第一章注塑机工作原理及构造

3 第一章 注塑机工作原理及构造 第一节 注塑机工作原理 一 注塑机工作原理 注塑成型机简称 注塑机 其机械部分 主要由注塑部件和合 模部件组成 注塑部 件主要由料筒和螺杆 及注射油缸组成示意 如图 1 19 所示 注塑成型是用塑性 的热物理性质 把物料 从料斗加入料筒内 料筒外由加热圈加热 使物料熔融 在料筒内装有在外动 力油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的塑化 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力作用下向后退 使螺杆头部形成储料空 间 完成塑化过程 然后 螺杆在注射油缸活塞杆推力的作用下 以高速 高 压 将储料室的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中 型腔中的容料经过保压 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 定型好的制件从模具顶出落下 塑料从固体料经料斗加入到料筒中 经过塑化熔融阶段 直到注射 保压 冷 却 启模 顶出制品落下等过程 全是按着严格地自动化工作程序操作的 如 图 1 20 所示 1 模具 2 喷嘴 3 料筒 4 螺杆 5 加热圈 6 料斗 7 油马达 8 注射油缸 9 储料室 10 制件 11 顶杆 图 1 19 注塑成型原理图 闭模 注射座前进 注射 保压 制品顶出 启模 冷却 固定塑化 塑化退回 退回塑化 注射 座动 作选 择 图 1 20 注塑机工作程序框图 4 第二节 注塑机组成 注塑机根据注塑成型工艺要求是一个机电一体化很强的机种 主要由注塑 部件 合模部件 机身 液压系统 加热系统 冷却系统 电气控制系统 加 料装置等组成 如图 1 21 所示 第二节注 塑 机 结 构 2 1 注塑机总体结构 公司目前主力机型为 HTFX 系列 该机型主要可分为注射部分 注 塑 机 注塑部件 塑化装置 注射座 注射油缸 螺杆驱动装置 注射座油缸 螺杆 料筒 螺杆头 喷嘴 合模部件 合模装置 调模装置 制品顶出装置 机身 液压系统 泵 油马达 阀 蓄能器 冷却器 过滤装置 管路 压力表 冷却系统 入料口冷却 模具冷却 润滑系统 润滑装置 分配器 电器控制系统 动作程序控制 料筒温度控制 泵电机控制 安全保护 故障监测 报警 显示系统 机械手 加料装置 图 1 21 注塑机组成示图 5 01 部分 合模部分 02 部分 安全防护门 03 部分 液压传 动部分 04 部分 润滑部分 05 部分 电器控制部分 06 部分 和机身部分 07 部分 括号内为公司内部简称 2 2 注射部分 该部分功能要求在规 定时间内将规 定数量的塑料均匀地熔融 塑化到成型温 度 以一定压力和速度将 熔料注射到模具成型腔内 并 对其压力保持 按注射 储 料结 6 构可以分为柱塞式 螺杆式和复合式 双料筒 螺杆储料 柱塞注 射 其中螺杆式传输效率高 结构简单 是最为广泛应用的一种 公司采用既是该种结构 如图 2 2 1 图 2 2 1 该部分可分为塑化组件 注射油缸组件 预塑组件 料斗组件 注射座及射座油缸组件 塑化组件结构如图 2 2 2 所示 主要有 喷嘴 01 01 前机筒 01 02 螺杆头 01 03 止逆环 01 04 推力 环 01 05 料筒 01 06 螺杆 01 07 和 混炼环 01 09 通过对料筒加热 螺杆旋转 将原料从下料口输送到料筒前端 并熔融 接着将螺杆向前推进 使熔融态的塑料经喷嘴射入模具成 7 型腔内 图 2 2 2 下面对核心零件螺杆作简单介绍 以传统三段式单棱螺杆 如 图 2 2 3 所示 图 2 2 3 L 螺杆有效螺纹段总长 D S 螺杆直径 L 3 计量段长度 L2 压缩段长度 L 1 加料段长度 h 3 计量段螺槽深度 h 1 8 加料段螺槽深度 s 螺距 e 螺棱宽度 螺纹升角 螺杆直径 DS 从保证注塑机的主参数 注射量 V 来确定螺杆直 径 DS 从而再校核其塑化能力 单位时间塑化塑料的能力 注射量 V 是螺杆的截面积与注射行程之积 注射行程一般 4DS 5D S 现取 4DS计算 V 4 D 4DS D s2s3 DS V 3 式中 为注射系数 根据塑料类型和螺杆结构来确定 一般取 值范围 0 75 0 9 通常取 0 85 螺杆有效螺纹总长 L 长径比 L DS 和分段长 螺杆预塑时要 发生轴向位移 所以开始进入和最后进入塑料经过螺纹长度不同 为保证得到等温均质的熔体 对于通用型螺杆 螺纹段总长一般选 取 18 22 DS 以前考虑成本问题 推荐取小值 但近来更多考虑 整体效果 长径比有加大趋势 例如公司大型机上有些达到 25 一 般习惯选 20DS左右 计量段 L3取 20 30 L 压缩段 L2 20 30 L 加料段 L1 50 60 L 螺槽深度 h3和螺杆压缩比 i 计量段螺槽深度是由加工塑料性能 及塑化时压力等因素所定 是螺杆的重要参数之一 螺槽浅 剪切 热大 工作稳定性较好 但在其他条件不变情况下 塑化能力较低 通用型螺杆 h3一般取 0 05 0 07D S 小直径螺杆取大值 较大螺 杆的螺槽深度一般不宜超过 6mm 9 螺杆压缩比约为加料段深 h1与计量段 h3之比 压缩比 i 小压 缩比有利于提高塑化能力 而剪切塑化效果较差 在工艺上对背压 调节反映较为敏感 通用型螺杆压缩比一般为 2 2 8 通常取 2 4 即加料段深为 h1 2 4h3 由于加料段为螺杆底径最小 从而必 须对其校合剪切应力 0 经计算得 h1 DS 2 2T 0 1 3 T 取预塑马达的最大扭距 螺棱宽度 e 一般取 0 08 0 12D S 在保证螺棱强度的条件下 e 值取小些 因为比较大的 e 值不但占据一部份螺槽容积 而且增 加螺杆的功率消耗 容易引起物料的局部过热 当然 e 值也不能过 小 否则会削弱螺棱的强度 增大漏流量 从而降低生产效率 特 别对低粘度塑料更为明显 螺纹升角 的确定 根据权威机构实验证明 要达到最佳螺纹 副输送物料能力 比较合理的螺纹升角为 17 20 19 有趣的是 当螺纹导程 单头螺纹即为螺距 等于螺杆直径 DS时 这样 角 可用下式解得为 17 6 从而设计上一般螺距 s 取为 1 DS tg sD arctg s arctg 17 6 1 若 s DS 即螺距等于螺杆直径 螺杆与料筒间隙 从固体输送理论考虑 小的间隙能提高输送 效率 但要提高精度增加制造成本 而且小的间隙会使磨损加剧 10 一般我们将间隙控制在 0 001 DS 公司一般在每种吨位注塑机都配有三根或四根直径不同的螺杆 以提供多种不同的注射量和注射压力来满足用户对不同产品的要求 能加工 PP PE PS ABS 等多种塑料 由于螺杆处于比较恶劣的条 件下工作 它不仅要承受注射时的高压 同时还要经受熔料的磨蚀 作用和预塑时的频繁负载启动 注射螺杆的磨损是相当严重的 对 于小直径螺杆也常会发生疲劳断裂破坏 所以螺杆材料要选用耐磨 蚀 高强度 传统选用优质合金钢并经整体热处理 表面硬化 防 腐处理 或采用双金属材料 螺杆加工表面要求良好的光洁度 螺 杆头部还有螺杆头 推力环 止逆环 混炼环等零件 根据其工作 状况 同样选用优质合金钢并经整体热处理 表面硬化 防腐处理 注射油缸组件结构如图 2 2 3 所示 主要零件有射台前板 1 注射缸后盖 3 注射活塞 4 注射活塞杆 5 注射油缸筒 6 导向 套 8 注射缸前盖 9 端盖 11 射胶杆紧母 14 压盖 17 18 19 22 23 24 25 为油缸密封件 O 型圈 Y 型圈 防 尘圈 活塞环等 公司采用双缸平衡注射 既有二个注射油缸推动螺杆实现注射 该结构注射压力高 结构紧凑 注射平稳 当注射活塞右方油缸筒 内通压力油时 带动预塑座 射台后板 将螺杆向左方前进 图示 位置为注射到极限位置 当活塞左方油缸筒内通压力油时 带动预 11 塑座向右退 既为射退动作 倒索功能 当预塑时 随着原料的向 前输送 螺杆带动预塑座向右后退 通过控制活塞右方油缸筒内的 油液压力来实现预塑背压 另外 公司有些机型在活塞左方也设计活塞杆 一般直径较注 射活塞杆大 既所谓的注射双出杆 此方法能有效提高注射速度和 油缸的导向精度 12 图 2 2 3 13 预塑组件结构如图 2 2 4 所示 主要零件有射台后板 预塑 马达 1 联轴节 3 推力轴承 5 向心轴承 6 圆锥滚子轴承 13 轴 承迫母 16 油封盖 17 骨架式油封 公司采用低转速大扭距液压马达直接驱动螺杆 采用一线式排布 结构简单 同轴度 好 图 2 2 4 注射座组件结构如图 2 2 5 所示 主要零件有 2 射台前板 14 3 前板盖 5 射台后板 6 液压马达连接法兰 7 液压马达 9 导杆 支座 10 定位轴 11 射台导杆 12 导向套 13 导杆支座 14 定位 挡块 19 射台调节螺丝等 该结构简单可靠 能保证射台前板与射台后板良好的同心度 并带有水平 垂直位置调节的微调装置 以便喷嘴与模具良好对中 大机采用拖板式结构 承载能力大 如图 2 2 6 所示 并配有射 座旋转装置 可使料筒水平向转过一定角度后 避开头板 直接拆 装螺杆组件 16 图 2 2 5 17 图 2 2 6 料斗组件既为料筒的进料暂存筒 其容积通常为注塑机 1 2 小 时的用料量即可 公司在中大型机器上配置了带烘干功能的干燥料 斗 并带真空自动吸料机 注射座油缸组件既为注射座的牵引机构 保证注射时注射座的 喷嘴与模具的进浇口紧密接触 不漏料 公司小机采用单油缸 中 大机采用双油缸 牵引力大且平衡性好 2 3 合模部分 该部分功能是 快速平稳地操纵活动模板 用来开启和闭合成 型模具 要求足够大的模板面积 足够长的模板行程及模板开距 18 足够的锁模力和机构钢性保持模具闭合 不使模腔内的高压熔融塑 料外溢而造成飞边等缺陷 机构钢性的倒数为机构内各零件钢性的 倒数和 该部分按实现锁模力的方式分为机械式 液压式和液压 机械复 合式 公司 HTK 系列采用液压式合模机构 HTFX 系列属于液压 机 械复合式 我们称其为斜排五支点内卷式双曲轴合模机构 既用较 小合模油缸产生的推力经曲轴连杆机构放大达到足够的锁模力 并 且机构本身能实现活动模板慢 快 慢的运动特性 模具锁紧后机构 自锁 即使撤掉合模油缸推力 模具依旧锁紧 结构如图 2 3 1 所示 图 2 3 1 根据活动模板行程与油缸活塞行程的比值 行程比 大小 大 于 1 称其为增速型 小于 1 称其为扩力型 一般小型机选用扩力 型 扩力比 24 30 行程比 0 5 0 85 机构受力小 容易达到锁 模力要求 使用寿命长 中大型选用增速型 行程比一般 1 2 1 5 之间 机构轴向长度小 重量相对轻 结构紧凑 钢性好 模板速 19 度快 实现更低能耗 更高效率 由于合理的利用了曲轴连杆的机械特性 该种合模机构与液压 式比较特点见表 2 3 2 国内中大型机器大多数厂家采用液压机 械式机构 液压机械式 全液压式 移模速度 速度是变化的 不容易控制 速度可设定为常数 易控制 移模力 锁 模力 与构件材料 尺寸 质量 速度 有关 与肘杆机构行程位置有关 移模力和锁模力为常数 自锁性 合模后肘杆机构进入自锁 不能自锁 系统刚性 较强 允许适量短时间超载工作 较弱 超载时制品易形成毛边 机器能耗 较低 较高 结构特点 需 设 调 模 装 置 零 件 多 精 度 要 求 高 结 构 复 杂 行 程 短 机 身 长 结构简单 零件少 行程大 机身短 模具适应性 调模要求高 模具平行度要求严 好 全机成本 较低 高 特殊注射工 艺 较差 好 液压系统 一般 压力高 耗油量大 元件多 系统复杂 表 2 3 2 合模部分按功能可分解为 曲轴模板连接组件 调模装置组件 锁模油缸组件 顶出组件 机械保险组件 二板滑块及尾板滑座组 20 件 曲轴模板连接组件可分为模板连接装置和曲轴连接装置 如图 2 3 3 图 2 3 4 所示 图 2 3 3 模板连接装置主要有 拉杆 尾板 二板 导向套 密封圈 压盖 头板 拉杆螺母 拉杆压紧圈等零件 21 为二板滑块零件 曲轴连接装 置主要有 后 连杆 前连杆 小连杆 夹板拉杆 导 向套 小锁轴 小钢套 推 力座 23 大 钢套 大锁轴 图 2 3 4 下面介绍一下该单元的主关件拉杆和模板 拉杆主要承受机构锁模的反向力 拉应力 另受开模冲击 压应力 一般比拉力小一个数量级 既在使用中拉杆承受交变应 力作用 所以一般断裂分析都是疲劳破坏 甚至因模板变形等引起 22 的弯距作用 另外 拉杆对二板的移动起导向作用 所以拉杆材料 要求有良好的抗拉强度和抗疲劳强度 晶相组织细化均匀 一般采 用优质合金钢并经整体热处理 结构设计上加卸荷槽 表面光洁度 要求高 避免因细小裂缝而引起应力集中 表面镀铬处理提高耐磨 性 拉杆直径大小设计按抗拉强度计算 校核以抗疲劳强度为依据 模板主要承受合紧模具的反作用力 材料需要有良好压应力特 性 并有足够钢度 因模板一般结构复杂 要求材料有良好的铸造 工艺特性 公司曾经采用铸钢件 其压应力大 钢性好 使用寿命 长 但其浇铸流动性较差 难以实现目前越来越复杂的造型设计和 表面质量要求 随着工业技术的发展 铸铁件能完全适合模板的使 用要求 目前公司系列产品采用中等延伸率的球墨铸铁 能适合集 成化箱体式模板的成型要求 表面光洁度高 铸件心部球化好 并 具有良好的压应力特性和钢性 调模装置组件能调节定模板与动模板的装模距离 调节过程中 能保持两模板的平行度 四拉杆的同步性 其结构如图 2 3 5 所示 23 图 2 3 5 调模丝母 调模丝母垫 向心球轴承 啤呤定位销 调模大齿圈 液压马达 调模马达齿轮 23 液压马达座 另 外大型机器的调模大齿圈与调模丝母之间还有 4 个调模介轮过渡 以使调模大齿圈的直径不至太大 24 锁模油缸组件结构如图 2 3 6 所示 主要零件有 锁模缸后 盖 锁模油缸拉杆 锁模缸前盖 锁模缸前盖铜套 锁模 油缸筒 锁模活塞杆 锁模活塞 为油缸密封件 O 型圈 Y 型圈 防尘 圈 活塞环等 图 2 3 6 顶出组件结 构如图 2 3 7 所示 主要 零件有 顶出缸 拉杆 顶出缸 后盖 顶出油 缸筒 顶出活 塞 顶出活塞 25 杆 顶出缸固定套 顶出缸前盖铜套 顶出缸前盖 顶出 导板 顶出杆螺母 主顶出杆 副顶出杆 图 2 3 7 机械保险组件既用最 直接的机械装置阻止 模板的非法关闭 公 司标准结构为二板伸 向头板 如图 2 3 8 所示 一般内销机 器采用上图直通式保 险杆 适合半自动生 产方式 该结构要求 根据不同模具厚度和 实际开模行程而调整 长度 一般正常使用 开模到位后 机械保 险挡块闸下 另留适 量间隙即可 下图为 竹节式保险杆 该结构免去调节长度的不便 一般用于外销机 适合全自动或电眼自 26 动生产方式 半自动生产方式时 机械保险挡块较容易损坏 图 2 3 8 二板滑块主要支承二板和模具的重力 保护拉杆免受径向载荷 公司目前小机采用锲 型块 俗称斜铁 结构 参见图 2 3 3 大机 采用浮动油缸有一定自 适应功能 其工作原理 如图 2 3 9 所示 支 承压力一般调整范围为 2 6MPa 具体根据模具重量在此范围内调整至拉杆水平为止 尾板滑座组件一般用于大型机器 因大机重量大 调模相对困难 现将尾板下垫上该 装置 既将与机身的滑动副改为滚动副 以减小摩擦力 使调模更加顺畅 其装配结 构如图 2 3 10 所示 图 2 3 9 27 图 2 3 10 2 4 安全防护门 防护门主要为隔离机器的运动部件 起安全作用 另还需讲究 美观 操作方便 公司安全门设计要求起点高 有较高防护等级 表面静电喷粉处理 美观 可靠 中大型机采用双移动门 使设备 维修更加方便 2 5 液压传动部分 公司机器采用进口高性能定量叶片泵 配以双 多 泵组合 系统压力 流量采用 闭环 PQ 比例阀控制 世界名牌换向阀配以 插装系统 合理的液压传动系统实现低能耗 低噪音 低脉动 高 精度 高响应 性能可靠 目前公司另有变量泵 变频机节能系列 蓄能器快速注射及注射全闭环高速高精密系列等选购配置 液压传 28 动部分详情另有专门介绍 2 6 润滑部分 合模部分模板的滑动副和曲轴转动副采用自动集中控制 配以 定量加压式分配器 小机器采用定阻式 和压力检测报警 保证每 一运动部位充分润滑 其工作原理如图 2 3 11 所示 公司目前 主要采用油脂润滑 部分机型和大机模板 推力座采用稀油润滑 另注射部分及调模等速度低或不常运动部分的运动副采用手动定期 润滑保养 图 2 3 11 润 滑 点 润 滑 点定 阻 式其 它 分 配 器 其 它 分 配 器 润 滑 点 润 滑 点定 量 加 压 式其 它 分 配 器 其 它 分 配 器 26 2 7 电器控制部分 公司控制采用注塑机专用控制器 多重 CPU 全电脑控制 超大 TFT 液晶操作显示屏 响应快 稳定性好 可扩充性强 操作简便 预塑采用陶瓷电热圈加温 配以 PID 方式控制 加热快 保温好 温控精确 注射 合模 顶出等动作位置采用位移传感器检测 位 置控制精确 参数设定方便 电器控制部分详情另有专门介绍 2 8 机身部分 机身既机器的基础 要求有一定的强度和钢性 尤其对于高速 机 公司机身结构设计合理 做工讲究 并有良好力学性能 2 9 注塑机参数 公司样本参数有螺杆直径 螺杆长径比 注射容量 注射重量 注射速率 塑化能力 注射压力 螺杆转速 合模力 移模行程 拉杆内间距 最大模厚 最小模厚 顶出行程 顶出力 顶出杆根 数 系统压力 马达功率 电热功率等 详情另有专门介绍