基于3D數(shù)字化的注塑機(jī)合模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】在深入剖析注塑機(jī)液壓-肘桿式合模機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用液壓-螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的合模、鎖模和開模。在注塑機(jī)的后板上由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蝸桿渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪固定在帶有螺紋的拉桿上，拉桿的正反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)在其上的動(dòng)模板往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)合模、鎖模和開模。該機(jī)構(gòu)從整體上優(yōu)化注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)，增加設(shè)備適應(yīng)性。

【關(guān)鍵詞】注塑機(jī)；合模機(jī)構(gòu)；渦輪蝸桿（turbo-Worm）；螺旋；自鎖（The self-locking）

注塑機(jī)是由注射系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等組成。其中合模機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵，合模系統(tǒng)的作用：合模系統(tǒng)的作用是保證模具閉合、開啟及頂出制品。同時(shí)，在模具閉合后，供給模具足夠的鎖模力，以抵抗熔融塑料進(jìn)入模腔產(chǎn)生的模腔壓力，防止模具開縫，造成制品的不良現(xiàn)狀。所以國標(biāo)規(guī)定，用鎖模力的大小作為注塑機(jī)的規(guī)格。精確和可靠的鎖模力成為保證注塑件品質(zhì)和延長注塑機(jī)壽命的關(guān)鍵。

1.合模機(jī)構(gòu)介紹

合模機(jī)構(gòu)移動(dòng)特性是帶動(dòng)動(dòng)模板實(shí)現(xiàn)合模鎖模和開模的專門機(jī)構(gòu)。合模時(shí)中板移動(dòng)要較快而移動(dòng)力不大；鎖模時(shí)要提供精確的鎖模力，以防止注射后注塑件在模腔中的脹模；開模時(shí)中板后移動(dòng)要快，由于模腔對塑件的夾緊作用，開模力要大于合模力。傳統(tǒng)有全液壓式和液壓- 肘桿式兩種合模機(jī)構(gòu)。

1.1全液壓式

全液壓式合模機(jī)構(gòu)可分為直動(dòng)式、增壓式和充液式。這種合模機(jī)構(gòu)不滿足合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，耗能大，精度低，目前已經(jīng)很少應(yīng)用。（1）增壓式合模機(jī)構(gòu)。此類合模機(jī)構(gòu)的鎖模力受液壓系統(tǒng)和密封的限制，固增壓有限，主要用于中小型注塑機(jī)。（2）充液式合模機(jī)構(gòu)。這種容易內(nèi)泄造成升壓時(shí)間長、爬行、甚至讓模、速度慢、漏油、能耗高、容易造成液壓沖壓、液壓系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、大油缸加工困難。最重要的是這幾種機(jī)構(gòu)剛性較差，在脹模力略有出超時(shí)，中板就可能后退。

1.2液壓肘桿式

如圖1為液壓-肘桿合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，液壓肘桿式合模機(jī)構(gòu)由移模液壓缸和曲肘連桿兩部分串聯(lián)而成，是通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)曲肘連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模具的啟閉和鎖緊。它可以用很小的液壓缸推力，通過肘桿機(jī)構(gòu)的力的放大作用來獲得較大的鎖模力。在開合模過程中，這種機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)慢-快-慢的運(yùn)動(dòng)過程，提高了合模速度，節(jié)約了能耗并提高了效率。在輸入功率相同的情況下，肘桿式合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度優(yōu)于其它形式的合模機(jī)構(gòu)。

該機(jī)構(gòu)有三個(gè)特點(diǎn)。（1）如圖2畫出dL/dS曲線，可以得出，在合模過程中動(dòng)模板的移動(dòng)速度符合先快后慢，這樣既縮短合模周期又使得機(jī)構(gòu)平穩(wěn)。（2）肘桿機(jī)構(gòu)有力放大作用。β=dS/dL就是力的放大倍數(shù)，圖2中畫出了β曲線，隨移動(dòng)量增加，放大倍數(shù)變大。在液壓缸很小的推力下，可形成巨大的鎖模力。在 P點(diǎn)處，β值為無窮大。（3）肘桿機(jī)構(gòu)當(dāng)運(yùn)動(dòng)達(dá)到 P點(diǎn)時(shí)，肘桿處于一直線，稱之為處于死點(diǎn)，其反向運(yùn)動(dòng)自鎖，也就是說，無論脹模力有多大，都不可能造成開模。

液壓-肘桿合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的缺陷：

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損、開合模精度差。

（2）加工精度要求極高，在成型過程中使得模板受力不均，不能成型精密產(chǎn)品；需要復(fù)雜的調(diào)模結(jié)構(gòu)和潤滑系統(tǒng)，開合模行程短，而且銷軸等磨損后造成的受力不均，會(huì)加速機(jī)器損壞，例如：銷軸和拉桿斷裂、模板開裂、調(diào)模螺母咬死等。

（3）更換模具時(shí)需要重新調(diào)模，調(diào)模方法復(fù)雜。當(dāng)注塑機(jī)工作一段時(shí)間后，由于工作構(gòu)件包括模具、大杠和肘桿的熱變形，也需要再次調(diào)整后板和頭板之間的距離。

2.全新液壓馬達(dá)-渦輪蝸桿-螺旋機(jī)構(gòu)合模系統(tǒng)

圖3（a）和（b）為注塑機(jī)合模系統(tǒng)全新設(shè)計(jì)理念，液壓-渦輪蝸輪蝸桿-螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的合模、鎖模和開模。在注塑機(jī)的后板上由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)經(jīng)蝸桿蝸輪傳動(dòng)裝置帶動(dòng)帶有螺紋的拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)模板在拉桿一定長度范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際需要移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合模-鎖模-開模等。

（a） （b）

液壓螺旋合模機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有雙重自鎖性，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖；另外拉桿上的螺紋機(jī)構(gòu)也具有自鎖性，保證鎖模的穩(wěn)定性。

（2）液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以由進(jìn)油量加以控制，又實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比，所以螺旋機(jī)構(gòu)合模開模時(shí)中板運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)而快速。

（3）合模開模移動(dòng)距離量不受限制，省去了原來繁瑣的后板和頭板距離調(diào)節(jié)工作。

（4）螺旋機(jī)構(gòu)力放大倍數(shù)是常數(shù)，鎖模力容易控制。

（5）蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很小。

（6）易于實(shí)現(xiàn)較大范圍的無級變速 ，液壓傳動(dòng)通過調(diào)節(jié)液體的流量就可以方便地實(shí)現(xiàn)無級變速，而且速比范圍大。例如用節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量時(shí)，其流量變化可從0.02L/min變到100L/min調(diào)速比可達(dá)5000，其他傳動(dòng)形式的速比是無法比擬的。

（7）可實(shí)現(xiàn)快速而且無沖擊的變速和換向 ，這是由于液壓機(jī)構(gòu)的功率重量比大，所以液壓設(shè)備的慣性小，因此反應(yīng)速度就快。例如液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)慣量不超過同功率電動(dòng)機(jī)的10%，故起動(dòng)中等功率電動(dòng)機(jī)要1～2s，而同功率的液動(dòng)機(jī)械的起動(dòng)時(shí)間不超過0.ls。

（8）易于防止過載事故，在液壓傳動(dòng)中可以方便地用壓力閥來控制系統(tǒng)的壓力，從而防止過載，避免事故的發(fā)生，而且可以通過裝在系統(tǒng)中的壓力計(jì)來了解各處的工作情況和負(fù)載大小，而在機(jī)械傳動(dòng)中各處的負(fù)載大小就不易觀察。

3.結(jié)論

通過對液壓馬達(dá)-渦輪蝸桿-螺旋機(jī)構(gòu)合模系統(tǒng)的研究，該機(jī)構(gòu)依靠渦輪蝸桿和螺旋機(jī)構(gòu)雙重自鎖性能鎖模，鎖模力可精確控制，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)較大范圍的無級變速，無沖擊換向，動(dòng)模板的移動(dòng)空間更大，簡化了繁瑣的調(diào)模工序，增加設(shè)備的適應(yīng)性，整體上優(yōu)化注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)，增加設(shè)備適應(yīng)性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉西文.塑料成型設(shè)備.印刷工業(yè)出版社有限公司，2009，0701.

[2]張志光.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，2011，0122.

[3]陳濱楠.塑料成型設(shè)備.化學(xué)工業(yè)出版社，2007， 0801.