用于承受較輕的或中等的載荷，故在載荷較小時，可優(yōu)先選用球軸承。 根據(jù)載荷的方向選擇軸承類型的時候，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷可選用推力球軸承；較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承。對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。當軸承在承受徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起的結構，分別承擔徑向載荷和軸向載荷。 4.4.2.2 軸承的轉速 在一般轉速下，轉速的高低對類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉速較高的時候，才會有較顯著的影響。軸承樣本中列入了各種類型、各種尺寸軸承的極限轉速值。這個轉速是指載荷不大，冷卻正常，且為0級公差軸承時的最大允許轉速。但是，由于極限轉速主要是受工作時溫升的限制，因此，不必認為樣本中的極限轉速是一個絕對不可超越的界限。從工作轉速對軸承的要求看，可以確定以下幾點 （1） 球軸承與滾子軸承相比較，有較高的極限轉速，故在高速時應優(yōu)先選用球軸承。 （2） 在內徑相同的條件下，外徑越小，則滾動體就越小，運轉時滾動體加在外圈滾道上的離心力也就越小，因而也就更適合在更高的轉速下工作。故在高速時，宜選用相同內徑而外徑較小的軸承。若采用一個外徑較小的軸承而承載能力達不到要求時，可再并裝一個相同的軸承，或者考慮采用寬系列的軸承。外徑較大的軸承，宜用于低速重載的場合。 （3） 保持架的材料與結構對軸承轉速影響極大。實體保持架比沖壓保持架允許高一點的轉速，青銅實體保持架允許更高的轉速。 （4） 推力軸承的極限轉速很低。當工作轉速很高時，若軸向載荷不十分大，可以采用角接觸球軸承承受純軸向力。 （5） 若工作轉速略超過樣本中的規(guī)定極限轉速，可以選用較高公差等級的軸承，或選用較大游隙的軸承，采用循環(huán)潤滑或油霧潤滑，加強對循環(huán)油的冷卻等措施來改善軸承的高速性能。若工作轉速超過極限轉速較多，應選用特制的高速滾動軸承。 油缸注射時螺桿前進，右端的軸承承受較大的軸向力，當油缸退桿時，左側的軸承承受較大的軸向力，并且由于螺桿在旋轉時也會產生一定的徑向力，所以左側選擇圓錐滾子軸承，右側選擇推力球軸承 4.4.3 軸承尺寸的計算 已知注射油缸直徑為100mm，活塞桿的直徑為45mm，故根據(jù)壓強公式可計算出軸承所受到的軸向力 （4.5） 圖4.3 軸承示意圖 以此查找《機械設計課程設計》中常用滾動軸承表，確定軸承的基本尺寸其中D=130mm,d=75mm,B=31mm. 5 移動油缸 5.1 移動油缸的結構 移動油缸是由油缸體、油缸端蓋、活塞、活塞桿、密封件等零件組成，其形狀與注射油缸類似。當移動油缸進油時，實現(xiàn)注射座的前進和后退動作，并保證注塑噴嘴與模具主澆套圓弧面緊密地接觸，產生能封閉熔體的注射座壓力。 圖5.1 移動油缸 5.2 移動油缸的計算 圖5.2移動油缸示意圖 ——移動油缸直徑mm ——活塞桿直徑mm 根據(jù)壓強公式 現(xiàn)已知P=160MPa 假設活塞桿的直徑d=30mm，可求得移動油缸直徑D=60mm 圖5.3移動油缸分部件 6 結論與展望 6.1結論 注射成型機主要由以下部件組成：注射裝置，合模裝置，液壓傳動和電氣控制系統(tǒng)。其中注射裝置的是使塑料均勻塑化成熔融狀態(tài)，并且以一定的壓力及速度將定量的熔料注射到模腔內。因此，注射裝置應具有塑化良好，計量精確的性能，并在注射時對熔料能提供足夠的壓力和速度。注射裝置一般由塑化部件（機筒，螺桿，噴嘴等）料斗，計量裝置，螺桿傳動裝置，注射和移動油缸等組成。因此，注射裝置在整個塑料注射成型機的結構中占有不可或缺的地位。 選擇注塑機注射裝置標準，主要就是看它的主要性能參數(shù)，比如注射量、注射質量、注射壓力、注射速率等等。隨著科技的發(fā)展，注射裝置是否能在規(guī)定的時間內，提供一定數(shù)量的，組分和溫度均勻的熔料；是否能根據(jù)塑料性能和制品結構的情況，應有合適的速度和壓力，將一定量的熔料注入模腔，作為衡量注射裝置的好壞。 目前小型機市場競爭日趨激烈，用戶對機器的要求也越來越多，從過去的價格競爭到現(xiàn)在的參數(shù)競爭、性能競爭。在參數(shù)方面落后與同行業(yè)水平，同時小型機的結構、外形十多年來并未作大的改進，產品缺乏很好的定位（包括產品水平的定位、價格的定位），制造成本居高不下，因此，如何通過本次設計改善結構、外形，降低制造成本，提高裝配效率是這次設計的關鍵。 注射部件本次改善內容： (1) 料筒測溫孔加深，更接近熔融塑料的實際溫度。 (2) 考慮落料方便，修改落料口形式，提高塑料輸送。 (3) 對注射座、傳動座進行分析，3D造型，受力部位進行應力分析，改善局部結構，降低零件重量。 (4) 通過對注射油缸、活塞桿等零件增加長度公差，通過尺寸保證減少長度偏差，使原來靠工人手工調整長度的情況得到改善，提高裝配效率。 (5) 止回環(huán)采用平面密封，減少移動距離，提高制品重復精度。 (6) 注射缸蓋的密封采用O型圈+擋圈的方式，減少無謂的漏油現(xiàn)象。 6.2不足之處及未來展望 本次設計以注塑機注射部件為研究對象，對其塑化部件、注射油缸、傳動部件、移動油缸等部分進行了研究，取得了一定的成果，但是由于時間、實驗條件限制以及個人的一些原因，還有許多地方需要不斷地改進和完善，項目還可以做進一步的深入和挖掘，在后續(xù)的研究工作中，建議從以下方面入手展開： 對塑化部件中螺桿頭進行進一步的完善。在塑化部件的設計中，螺桿頭的設計是其重要的一部分，它也存在著一定的經濟效益，本文只給出了一種方案，如何得到進一步的優(yōu)化，仍在研究之中。 對自己的CAD制圖能力進行進一步的提高。本次設計使用了CAD來進行制圖，但實際操作中明顯體現(xiàn)出CAD制圖不熟練的問題，應該提高使用CAD的熟練度。 致 謝 本論文的工作是在指導老師陳浩的悉心指導下完成的，在我進行畢業(yè)設計的期間，陳老師給予了本人無微不至的關心和耐心的指導，在學習和課題的研究過程中，從選題到理論研究的探索，再到論文的修改及最后的定稿，都給予了我寶貴的意見和指導，值得此論文完成之際我表示深深的感謝。四年來，陳老師以其寬闊的學術視野，深邃的洞察力，認真的治學精神，開拓的創(chuàng)新精神，扎實的研究功底以及孜孜不倦的工作態(tài)度使我終生受益，謝謝您，陳老師。 特別感謝我的家人，在我近20年的求學生涯中，他們給予了我最無私的幫助、支持和鼓勵，在此向他們致以最崇高的敬意和感謝；同時，還要感謝在我參加實習的公司和開發(fā)部的設計師們的詳細指導，謝謝你們這幾個月來對我的關心和問候。 最后，在此向各位評審和論文答辯的老師表示衷心的感謝和祝福！ 參考文獻 [1] 璞良貴,紀名剛.機械設計(第八版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006：307-311 [2] 張建國，王興天.注塑技術與注塑機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：97-122 [3] 李育錫.機械設計課程設計[M].北京：高等教育出版社，2008: 3-204 [4] 左亞軍.基于正交試驗法的注塑機合模機構的優(yōu)化設計研究[D].廣東：廣東工業(yè)大學，2012 [5] 趙攀峰.二板式全液壓型注塑機關鍵技術研究[D].浙江：浙江大學，2012 [6] 周雅文.注射成型螺桿的性能評價及優(yōu)化[D].北京：北京化工大學，2010. 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