中型注塑机锁模结构设计

2 注塑机锁模机构的方案设计注塑机是一种对塑料制品进行注塑成型的设备，一般通常为卧式的居多。图2-1是注塑机的工作程序图。闭模注射座前进注射保压冷却启模制品顶出螺杆转动塑化退回停止塑化图2-1 注塑机工作程序框图注塑机的构成通常有液压系统、注射系统、合模系统、加热及冷却系统、控制系统、加料装置这些主要部分，注塑机组成示意图见图2-1。图2-2是注塑机组成示意图，从中我们可看出注塑机这种机械是具有较高程度的机电一体化，其中合模系统较为重要，因为它能够提高产品的质量，也能够提高产品的生产量。本次设计主要从合模部件和液压系统这两方面展开具体的结构分析。锁模装置是注塑机的组成部分之一，它的主要功能是在额定的时间内以一定的速度打开和闭合模具；同时在提供的锁模力足够的情况下，在注射时才能将模具锁紧顶出制品，它的结构和机能既能影响机器的生产效率，还能影响制件的质量。因此，对锁模装置有以下要求：1）锁模力要足够大，在保证模具在注射时的情况下，不会因模腔压力的作用下张开从而形成溢边，以至于影响制品精度；2）模板行程，模板间距和模板面积要足够大，以适应成型不同形状和不同尺寸的制品要求；3）开模和闭模速度要较高的，而且在闭模时，应该先快后慢；但开模时，应该先慢后快，而后再慢。以此使制品顶出平稳得到满足，生产效率高得到提高，安全得到保障。注塑机注射部件装置塑化部件螺杆料筒螺杆头喷嘴注射座注射油缸座移油缸液压马达合模部件合模装置调模装置顶出装置机 身液压系统泵、液压马达、阀蓄能器、冷却器、管路等油路控制加热系统冷却系统控制系统动作程控料筒温度控制液压泵电机控制故障检测报警控制安全保护加料装置图2-2 注塑机组成示意图2.2 锁模机构的选型2.2.1类型选择合模机构按锁模力可可分成三类，分别是全液压合模机构、液压肘杆式合模机构和全电动式合模机构。（1）全液压式全液压式合模机构可分成三类，一是直动式合模机构，二是增压式合模机构，三是充液式合模机构。1）直动式合模机构。直动式合模机构是一种简单的合模机构。它的合模动作是通过合模油作用在活塞从而实现的。这一类合模机构，是早期发明的，所以合模运动相对简单，已不能满足现如今注塑机锁模机构运动特性的需求，而且消耗的能量大，目前基本上已被淘汰。2）增压式合模机构。合模机构的构成有，增压缸、充液阀、合模油缸与稳压油缸这四种零件。这种合模机构液压油力能够影响锁模了，油压加大了，锁模力也随之提高。适合中小型锁模装置。3）充液式合模机构。这种合模机构的特点是，合模时速度是快速低压，锁模时速度是慢速高压，开合模行程长；而且油缸的直径能够通过他来改变； 但是其液压系统复杂庞大、易內泄导致长时间升压、能量损耗大、制造要求高。适合中小或中大型合模装置。 （2）液压肘杆式液压肘杆式合模机构是由两部分构成的，一是对称的曲肘连杆，二是移动液压缸。它之所以能够锁紧模具，是因为它能让液压系统驱动曲肘连杆机构。这种合模机构具有力的放大作用，较小的液压缸推力通过它能够取得很大的锁模力，具有节约能源的功能。在合模和开模的过程中，它的速度是按照慢、快、慢这一过程变化的，这样生产效率能够得到提高的同时也降低了能源的损耗。这种合模机构的功率相对其他合模机构小，锁模力也受到限制。现如今其是注塑机广泛使用的合模机构。但这种方式不足的是：1）合模和开模的精度差、结构庞大；2）高精度的加工要求，对于润滑系统有较高的要求，否则容易加快机械损害，影响机械的使用周期。这种合模机构不能加工成型较为精密的制品。 （3）电动式电动式类型模具的工作原理为:当电动机正方向旋转时,死线材驱动切换机构来促进动态模板向前面运动。电动夹紧机构指的是模具夹紧机制与电动机作为动力源的驱动模板。目前较流行的是所谓的电动肘杆式电动机械夹紧机制。所有电动切换关闭模具与伺服电机滚珠螺杆机制,齿形带和其他组件取代液压系统驱动曲柄连杆机构实现模具打开和关闭和锁定,整个装置可调模,采用伺服电机的执行锁定机制。具有节能、控制精度、重复精度高、效率高和环境保护。但问题是,滚珠丝杆将带来新的问题:1)螺丝的磨损将导致精度下降;2)制造、装配的要求更高,如果两个的准确性是不够的,它将出现在滚珠螺杆附加径向力,从而加速磨损滚珠丝杆;3)当形成面积大,如果在连续切换不完全撑,开始注入,滚珠丝杆承受很大的轴向力,加速滚珠螺杆损坏;4)成本过高,尤其是电气控制系统,在当前注塑机技术,市场占有率低。通过上述几种合模装置的有缺点，再结合这次设计需要是功能，本设计的锁模装置选择液压肘杆式。肘杆式可分为单曲肘及双曲肘式这两种，其中双曲肘机构按照构成曲肘的铰链数可分为五孔型及四孔型两种；肘杆式按照曲肘排列位置可分为直排式及斜排式这两种。现在大多数厂家生产的五孔斜排形式这一种合模装置，又因为双曲肘式的结构对称紧凑，运动特性好，故采用双肘杆式这种锁模装置。机构简图见图2-3，运动行程与各参数解图见图2-4。 图2-3 五孔斜排式双曲肘机构简图 图2-4 运动行程与各参数的图解图2.2.2运动方式选择下面对双曲肘五支铰连杆合模机构的内翻式和外翻式这两种展开分析。（1） 双曲肘内翻式五支铰连杆机构，如图2-5所示。动作原理：在启闭模时，合模油缸1进油，在合模油缸1推力作用下曲肘连杆机构4带动动模板5还有其模具，使得能够启闭模运动；在模具接触的时候，曲肘连杆还未处于伸直状态，在合模油缸1推力作用下曲肘连杆机构产生力较大的作用力，使得曲肘连杆伸直从而自锁。模具接触时，连杆未伸直的程度可以通过合模油缸1和调模装置2来调整。内翻式特点：启模时，结构简单紧凑，双曲肘相对于轴线是向内翻转，比较适合中小型注塑机使用，是现在应用最为较为广泛的合模机构。图2-5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前模板图2-6 双曲肘外翻式1合模油缸；2曲肘连杆机构（2）双曲肘外翻式，如图2-6所示。动作原理：启闭时的运动原理及锁模的原理与内翻式是一样的，不一样的是它们的结构特点，启模时，双曲肘相对于轴线是向内翻转，在前后模板上的支铰比较靠近中心，少了支铰跨度，动模板支承刚性提高，比较适合于大型机使用。通过比较双曲肘内、外翻式的特点，又因为本次设计的注塑机为中型机，故采用双曲肘内翻式合模机构。2.3 动模板行程Sm动模板行程是指动模板移动的最大距离。移动模板行程与成型制品的高度相关，只有动模板行程要大于制品最大高度的2倍才能成功取出制品，如图2-7所示。图2-7 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-动模板动模板行程式中 脱模间隙； 料把高度； 最大制品高度。又因为=15mm，=30mm，=150mm，可得=195mm=300mm在生产过程中，为了增加生产量，注射成型时会采取最短的模板行程，故动模板行程为300mm。2.4肘杆机构的尺寸参数确定由双曲肘内翻式结构，绘制出肘杆机构运动简图如下图2-8。图2-8 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，支点A与滑动点C的垂直距离；后连杆转角； 前连杆转角；后连杆上主杆与支杆的夹角，即L1与L5的夹角；斜排角，L1与过A点的水平线夹角；小连杆与过C点的水平线的夹角；最大开模行程的开模转角；合模油缸活塞的行程；动模板的移动行程；以A为原点，建立如图所示的XAY坐标系。合模行程动模板的移动行程B点在合模转任意角度的位置点 （4-1）从上式得出 （4 -2）从而得到其中，称为杆长比，代入四.式得 当合模转角转到极限位置时， 1）当时，L1与L2共线，肘杆合模机构处于锁模状态，有最大值2）当时，现是在合模转角转到一定位置时的值，此时有最小值所以动模板的行程（1）尺寸约束条件从目前市场上的注塑机肘杆机构尺寸可得出相关杆长尺寸和角度。有关角度取值范围：后连杆L1和支连杆L4之间的夹角；斜排角；当回转角为时，支连杆L4的回转角不能超过。有关长度取值范围：；力的放大倍数M约为1622倍。（2）尺寸计算确定根据产品定位和设计要求，已知数据为：锁模力Fm=150KN，动模板的移动行程，Sm=300mm，预计实现力的放大倍数M为20倍 ；确定下斜排角，。 动模板的移动行程代入数值得：解得：偏心度代入数值得：圆整得到E=90。合模油缸活塞的行程代入数值得：解得：动模板的移动行程与合模油缸活塞的行程之比：力的放大倍数M为：代入数值得：达到设计要求，故合模油缸所需提供的力为F0=Fm/M=(150/20)KN=7.5KN根据以上计算得出肘杆尺寸图，如图2-9所示。图2-9 肘杆尺寸图2.5 速度和加速度分析根据生产力要求，合模时间T=5s，且已知合模油缸活塞的行程，则合模油缸活塞的平均速度位置0：合模起点，当合模转角时，如图2-10。图2-10 因为是合模起点，所以速度和加速度。位置1：当合模转角时，如图2-11。图2-11 设定此时合模油缸活塞的速度 位置2：当合模转角时，如图2-12。图2-12 同理可得，位置3：当合模转角时，如图2-13。图2-13 同理可得，位置4：当合模转角时，如图2-14。图2-14 同理可得，位置5：当合模转角时，如图2-15。图2-15 同理可得，位置6：当合模转角时，图略合模终点，所以这时跟合模起点一样，速度和加速度，而动模板刚好走完全部行程，即。根据上述分析，可绘制合模行程、速度以及加速度关于合模角的曲线图， 如图2-162-18所示。图2-16 合模行程曲线图图2-17 动模板速度曲线图图2-18 动模板加速度曲线图通过图2-162-18分析可以看出之前的肘杆尺寸参数的设计是合乎要求的。合模角在，动模板移动速度随着合模角的减小逐渐增大；过了至50缓慢增加；合模角在50后速度又开始迅速减小，过了30后速度下降变慢，直到减至0，这时动模板刚好走完全部行程。2.6 临界角和变形力的计算肘杆,一个可移动的模具,一个固定的模具、固定模板和拉杆组成了一个封闭的框架,夹紧缸通过切换机制促进动态模板,动模和固定模接触时,两个切换不是一条直线延伸,现在称为临界角。切换动作,每个组件产生弹性变形,动态模板,肘杆张力压缩。机制变形力的肘杆机构锁模过程,因为系统弹性变形和实际的锁紧力的形成,根据夹紧变形机制的大小。pre紧缩力形成的封闭框架可以确保塑料融化不是分开的移动和固定模具,产品精度高。变形力的移动载荷气缸死去,夹紧油缸驱动切换机制,机制的强化效果,锁模力克服变形力将模具,这是切换机制正常工作条件。 经计算临界角为5.15。变形力在临界角内的计算值见表2-1，肘杆完全伸直时，变形力等于合模力，即PC=1100 kN, 满足设计要求。临界角 机构变形力 = 表2-1 机构变形力()011.522.533.544.555.15Pc(kN)1100105810069338407265914362606302.7 油缸推力 油缸推力在合模过程中是变化的，开始与最后均为零，在中间有最大值。经计算理论值为67kN，考虑效率和结构设计等缘故，合模油缸拉力最后选定为95 kN。3 注塑机锁模装置结构的设计3.1 注塑机锁模装置总体结构方案注塑机锁模装置主要是由尾板、移动板和固定板以及连杆机构、液压缸等等部件组成，其总体结构方案图如下图3-1所示：图3-1 锁模装置总体结构方案图1-尾板；2-移动板；3-模具；4-固定板；5-拉杆；6-前连杆；7-后连杆图3-1设计了锁模装置的合模、开模时的两种状态的总体结构方案图。由图可以看出注塑机锁模装置的开合是动模板相对于定模板的运动来实现的。下面通过图3-2和图3-3的装配图来观察注塑机锁模装置的合模和开模这两种状态：1）注塑机锁模结构的合模图3-2 注塑机锁模结构合模装配图由图3-2可以看出，合模是动模板向前模板靠拢并锁紧的过程，动模板移动是通过液压缸驱动实现的，合模速度的按慢、快、慢变化。2）注塑机锁模结构的开模图3-3 注塑机锁模结构开模装配图开模过程与合模过程相识，开模速度也是按慢、快、慢变化。3.2 模板的结构设计前、后、动模板是合模部分的重要零件。合模框架是由后模板、前模板通过拉杆构成的。锁模后，在锁模力的作用下，动、定模板将模具锁紧，并且使其产生压缩变形，模板中部产生挠度。模板的材料，结构，尺寸，将会决定合模系统的刚性、强度，从而影响到锁模力。模板通常选取铸铁件或球铁。3.2.1前模板的结构设计图3-4 前模板零件结构图前模板主要是定模用的，安装在锁模装置的右端。其前方接触处于熔融状态的塑料，后方固定模具，承受模具合模的压力。前模板在合模时会受力压缩变形，因此对材料有较高的强度要求。其具体零件结构图如图3-4所示。3.2.2 后模板的结构设计图3-5 后模板零件结构图后模板在注塑机锁模装置中主要作用有两个：其一是起到安装液压缸的作用，其二是连接拉杆，从而形成合模力。其材料为铝合金，具体零件结构图如图3-5所示。3.2.3移动板的结构设计图3-6 动模板零件结构图动模板主要是在液压缸的作用下，在导杆的支撑下来回移动从而来实现合模和开模操作。图3-6是其零件结构图。在注塑机锁模机构中，动模板（移动板）不仅能够设置顶出机构，还能安装模具。合模时，动模板承受绝大部分的压力，会使其受力压缩变形，而且设置了顶出机构，因此我们在对动模板的选材上刚度与强度，以及结构的紧凑性要同时兼顾。动模板失效是由于其在循环工作的压力作用下，超过了其承受能力，从而产生的弯曲疲劳破坏。3.3拉杆的结构设计拉杆是锁模装置的一重要零件。其具体零件图如图3-7所示。它不仅能够与模板构成刚性框架，而且还具有导柱作用，让动模板在其上移动，所以对尺寸精度要求高，还要有较好的耐磨性能、刚度、强度，表面光滑等等，这些因素会对锁模产生影响。拉杆通常选取的材料：40cr或45号钢。图3-7 拉杆零件结构图3.3 其他零件的选择曲肘、连杆、推力座、油缸、活塞杆都是锁模机构的主要受力零件，容易磨损，精度要求高。曲肘在锁模机构做合模、开模时做旋转运动；连杆在锁模机构做合模、开模时做平面运动。它们的受力方向时刻在变化着，并且受到力的作用，使其弯曲变形。为了确保肘杆构件均匀受力，使避免影响注塑机锁模质量，选取的材料通常是刚件、球铁。 液压缸有多种类型。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。选择普通单型活塞杆单作用气缸。4 液压系统的设计4.1注塑机的动作程序注射机的工作循环为： 合模注射保压 冷却 螺杆预塑进料顶出开模 闭摸动作的工况特点是：模具在闭合时速度有慢、快、慢这一变化；模具闭合后的负载为重载，速度为零。4.2注塑机对液压系统的要求 1）具有足够的合模力； 2）模具的开合速度可挑；3）注射座整体进退； 4）注射压力和注射速度可调；5）保压及压力可调； 6）为了确保制品免遭损坏，制品要平稳顶出。4.3 确定液压系统方案1) 执行机构的确定液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者完成回转运动。本系统选择双作用单活塞杆液压缸。2) 执行机构的运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和速度的控制是拟定液压回路的核心问题。由于本系统工作在小流量场合，因此采用适合此流量的方向控制回路，即通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。速度控制的相应调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。节流调速一般定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度，这种调速方式结构简单，适用于功率不大的场合，本系统就是采用这种方式。缺点是效率低，发热量交大，但是对于不是频繁工作的系统来说，只要按发热功率计算出合适的油箱即可解决。正是因为其发热量大，所以节流调速一般用开式循环。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路，结构简单，散热性好，但就是油箱体积大。3) 其它回路因为为了确保整个系统的安全性和可靠性,因此我们必须设置安全锁停止机制。这需要被锁定,即压力保持电路。锁环的主要功能是使液压缸在任何位置,这个位置并不是感动的外部力量,液压控制系统采用锁电路的单向阀门。油压左侧的液体控制单向阀门的液压缸左腔,还通过控制端口开放对液体控制单向阀,正确的液压缸腔循环液体的右侧控制单向阀和换向阀流回油箱,活塞向上运动。相反,活塞向下移动。需要呆在位置,只要方向阀的位置,因为阀在H型函数,所以这两个液压控制单向阀关闭,这样活塞双向锁。因为液压控制止回阀具有良好的密封性能和一些泄漏,锁的精度主要取决于液压缸的泄漏。为了提高安全系数,使用平衡电路和功能机制不起作用。本系统采用平衡电路的液压控制阀系列单向节流阀,锁环是好的,可靠的工作。卸载电路采用M型中间位置函数,和液压影响很小,当开关切换。图4-1 注塑机液压系统原理图A-大流量液压泵；E-小流量液压泵；1、2-电液换向阀；3-电磁换向阀；4、5-电液换向阀；6、21-电磁换向阀；7、8、9-溢流阀；10、11、12-单向阀；13-液控单向阀；14-节流阀；15、16-调速阀；17、18-单向顺序阀；19-行程阀；20-液压马达该注塑机各执行元件的动作循环主要依靠行程开关切换电磁换向阀来实现的。电磁铁动作顺序如表4-1. 表4-1 液压系统原理图电磁铁动作表注：“+”表示电磁铁通电；“-”表示电磁铁断电。为保证安全生产，注塑机设置了安全门，并在安全门下安装了一个行程阀19加以控制，只有在安全门关闭、行程阀19上位接入系统的情况下，系统才能进行合模运动。下面对液压系统主要零件选用：（1）执行机构的确定 本注射机的执行机构除了螺杆是单向旋转之外，其他的机构都是直线往复运动。直线运动机构的驱动选择单活塞杆双作用液压缸，螺杆的驱动是选择液压马达驱动。为了保证锁模时所需的力，选择增压液压缸。（2）合模缸 慢快速、锁模，开模是本次对合模缸的要求。由电液换向阀控制它的运动方向。快速时，大流量小流量同时供给；慢速时，只需小流量供给。锁模时，由增压缸供油。（3）液压马达 因为螺杆不需要反转，故采用液压马达单向旋转，又因为对不需要较高速度平稳性，所以选择了旁路节流调速方式。（4）注射缸 注射缸运动速度也较快，平稳性要求不高，故也采用旁路节流调速方式。由于预塑时有背压要求，在无杆腔出口处串联背压阀。（5）液压源双泵供油系统有两个优点，一是满足较大需油量变化，二是可以有较长时间的保压，而这两个优点恰好符合本次设计液压系统需油量变化及闭模后保压时常的要求。为了减少损耗，提高经济效率，液压缸在快速动作的时候，双泵要同时供油；慢速动作或保压时，只需要小泵供油。4.4液压系统运动分析（1）合模合模是移动板向固定板靠拢并锁紧的过程，移动板移动是液压缸驱动实现的，合模速度的变化为慢、快、慢。具体如下：1）动模板慢速合模运动图4-2 慢速合模运动液压系统图由图图4-2可以看出，合模开始时，电磁铁1YA、l0YA通电，其中电液换向阀4右位接入系统，同时电磁阀6上位也接入系统。低压大流量液压泵A的卸荷是通过电液换向阀l的M型中位机能实现的，合模缸左腔油液是高压小流量液压泵B输出的压力油经阀4、13从而得来的，回油箱是通过右腔油液经阀4实现的。液压缸推动移动板开始慢速向右运动。此时可以看出系统油路连通情况如下。进油路：液压泵B电液换向阀4（右位）单向阀13液压缸左腔。回油路：液压缸右腔电液换向阀4（右位）油箱。2） 动模板快速合模运动图4-3快速合模运动液压系统图由图4-3可以看出，慢速转为快速合模时，动模板上的行程挡块压一下行程开关，电磁铁5YA通电，阀1左位接入系统，大流量泵A不再卸荷，其压力油经单向阀11、单向顺序阀17与液压泵B的压力油汇合，共同向液压缸供油，实现移动板快速合模运动。此时系统油路连通情况如下。进油路：（液压泵A单向阀11单项顺序阀17）（液压泵B）电液换向阀4（右位）单向阀13合模缸左腔。回油路：合模缸右腔电液换向阀4（右位）油箱。3） 合模前动模板的慢速运动由图4-4合模前动模板的慢速运动液压系统原理图可以看出，当移动板快速靠近固定板时，另一行程挡块将压下其对应的行程开关，使5YA断电、阀1复位到中位，泵A卸荷，油路又恢复到以前状况，使快速合模运动又转为慢速合模运动，直至将模具完全合拢。图4-4合模前动模板的慢速运动液压系统原理图（2）注射保压图4-5注射保压液压系统原理图由图4-5可以看出，当注射缸22对模腔内的熔料实行保压并补塑时，注射液压缸活塞位工作移量较小，只需少量油液即可。所以，电磁铁5YA断电，阀1处于中位，使大流量泵A卸荷，小流量泵B继续单独供油，以实现保压，多余的油液经阀7溢回油箱。（3）注射座后退由图4-6可以看出，当保压结束，电磁铁8YA通电，阀3左位接入系统，泵B的压力油经阀12、阀3进入注射座移动液压缸左腔，右腔油液经阀3、阀14回油箱，使注射座后退。泵A经阀1卸荷。系统油路连通情况为：进油路：泵B阀12阀3（左位）注射座移动缸左腔。回油路：注射座移动缸右腔阀3（左位）节流阀14油箱。图4-6注射座后退液压系统原理图（4） 顶出由图4-7可以看出，模具开模完成后，压下一行程开关，使电磁铁11YA得电，从泵B来的压力油，经过单向阀10，电磁换向阀21上位，进入推料缸的左腔，右腔回油经阀21的上位回油箱。推料顶出缸通过顶杆将已经注塑成型好的塑料制品从模腔中推出。图4-7 顶出液压系统原理图