机械毕业设计（论文）-注塑成型机注射部分设计【全套图纸】

III 摘摘 要要 注射成型机是将热固性或热塑性的塑料制作成为各种塑料制件的成型设备。注射成 型机又是在塑料加工机械中较为复杂及精密的机器。目前，随着机器生产率的提高和自 动化生产的发展，塑料制件已日益广泛地运用到国防、电气、航空、机械、科教文卫等 各个领域，注塑成型机也得到了极为广泛的运用。 本论文的内容主要为注塑机注射部分的设计，有关各章节内容分述如下： （1）介绍了课题的背景和意义，总结了注塑机注射部分设计及优化研究现状，阐述了 基于 CAD 软件下的优化方法，提出了本论文的基本框架。 （2）介绍了塑化部件的设计，研究了螺杆、螺杆头、料筒，分析了其分类和优缺点。 （3）介绍了注射油缸的设计，研究了注射油缸直径、活塞杆直径，包括对其尺寸的计 算。 （4）介绍了传动部分的设计，研究了其所能承受了扭矩和转速，并对其轴承做了介绍。 （5）介绍了移动油缸的设计，研究了移动油缸的油缸直径和活塞杆直径，包括对其尺 寸的计算。 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。 关键词关键词：注塑机；螺杆；注射油缸；传动部分 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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 machines 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 III 目目 录录 1 绪论1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.2 注塑机发展概况1 1.3 注塑成型原理.2 1.4 本课题应达到的要求.5 2 塑化部件设计6 21 柱塞式6 22 螺杆式.6 2.2.1 螺杆式塑化部件6 3 注射油缸的设计12 3.1 注射装置的形式12 3.2 注射油缸的结构12 3.3 注射油缸直径的计算14 4 传动部分的设计15 4.1 螺杆传动方式的介绍15 4.2 螺杆转速的计算17 4.3 螺杆传动特性及驱动功率18 4.4 传动部件中轴承的选择.20 4.4.1 轴承类型介绍20 4.4.2 选择轴承时的考虑因素22 4.4.3 轴承尺寸的计算23 5 移动油缸25 5.1 移动油缸的结构25 5.2 移动油缸的计算26 结论与展望27 致谢28 参考文献29 附录30 注塑成型机注射部分设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 本论文的内容主要为注塑机注射部分的设计，有关各章节内容分述如下： 介绍了课题的背景和意义，总结了注塑机注射部分设计及优化研究现状，阐述了基于 CAD 软件下的优化方法，总结了注塑机注射部分发展现状及趋势，提出了本论文的基 本框架。 第一章，介绍了塑化部件的设计，研究了螺杆、螺杆头、料筒的选择，分析了其分类 和优缺点。 第二章，介绍了注射油缸的设计，研究了注射油缸直径、活塞杆直径，包括对其尺寸 的计算。 第三章，介绍了传动部分的设计，研究了其所能承受了扭矩和转速，并对其轴承的选 择做了介绍。 第四章，介绍了移动油缸的设计，研究了移动油缸的油缸直径和活塞杆直径，包括对 其尺寸的计算。 意义：改进注塑机的构造，降低成本，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。 1.2 注塑机发展概况注塑机发展概况 中国塑料注射成型机产业从 1958 年上海生产第一台 60 克注塑机开始，从无到有、 从小到大逐步做强，特别是改革开放 30 多年来，中国注塑机实现了跨越式的发展，取得 了巨大成就。 塑料注射成型机是中国机械工业不可忽视的重要组成部分，产品种类多，应用领域 广，关联程度大，综合性能强，技术资金密集，是促进汽车工业、建筑材料工业、电子 通信工业、轻工业、国防工业等各行业发展、丰富人民物质文化生活的重要产业，也是 具有较强国际竞争力的优势产业，是名符其实的注塑机制造大国和出口大国，在全球塑 机市场上具有重要地位。近几年来，随着控制技术的不断发展与完善，注塑机已朝着自 动化、节能化、智能化、无人化等方向发展。如采用计算机数字化控制和程序化控制， 使注塑机具有自动控制、自动诊断、自动调节、自动补偿功能；控制系统实行模块化、 集成化；采用成组技术，通过网络实施多台注塑机的群控。在成型工艺方面，低压注射 成型、交变注射成型、注射压缩成型、熔芯成型工艺都已开始出现。 1.3 注塑成型原理注塑成型原理 注射成型是把塑料通过料斗加入机筒中，机筒外部由加热圈加热，使塑料熔融。在机 筒内部装有马达驱动旋转的螺杆，塑料在螺杆的旋转作用下沿着螺槽向前输送，同时在 加热圈和螺杆剪切的双重作用下塑料逐渐塑化。当已熔融的物料推到螺杆的头部时，螺 杆在物料的反作用下进行后退，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 无锡太湖学院学士学位论文 2 的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，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。 注射成型是一种以高速高压将塑料熔体注入已闭合的模腔内，经冷却定型，得到与 模腔相一致的塑料制品的成型方法。 一台标准的注塑机必须具备如下基本功能： 1.对加工塑料实现塑化计量并将熔料射出的功能； 2.对成型模具实现启闭和锁紧的功能； 3.实现在成型过程中所需能量的转换与传递的功能； 4.对工作程序及工艺条件设计与控制的功能。 图 1.1 注塑机 图 1.2 注塑机结构示意图 注塑成型机注射部分设计 3 图 1.3 注射部分结构示意图 无锡太湖学院学士学位论文 4 塑料干燥 脱模过程 模具温度 冷却时间 塑化过程 注射过程 保压过程 模具冷却 干 燥 温 度 / 时 螺杆转速 塑化温度 塑 化 量 背 压 抽胶位置 注射位置 注射压力 注射时间 注射速度 模具温度 保压压力 保压时间 模具温度 图 1.4 注塑的过程 注塑成型机注射部分设计 5 1.4 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 熟练掌握注射装置的型式和结构； 熟练掌握注射装置的工作原理； 熟练掌握螺杆式塑化部件的设计； 熟练掌握注射油缸的设计 熟练掌握螺杆传动装置的设计； 熟练掌握移动油缸的设计； 熟练使用 AUTO-CAD 进行设计及 3D 制图技巧。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 塑化部件设计塑化部件设计 21 柱塞式柱塞式 注塑机塑化部件主要有两种形式：柱塞式、螺杆式。柱塞式的优点是结构简单，轴 向的尺寸短，安装方便，对物料的适应性强，可使用再生料；缺点是热能消耗大，注射 压力损失大，塑化效果差，由于现在对塑料制品的要求越来越高，因此单独使用较少。 22 螺杆式螺杆式 特点是：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。 此次塑化部件采用螺杆式塑化装置。 2.2.1 螺杆式塑化部件螺杆式塑化部件 主要由螺杆、机筒（又称料筒） 、螺杆头、止回环、止回垫、喷嘴、加热部分组成。 塑料在转动螺杆的连续推进过程中，实现了物理状态的变化，最后呈熔融状态而被注入 模腔。 螺杆是塑化部件中的关键部件，和塑料有直接接触，塑料通过螺槽的有效长度，经 过长时间的加热历程，所以螺杆的各个功能段的长度、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，最终影响注射成型周期和制品的质量。 注射螺杆在熔融过程中为非稳定过程，主要表现为熔融效率不稳定和塑化后的熔料 存在较大的轴向温差。特别是后者直接关系到制品的质量。影响轴向温差的因素有： 树脂性能：对于粘度大，热物理学性能差的树脂，其温差大； 加工条件：螺杆转速高、行程大、油缸背压低、料筒全长温度差大，其温差大； 螺杆形状及要素：对长径比小、压缩比小的普通螺杆，其温差大； 因此，在设计时从保证塑化质量出发，螺杆转速、注射行程需要控制。 注射螺杆按其对塑料的适应性，一般分为通用螺杆和特殊螺杆。通用螺杆又称常规 螺杆，可加工绝大部分具有低,中黏度的热塑性塑料，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，是用来加工普通螺杆难以加 工的塑料，例如热固性塑料、聚氯乙烯、高粘度的 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。新型螺杆形式有很多，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、两段式排气螺杆、强混炼型螺杆等等。 注塑成型机注射部分设计 7 表 2-1 已知条件 名 称参 数备 注 螺杆直径 mm38 长径比 L/D21 理论容积 cm3172 注射量（PS） g155 注射压力 MPa176 油泵排量 L/min53 工作油压力 MPa160 液压马达NH3-300 喷嘴压力 t3.4 根据表中的参数进行计算，确定螺杆长度、机筒外径、注射油缸直径、注射油缸行 程，注射速率、塑化能力、移动油缸直径、移动油缸行程等。 假设已知下列参数，确定螺杆长度、机筒外径、注射油缸直径、行程，注射速率、 塑化能力、移动油缸直径、行程等。 L3：均化段（计量） L/D：螺杆长径比 L1：加料段（输送）L2：压缩段（塑化） h1:加料段的螺槽深度h3:均化段的螺槽深度 i：压缩比,ih1/h3 e:螺棱法向宽度 L1L2L3 L h1 h3 S e D :螺纹升角 S :螺距 图 2.1 螺杆的示意图 2.2.1.1 螺杆的基本形式和几何参数螺杆的基本形式和几何参数 如上图所示，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。本次设计采用普通形式的通用型螺杆，从而适应多种塑料加工，避免频 繁更换螺杆，有利生产效率的提高。 通用型螺杆有效长度分成加料段、压缩段、均化段。 A注射行程 由已知条件得螺杆直径，理论注射容积，因此求得注射行程。 （2.1） 3 44 k Vc S Vc Ds 无锡太湖学院学士学位论文 8 螺杆直径(mm) S D 机器理论注射容积 C V 注射行程(cm)，S S kDS 螺杆行程与直径的比值，常取，最大可到 5 左右，视螺杆性能而定,k43 可求得 S=151.7mm L=21DS=798mm B压缩比 螺杆压缩比是 h1/h3 之比，压缩比大，剪切效果强，塑化能力弱，对于普通型塑料， 一般取 2.2-2.6 之间。 h1 是加料段的螺槽深度。h1 深，则容纳的物料多，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=（0.120.2）Ds,本次设计取 h1=6.33mm. h3 是熔融段螺纹深度。h3 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，本次设计取 h3=2.5mm 压缩比 53 . 2 5 . 2/33 . 6 3/1hh C螺杆几何参数 L1 是加料段长度。加料段又称输送段或进料段。为了提高输送能力，螺槽表面一定 要光洁。L1 的长度应保证物料有足够的输送长度，一般 L1=（910）Ds, 本次设计取 L1 =380mm. L3 是熔融段（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，黏度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。L3 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）Ds，本次设计取 L3=190mm L2 是塑化段（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。L2 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，固料赌塞在 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=（48） Ds，本次设计取 L2=190mm S 是输送槽螺距，其大小影响螺旋角，从而影响螺槽的输送效率，一般 S DS e 是螺棱宽度，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 （0.051） S D 本次设计取 e=3.5mm D.螺杆材料与热处理 注塑成型机注射部分设计 9 目前国内常用材料为 38CrMoAl，热处理采用气体氮化工艺或高频淬火加镀铬处理。 本次设计采用气体氮化工艺。 图 2.2 螺杆 2.2.1.2 螺杆头螺杆头 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 是由螺杆工作特性所决定的。在注射螺杆中螺杆的作用是预塑时，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，使注射时快速封闭； 3、止逆环属于易磨损件，应采用硬度高的耐磨、耐蚀合金材料制造； 4、结构上应拆装方便，便于清洗； 5、螺杆头的螺纹与螺杆的螺纹方向相反，防止预塑时螺杆头松脱。 图 2.3 螺杆头示意图 2.2.1.3 料筒料筒 料筒是塑化部件的重要零件，内装螺杆外装加热圈，承受复合应力和热应力的作用。 A. 料筒壁厚 料筒壁厚要求有足够的强度和刚度，因为料筒内要求要承受熔料和气体的压力，且 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，热惯性大，升温慢，温度调节产生滞后现象。 表 2-2（部分机筒的 K 值） 无锡太湖学院学士学位论文 10 螺杆直径（mm）3442506585110130150 机筒壁厚（mm）25293547.547757560 比值（k）2.472.402.402.462.102.362.151.80 根据插值法算得 及mm27505. 2K (2.2)mm94.17 1- K Do (2.3) VD VS D q is i c i s i . 2 4 . 2 4 （2.4mmcm D V S s c 7 . 15117.15 4 ） 机筒壁厚（mm） 螺杆的螺纹长度（mm）L 机筒内径（mm） b D 机筒外径（cm） o D 注射速率（cm3/s） i q 注射时间（s） i 表 2-3 间隙值/mm 螺杆直径1525255050808011011015 0 15020 0 最大径向间隙0.120.200.300.350.150.50 B 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， 甚至卡死，此间隙=（0.0020.005）DS C加料口形式 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，因此一般选择加大物料与螺杆的接触角大，接触面积大，有利于提高进 注塑成型机注射部分设计 11 料效率，不易在料斗中形成架桥空穴。 D 料筒材料 料筒、螺杆材料要求在高温下耐磨、抗腐蚀，大多采用优质氮化钢 38CrMoAlA 加工 后进行氮化处理。对于加工某些增强纤维填充物的复合材料，需配高碳、高硬度抗蚀耐 磨的双金属片料筒。 图 2.4 机筒 2.2.1.3 喷嘴喷嘴 喷嘴是连接塑化装置与模具流道的重要组件。具体功能有：预塑时，在螺杆头部建立 背压，阻止熔体从喷嘴流出；注射时，建立注射压力，产生剪切效应，加速能量转换， 提高熔体温度均化效果；保压时，直保温补缩作用。喷嘴可分为敞开式、锁闭式。由于 敞开式喷嘴结构简单，制造容易，压力损失小，因此本次设计采用敞开式喷嘴。 喷嘴头与模具的浇套要同心，两个球面应配合紧密，否则会溢料。一般要求两个球面 半径名义尺寸相同，而取喷嘴球面为负公差，其口径略小于浇套口径 0.51mm 为宜，二 者同轴度0.250.3。 喷嘴口径尺寸关系到压力损失、剪切发热以及补缩作用，与材料、注塑座及喷嘴结构 形式有关 表 2-4 喷嘴口径 机器注射量/g3020025080010002000 通用料开式喷嘴/mm233.54.556 硬聚氯乙烯类开式喷嘴 /mm 345667 锁闭式喷嘴/mm233445 表 2-4 注射成型机（通用型）注射量与注射时间关系 注射量（g）注射时间（s）注射量（g）注射时间（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 根据表 1-2 可求得注射时间s i 09 . 1 （2.5）sg W q i i / 2 . 142 09 . 1 155 无锡太湖学院学士学位论文 12 图 2.5 注射部分 注塑成型机注射部分设计 13 3 注射油缸的设计注射油缸的设计 3.1 注射装置的形式注射装置的形式 目前，常见的注塑装置分为单缸和双缸。在单缸中以液压马达或伺服电机直接驱动注 塑螺杆的为常见，双缸以低速或高速液压马达驱动居多，近年来还发展一种用伺服电机 驱动螺杆预塑和注塑的注塑装置。 单缸注射的结构特点是：在注射活塞与活塞杆之间布置有滚动轴承和径向轴承，结构 较为复杂，由于螺杆、油马达、注射油缸是一线式排列，导致轴向尺寸加大，影响其稳 定性。 双缸注射的优点是：轴向尺寸短，各部分重量在注射座上分配均匀，工作稳定，并且 便于液压管路和阀板的布置，使之与油缸及液压马达接近，管路短，有利于提高控制精 度、节能等。 因此，本次选择双缸注射的形式。 3.2 注射油缸的结构注射油缸的结构 注射油缸缸筒通过其后、前端盖用螺钉紧固在注射座的缸体座上。活塞杆通过头部的 螺纹及螺母，压盖，螺钉与推力座固紧。注射油缸进油时，活塞带动活塞杆及其置于推 力座的轴承，推动注射螺杆前进或后退。通过活塞杆头部的螺母可以对两个平行活塞杆 的轴向位置以及注射螺杆的轴向位置进行同步调整。 注射油缸固定在缸体座上，注射活塞杆与轴承推力座通过螺母调节活塞杆的轴向位置 并使之固紧。油马达固定在推力座上，并与注射螺杆相连接。推力座由注射活塞杆带动， 对螺杆实施推力，既能实现防延时的直线后退动作，又能实现在预塑时由油马达驱动螺 杆的旋转与物料反推作用下直线后退的复合作用。 无锡太湖学院学士学位论文 14 图 3.1 注射座 图 3.1 注射油缸分部件 其中推力轴位于推力座的中心线上，由推轴承、止推轴承及径向轴承将其轴向固定， 推力轴的大端与小端分别与油马达的输出轴和注射螺杆尾部的花键相连接。注射时，推 力座通过主轴推动螺杆进行注射；预塑时，通过油马达驱动推力轴带动螺杆旋转实现预 塑。 3.3 注射油缸直径的计算注射油缸直径的计算 图 3.2 注射油缸示意图 注射油缸直径 mmD 活塞杆直径 mmd 根据压强公式 （3.1） S F P 现已知工作油压力 P=160MPa 注塑成型机注射部分设计 15 4 - - 22 ）（ 活塞杆油缸 dD SS S （3.2） 假设活塞杆的直径 d=45mm，可求得注射油缸直径 D=100mm 无锡太湖学院学士学位论文 16 4 传动部分的设计传动部分的设计 4.1 螺杆传动方式的介绍螺杆传动方式的介绍 螺杆的传动方式与布置将影响到螺杆工作效能与注射装置的整体结构。螺杆传动装 置主要讨论螺杆传动及其传动系统的特性及其系统主要设计参数的确定。 螺杆传动装置是供给螺杆在预塑时所需要的动力和速度的工作部件。注塑机螺杆传 动一般有一下几个特点： （1） 螺杆预塑是间歇式进行工作的。因此启动频繁并带有负载。 （2） 螺杆在转动时，出料仅供注射用，对制品无直接联系。而塑料的塑化状况，可以 通过调整背压等途径进行调节。因此，对螺杆的转速要求并不十分严格。 （3） 传动装置一般设置在注射座架上，工作时并随之往复运动。因此，传动装置要力 求简单紧凑。 根据上述注射螺杆的传动特点和要求，目前使用的传动形式比较多，如从实现螺杆 变速方式进行分类，可分为无级调速和有级调速两大类；从布置形式上分，有平行于螺 杆轴线（垂直交叉）和螺杆同轴线对称（一线）布置两类；从工作时传动装置是否随螺 杆同时发生轴向位移，也可分为传动部件随动式和固定式两种。在无级调速类中，主要 以油马达传动为主；在有级调速类中，主要以电动机齿轮变速箱传动为主。 表 4-1 油马达与电动机传动对比 项目油马达传动电动机变速传动 调速性通过改变流量，可实现在大范 围内的无级调速，调节可在工 作过程中进行 实现有级和范围较小的调节 传动特性一般属于恒力矩传动恒功率传动，即低速时扭矩大 启动与停止启动力矩小（） ；启%9070 动特性软，惯性小 启动力矩大（以上）特%200 性硬，惯性大 效率较低（） ，在低速下%7060 工作效率更低 较高（）%9590 结构紧凑，但油路复杂笨重 过载保护油马达不会超负荷下工作，易 于实现螺杆保护 必须单独设置螺杆保护 注塑成型机注射部分设计 17 图 4.1 传动座 目前在注塑机螺杆上，越来越多地采用油马达。其原因，除了传动特性软，启动惯 性小，不会超负荷工作，对螺杆能起安全保护作用等。还有液压马达传动，其体积比同 规格的电动机小的得多，传动装置容易实现体积小、重量轻，目前绝大多数注射机的传 动采用液压传动，当螺杆预塑时，机器正处在冷却定型阶段，此时油泵处于卸载状态。 如果用油马达传动，可方便地得到和合理地使用动力源。正是这样，则要求螺杆塑化时 间必须在制品冷却时间内完成，否则就会出现油泵在动力分配上的矛盾。近来由于螺杆 技术的发展，塑化能力有了较大的提高，使原塑化时间得到缩短，一般情况下能做到制 品冷却前完成塑化。这也是目前油马达得到普遍应用的重要因素之一。油马达能够在比 较大的范围内，并且在螺杆转动过程中实现螺杆转速的无级调节。这点在控制熔料温度 的调节系统中和要求精确计量而须对螺杆转速进行程序化设计时是不可缺少的。 由于注射螺杆对调速要求并不严格，加之电动机有级调速系统具有易维护、寿命长、 效率高、螺杆预塑时间不受制品冷却时间限制，驱动功率（扭矩）可很大，目前主要用 于大型机上。新近日本 FANUC 公司开发了全部由 AC 伺服电机驱动的注射机，实现了低 能耗、无油污染、低噪音新型注射成型机。对于电机传动系统，因传动特性硬，设计时 应该防止螺杆过载的保护环节。 4.2 螺杆转速的计算螺杆转速的计算 螺杆的塑化能力与螺杆的转速成正比。在一般情况下螺杆的塑化能力随螺杆转速的增 加而增加。但在较高转速下，其塑化能力的增加也非正比增加，有时却相反。这是由于 无锡太湖学院学士学位论文 18 螺杆加料处的摩擦条件发生了变化，甚至发生料加不进的现象。对于结晶型熔解热大的 塑料，高转速时如对机筒温度不作相应调整，则会因料不能得到充分地预热而使塑化能 力得不到提高。此外，螺杆转速又关系到螺杆对塑料的剪切速率和熔料的轴向温差，故 对热敏性塑料（PVC 等）螺杆转速要低，而对热稳定性好，粘度低的塑料（PS、PE 等） 需要较高的转速。因此，对螺杆转速的确定，主要根据塑化能力，剪切均化等方面的要 求而定。 根据目前使用的情况，对于热敏性（或高粘度）的塑料，螺杆线速度一般在 1520m/min 以下；而加工一般塑料的线速度约为 3040m/min。对于长径比在 15 左右 的一般螺杆，为得到较小的轴向温差，螺杆的塑化行程最后不要超过 3DS，螺杆线速度不 宜大于 30m/min。在选择螺杆线速度时，还应注意其他条件的影响，如背压、螺杆的结构 与参数等，所以其数值要求也不十分严格。 为了在塑化时对不同塑料施加不同的剪切作用和平衡注射循环周期中预塑工序的时间 （因经常受到制品冷却时间所限） ，而需要对螺杆转速进行调节。螺杆的调节范围由机器 用途决定，为了适应高速注射机的发展需要，螺杆转速在向提高的方向发展，以求得到 更高的塑化能力。例如在一些机器上，螺杆直径 DS4060mm 的转速已达到 300450r/min，其圆周线速度高达 5060m/min。 表 4-2 部分小型机使用的螺杆转速 厂家螺杆直径（mm）最高转速（r/min） 巴登费尔德（德）5022400230 阿尔堡（德）4518600270 名机（日本）7050458350 东芝（日本）7036335205 根据已知液压马达的型号，可查得 NH300 液压马达的排量为 289ml/r,额定压力 20MPa, 最高压力为 25MPa,额定扭矩为 856Nm 可根据公式计算 （4.1） v q n 油泵排量（L/min）q 液压马达排量（ml/r）v 液压马达的容积效率，一般为 0.9 可求得液压马达的转速 n=174r/min 4.3 螺杆传动特性及驱动功率螺杆传动特性及驱动功率 注射螺杆的驱动功率，一般要比同规格的挤出螺杆要小些，这是由于两者的工作状况 和螺杆设计参数等方面不一致。但是注射螺杆在塑化时的负载特性与挤出螺杆相比却具 注塑成型机注射部分设计 19 有类似性。即： （1） 在塑化同一种塑料时，螺杆在一定的转速范围内，其转速与功率基本呈线性关系； （2） 不同直径的螺杆或相同直径的螺杆塑化不同类型的塑料，所需的扭矩不一样。大 直径的螺杆，塑化高粘度的塑料，需要较大扭矩 表 4-3 不同直径螺杆所需扭矩 螺杆直径 （mm） 303540506082 螺杆长径 比 1613.712.816.61815 扭矩 （NM） 20030045080012001500 螺杆传动系统的设计，除了转速应能满足使用要求外，另一个重要方面，是它的外 特性应满足负载特性的要求。油马达传动系统，一般根据负载最大扭矩来设计。因此， 不会出现在高速时产生功率或扭矩不够的现象。因此塑化时的负载均包括在传动系统的 外特性之中。而一般异步电动机在传动系统中、低速下工作时效率较低，反之如果用较 小功率来设计，又会产生部分塑料在提高转速后出现扭矩不够的现象。 在螺杆预塑时，对高粘度塑料常需要大扭矩，而转速要求并不高。对一般塑料却相 反，转速高而扭矩小。因此，采用变极电动机（双速）系统和变力矩的液压马达传动系 统是一种比较经济合理的系统。 对于注射螺杆的驱动功率，至今尚无独自的计算理论，主要参照挤出螺杆的计算。 目前注射螺杆常用的计算方法有比能法和经验计算法两种。本次选用经验计算法来计算。 由螺杆均化段功率消耗理论计算式可知，螺杆所需功率主要取决于螺杆转速、螺杆 几何参数、加工塑料性能。由于其计算过程比较复杂，较多采用的是在实验基础上的经 验计算公式。经实验证明，在一定转速范围内，螺杆功率与转速之间呈指数关系。 （4.2） nBNs 取决于螺杆结构与参数的常数B 实验指数，一般为5 . 13 . 1 螺杆转速n 对于目前转速较低的国产注射机，螺杆驱动功率用下列经验式进行计算还较为接近 式中 （4.3） nD C NS S 4 . 15 . 2 无锡太湖学院学士学位论文 20 螺杆驱动功率（KW） NS 由螺杆结构参数及传动方式有关的系数，可取为C00016. 0C 螺杆直径（cm） DS 螺杆转速（r/min）n 可求得=6.17kW NS 螺杆所需扭矩与直径及转速之间的关系，可以用下式表示 （4.4） DM m st 10 螺杆扭矩（Nm） Mt 螺杆直径（cm） DS 比例系数，对于热塑性塑料5 . 12 . 1 由树脂性能而定的指数， m37 . 2m 取，由于已知 ，可求得 8 . 23 . 1m， mm DS 38 N Mt 0013 . 0 由于塑料之间的性能差异较大，相应所需的功率或扭矩相差也很悬殊。因此，螺杆 的驱动功率一般需留的余量，以作备用。%3020 随螺杆塑化能力的提高，螺杆驱动功率与螺杆转速一样，近来也提高了许多。 图 4.2 传动分部件 传动分部件主要由以下几个部分组成（1）推力轴（2）螺钉（3）滚动轴承（4）注油 杯（5）螺母挡圈（6）丝堵（7）挡圈（8）油封及其封盖，而这些部分中，主要的是滚 注塑成型机注射部分设计 21 动轴承。 4.4 传动部件中轴承的选择传动部件中轴承的选择 4.4.1 轴承类型介绍轴承类型介绍 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承 转动零件的。滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规 格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。 如果仅按滚动轴承用于承受的外载荷不同来分类时，滚动轴承可以概括地分为向心轴 承、推力轴承和向心推力轴承三大类。主要承受径向载荷 Fr的轴承叫做向心轴承，其中 有几种类型可同时承受不大的轴向载荷；只能承受轴向载荷 Fr的轴承叫做推力轴承，推 力轴承中与轴颈配合在一起的元件叫做轴圈，与机座孔配合的元件叫做座圈；能同时承 受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承。 滚动轴承的类型很多，现将常用的各类滚动轴承的性能和特点介绍于下表 表 4-4 常用轴承的主要类型 类型 代号 类型名 称 结构代 号 基本额定动 载荷比 极限转速 比 轴向承载 能力 性能和特点 1 调心球 轴承 100000.60.9中少量 因外圈滚道表面是以轴承中点 为中心的球面，故能自动调心， 允许内圈（轴）相对外圈（外 壳）轴线偏移量23 调心滚 子轴承 200001.84低少量 性能、特点与调心球轴承相同， 但具有较大的径向承载能力， 允许内圈对外圈轴线偏移量 1.52.5 2 推力调 心滚子 轴承 290001.62.5低很大 用于承受以轴承载荷为主的轴 向、径向联合载荷，但径向载 荷不得超过轴向载荷的 55%。 运转中滚动体受到离心力矩作 用，滚动体与滚道间产生滑动， 并导致轴圈与座圈分离。为保 证正常工作，需施加一定的轴 向预载荷。允许允许轴圈对座 圈轴线偏移量1.52.5 3 圆锥滚 子轴承 300001.52.5中较大 可以同时承受径向载荷及轴向 载荷（30000 型以径向载荷为主， 无锡太湖学院学士学位论文 22 =10 18 大锥角 圆锥滚 子轴承 =27 30 30000 B 1.12.1中很大 30000B 型以轴向载荷为主） 。 外圈可分离，安装时可调整轴 承游隙。一般成对使用 推力球 轴承 510001低 只能承受 单向的轴 向载荷 5 双向推 力球轴 承 520001低 能承受双 向的轴向 载荷 只能承受轴向载荷。高速时离 心力大，钢球与保持架磨损， 发热严重，寿命降低，故极限 转速很低。为了防止钢球与滚 道之间的滑动，工作时必须加 有一定的轴向载荷。轴线必须 与轴线重合，以保证钢球载荷 的均匀分配 6 深沟球 轴承 600001高少量 主要承受径向载荷也可同时承 受小的轴向载荷。当量摩擦系 数最小。在高转速时，可用来 承受纯轴向载荷。工作中允许 内、外圈轴线偏移量816， 大量生产，价格最低 4.4.2 选择轴承时的考虑因素选择轴承时的考虑因素 选用轴承时，首先是选择轴承类型。常用的标准轴承的基本特点已经说明，下面再 归纳出合理选择轴承时所应考虑的主要因素。 4.4.2.1 轴承的载荷轴承的载荷 轴承所受载荷的大小、方向、和性质，是选择轴承类型的主要依据。 根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承 受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的 或中等的载荷，故在载荷较小时，可优先选用球轴承。 根据载荷的方向选择轴承类型的时候，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小 的纯轴向载荷可选用推力球轴承；较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承。对于纯径向 载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承在承受径向载荷的同时， 还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴 承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。 4.4.2.2 轴承的转速轴承的转速 在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高的时候， 注塑成型机注射部分设计 23 才会有较显著的影响。轴承样本中列入了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速值。这个 转速是指载荷不大，冷却正常，且为 0 级公差轴承时的最大允许转速。但是，由于极限 转速主要是受工作时温升的限制，因此，不必认为样本中的极限转速是一个绝对不可超 越的界限。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点 （1） 球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴 承。 （2） 在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越小，运转时滚动体加在外圈 滚道上的离心力也就越小，因而也就更适合在更高的转速下工作。故在高速 时，宜选用相同内径而外径较小的轴承。若采用一个外径较小的轴承而承载 能力达不到要求时，可再并装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。 外径较大的轴承，宜用于低速重载的场合。 （3） 保持架的材料与结构对轴承转速影响极大。实体保持架比冲压保持架允许高 一点的转速，青铜实体保持架允许更高的转速。 （4） 推力轴承的极限转速很低。当工作转速很高时，若轴向载荷不十分大，可以 采用角接触球轴承承受纯轴向力。 （5） 若工作转速略超过样本中的规定极限转速，可以选用较高公差等级的轴承， 或选用较大游隙的轴承，采用循环润滑或油雾润滑，加强对循环油的冷却等 措施来改善轴承的高速性能。若工作转速超过极限转速较多，应选用特制的 高速滚动轴承。 油缸注射时螺杆前进，右端的轴承承受较大的轴向力，当油缸退杆时，左侧的轴承 承受较大的轴向力，并且由于螺杆在旋转时也会产生一定的径向力，所以左侧选择圆锥 滚子轴承，右侧选择推力球轴承 4.4.3 轴承尺寸的计算轴承尺寸的计算 已知注射油缸直径为 100mm，活塞杆的直径为 45mm，故根据压强公式可计算出轴 承所受到的轴向力 （4.5）kN d D F2002160 4 )( 2 2 图 4.3 轴承示意图 以此查找机械设计课程设计中常用滚动轴承表，确定轴承的基本尺寸其中 D=130mm,d=75mm,B=31mm. 无锡太湖学院学士学位论文 24 注塑成型机注射部分设计 25 5 移动油缸移动油缸 5.1 移动油缸的结构移动油缸的结构 移动油缸是由油缸体、油缸端盖、活塞、活塞杆、密封件等零件组成，其形状与注 射油缸类似。当移动油缸进油时，实现注射座的前进和后退动作，并保证注塑喷嘴与模 具主浇套圆弧面紧密地接触，产生能封闭熔体的注射座压力。 图 5.1 移动油缸 5.2 移动油缸的计算移动油缸的计算 图 5.2 移动油缸示意图 移动油缸直径 mmD 活塞杆直径 mmd 根据压强公式 S F P 无锡太湖学院学士学位论文 26 现已知 P=160MPa 4 - - 22 ）（ 活塞杆油缸 dD SS S 假设活塞杆的直径 d=30mm，可求得移动油缸直径 D=60mm 图 5.3 移动油缸分部件 注塑成型机注射部分设计 27 6 结论与展望结论与展望 6.1 结论结论 注射成型机主要由以下部件组成：注射装置，合模装置，液压传动和电气控制系统。 其中注射装置的是使塑料均匀塑化成熔融状态，并且以一定的压力及速度将定量的熔料 注射到模腔内。因此，注射装置应具有塑化良好，计量精确的性能，并在注射时对熔料 能提供足够的压力和速度。注射装置一般由塑化部件（机筒，螺杆，喷嘴等）料斗，计 量装置，螺杆传动装置，注射和移动油缸等组成。因此，注射装置在整个塑料注射成型 机的结构中占有不可或缺的地位。 选择注塑机注射装置标准，主要就是看它的主要性能参数，比如注射量、注射质量、 注射压力、注射速率等等。随着科技的发展，注射装置是否能在规定的时间内，提供一 定数量的，组分和温度均匀的熔料；是否能根据塑料性能和制品结构的情况，应有合适 的速度和压力，将一定量的熔料注入模腔，作为衡量注射装置的好坏。 目前小型机市场竞争日趋激烈，用户对机器的要求也越来越多，从过去的价格竞争 到现在的参数竞争、性能竞争。在参数方面落后与同行业水平，同时小型机的结构、外 形十多年来并未作大的改进，产品缺乏很好的定位（包括产品水平的定位、价格的定位） ， 制造成本居高不下，因此，如何通过本次设计改善结构、外形，降低制造成本，提高装 配效率是这次设计的关键。 注射部件本次改善内容： (1)料筒测温孔加深，更接近熔融塑料的实际温度。 (2)考虑落料方便，修改落料口形式，提高塑料输送。 (3)对注射座、传动座进行分析，3D 造型，受力部位进行应力分析，改善局部结构， 降低零件重量。 (4)通过对注射油缸、活塞杆等零件增加长度公差，通过尺寸保证减少长度偏差，使 原来靠工人手工调整长度的情况得到改善，提高装配效率。 (5)止回环采用平面密封，减少移动距离，提高制品重复精度。 (6)注射缸盖的密封采用 O 型圈+挡圈的方式，减少无谓的漏油现象。 6.2 不足之处及未来展望不足之处及未来展望 本次设计以注塑机注射部件为研究对象，对其塑化部件、注射油缸、传动部件、移 动油缸等部分进行了研究，取得了一定的成果，但是由于时间、实验条件限制以及个人 的一些原因，还有许多地方需要不断地改进和完善，项目还可以做进一步的深入和挖掘， 在后续的研究工作中，建议从以下方面入手展开： 对塑化部件中螺杆头进行进一步的完善。在塑化部件的设计中，螺杆头的设计是其 重要的一部分，它也存在着一定的经济效益，本文只给出了一种方案，如何得到进一步 的优化，仍在研究之中。 对自己的 CAD 制图能力进行进一步的提高。本次设计使用了 CAD 来进行制图，但实 际操作中明显体现出 CAD 制图不熟练的问题，应该提高使用 CAD 的熟练度。 无锡太湖学院学士学位论文 28 致致 谢谢 本论文的工作是在指导老师陈浩的悉心指导下完成的，在我进行毕业设计的期间， 陈老师给予了本人无微不至的关心和耐心的指导，在学习和课题的研究过程中，从选题 到理论研究的探索，再到论文的修改及最后的定稿，都给予了我宝贵的意见和指导，值 得此论文完成之际我表示深深的感谢。四年来，陈老师以其宽阔的学术视野，深邃的洞 察力，认真的治学精神，开拓的创新精神，扎实的研究功底以及孜孜不倦的工作态度使 我终生受益，谢谢您，陈老师。 特别感谢我的家人，在我近 20 年的求学生涯中，他们给予了我最无私的帮助、支持 和鼓励，在此向他们致以最崇高的敬意和感谢；同时，还要感谢在我参加实习的公司和 开发部的设计师们的详细指导，谢谢你们这几个月来对我的关心和问候。 最后，在此向各位评审和论文答辩的老师表示衷心的感谢和祝福！ 注塑成型机注射部分设计 29 参考文献参考文献 1 璞良贵,纪名刚.机械设计(第八版)M. 北京：高等教育出版社，2006：307-311 2 张建国，王兴天.注塑技术与注塑机M.北京：化学工业出版社，2005：97-122 3 李育锡.机械设计课程设计M.北京：高等教育出版社，2008: 3-204 4 左亚军.基于正交试验法的注塑机合模机构的优化设计研究D.广东：广东工业大学，2012 5 赵攀峰.二板式全液压型注塑机关键技术研究D.浙江：浙江大学，2012 6 周雅文.注射成型螺杆的性能评价及优化D.北京：北京化工大学，2010. 7 北京化工学院，华南工学院.塑料机械设计M.北京：轻工业出版社，1983：318-520 8 范有发.冲压与塑料成型设备M.北京：机械工业出版社,2001： 10-50 9 戴伟民.塑料注塑成型（第 2 版）M.北京：化学工业出版社,2009：1-50 10 Johannaber, F. 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Introduction to operating deflection shapesM.UK Vibran Technologie, Jamestown, 1999:1-50 无锡太湖学院学士学位论文 30 附附 录录 符号说明符号说明 螺杆直径(mm)注塑螺杆的外径 S D 螺杆长径比注塑螺杆螺纹部分的有效长度（L）与其外径 DS之比； S DL/ 理论注射容积(cm3)一次注射的最大理论容积； C V 理论注射量(g)一次注射的最大理论质量，一般用 PS 料； i G 注射压力(MPa)注射时螺杆头部熔料的最大压强； i P 注射速率(cm3/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） ； i q 注射功率(kw)螺杆推进熔料的最大功率； i N 塑化能力(cm3/s,g/s)单