1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 HBL700 注塑机主件设计 一、前言 注塑机 能够 次成型复杂塑料制品、效率高，在不到 70 年时间就发展成为较为庞大的一族，占据相当大的应用领域，注塑成型加工现 已 发展成为一种重要的塑料加工方法之一；除了普通热塑性注塑机外，还包括热固件注塑机、结构发泡注塑机、反应注塑机 (RIM 注塑机 )、注拉吹注塑机， 据不同分类方法，还分为 纯电动式注塑机、排气注塑机、多色注塑机、精密注塑机，以及多模回转注塑机、多模连续注 塑 机、多头注塑机、多料缸注塑机、动力熔化注塑机等专用和通用注塑机。 注塑机控制系统引入微机及电 液比例 /伺服系统，更为有效地保证了
2、注塑机系统的质量，并提高其控制水平，最终达到精密、高速、高压、节能、高自动化程度、高效率和高品质的效果，并能够满足不同层次用户对于注塑制品的要求 1。 二、概述 世界性能源 危机的出现，由于塑料具有优良的物理和化学性能重量轻、易成型和切削，并能够较好地与金属、玻璃、木材及其他材料胶接等待点，同时，塑料制品具有经济、耐用、质 轻 、易于批量生产等特性，使其能够逐渐取代木材和金属制 品 ， 成为一种重要的现代结构材料。 随着石化工业的发 展 ，新型塑料材料的不断出 现原料来源更加丰富，足以提供物料保证，促进了塑料工业的发展，尤其在工程塑料出现以后，其应用领域也越来越广。同时，塑料制品的广泛应用要求
3、发展相适应的加工技术 和 成型设备。从而直接带动相关产业，例如，塑料机械制造业的发展、行业需求 量 的增长质量要求越来越高，包括制品精度、自动化生产程度、高效率及节能等。例如，电子、电器工业迅猛发展，以及汽车工业从节能角度出发，要求车体轻 量 化，大量需要微型、精密塑料制件或大 型 塑料制件等。同时微电子技术、微机控制技术的普及应用以及与电液比例 /伺服技术的有机结合，使得高速、精确过 程控制得以充分实现、为注塑成型加工的发展提供了技术上的保证。上述原因使得注塑机高速发展。 2 三、注塑机发展史 注射成型机 (简称注塑机 )是将各种热塑性塑料或热固性塑料制成各种塑料制件的成型设备，其机械部分主
4、要由注塑部件和合模部件组成。注塑机是借助金属压铸机的原理，在 19 世纪中出现压铸机的基础上逐渐形成的，最初用来加工纤维素硝酸和醋酸纤维一类的塑料。最早的注塑机诞生于 1872 年，是由美国人发明的柱塞式的。 1926 年生产出用压缩空气推动的活塞式注射机。 1932 年德国生产出全自动柱塞式卧式注射机，1948 年在注射机上 开始使用螺杆塑化装置。 1956 年在美国诞生了世界上第一台往复螺杆式注射机，这是注射成型工艺技术方面的突破，它标志着塑料成型加工技术创新时期的开始 2。 注塑机自本世纪 30 年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其发展历程大致经历了以下几个阶段 3: 1） 2
5、0 世纪 50 年代以前，第一代注塑机采用柱塞式注射机构，动力传动方式由机械发展到液压。 2） 20 世纪 50 年代中期，第二代注塑机采用往复式螺杆式注射机构及液压驱动方式，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电气元件和继电器及开关式液压 控制阀。 3） 20 世纪 60 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量、生产效率提出了更高的要求，电液伺服阀和电液比例阀逐渐为注塑机采用。同时，随着大规模集成电路的发展，集成电子技术和微处理器系统也逐渐在注塑机上使用。微控制系统、电液比例阀 4及伺服开环控制技术，成为第三代注塑机的主要特征。目前，这类注塑机的产品在世界上占有很大的
6、比例。 4)1973 年，世界上采用闭环控制的第一台注塑机诞生。该注塑机可以分别对温度、注射速度、注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数及工程参数实施闭环控制，并大幅度提 高控制精度，确保产品质量。微计算机技术、电液控制技术和现代控制理论的综合应用，进一步发展了自适应控制注塑机。微机闭环技术成为第四代注塑机的主要特征，具有极高的技术附加值。 5)伺服泵注塑机在第四代注塑机的基础上，其控制系统增加了通讯及网络工程，采用多级控制机构及总线技术，能够实施统计过程控制，优化工艺参数、人机界面友好的操作性和全过程生产监控，保证了产品的质量和品质。伺服泵式注塑机是目前注塑机行业的发展新趋势。
7、伺服泵的应用，提升了传统注塑机的整体性能。优异的节能效果、快3 速的响应特性以及良好的制品质量等优点， 使得众多注塑机厂家都在进行测试或者开始把伺服泵式注塑机推向市场。希望能够从这方面获得新的市场份额，抢占市场先机。 四、国内外发展现状 在我国，注塑机起步于 20 世纪 50 年代末，经过半个世纪，尤其是近 20 年的发展，注塑机的生产已有一定规模，其技术进展主要体现在液压系统和控制系统应用新技术方面。但作为常见注塑机主要组成部分的液压和电控元件，却在很大程度上依赖于进口，高精度、高效、大型的注塑机也基本依靠进口，在热固性塑料以及一些特殊注射成型领域，还有待于研究和开发 5,6。目前，我国曲肘
8、式机型占统治地位，占总量的 90%以上，全电动式注塑机尚处于初步发展阶段，投入批量生产的厂家寥寥无几，国内注塑机生产厂家虽已在该领域有所突破，但还远未形成产业化规模化 7。在控制技术方面，国内相当一部分注塑机仍采用一、二次仪表、行程开关、继电器等常规控制 8。这种控制方法动作速度慢，功能少，只能做简单的控制，而且由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制柜就要改变或更换，灵活性较差。总体上讲，我国全电动注塑机研制技术上与国际先进国家还存在较大差距，过分依赖国外的高新技术造成了目前产业发展的瓶 颈 9。 五、注塑机技术发展方向 注塑设备和技术开始向高速高效
9、化、自动化、专业化方向发展 10， 11。 在高速化方面，以尽量缩短成型周期为目标，高速化主要体现在如下四个方面 : l)提高启闭模速度。把机器启闭模速度提高到 45-50m/min，甚至 70m/min，以减少启闭模时间。 2)提高注射速度。提高注射速度以便缩短注射时间。注射速度从以前的 8 10cm/s，提高到目前的 25cm/s，甚至高达 45cm/s 左右。 3)提高冷却效率。提高冷却的效果以减少制品冷却时间，使制品能尽快开模顶出。 4)提高塑化能 力。成型周期的减少相应要求提高注塑螺杆的塑化能力，目前多采用新型螺杆结构，以便适应螺杆转速的提高。 注塑机塑化阶段主要职能是熔化塑料，这一
10、阶段中塑料熔体的质量 (如塑化均匀性、温度分布均匀性等 )以及塑化能力，在很大程度上决定着制品质量与机械的生产效率，备受人们关注。由于注塑中塑化过程的复杂性，把注射螺杆的塑化简化成等同于挤出螺杆的塑化过程是可以理解的，在一定条件下也是可接受的。尽管如此人们仍然没有放弃4 对注射螺杆塑化理论的研究。 20 世纪 70 年代初期， Donovan12,13采用 LDPE、 PVC、 ABS 等塑 料进行注射实验，研究基于稳态挤出熔融理论模型的融化问题，以瞬态行为作为研究前提，提出了往复螺杆式注塑机瞬态熔融理论模型。 20 世纪 80 年代中期， Rao 在塑化螺杆的 CAD一书中，应用 Donov
11、an 的注塑螺杆熔融模型进行螺杆设计，由此提出一种注塑螺杆的计算软件，1991 年在塑料工程设计公式集一书中， Rao14,15,16再次提及 Donovan 注塑螺杆的熔融模型及其理论。 在熔体输送理论方面，目前仍以挤出螺杆的熔体输送理论作为定性分析和近似计算注塑螺杆的塑化能力，结合注射螺杆的实际工作情况，有些学者如王 喜顺等 17,18,19,20根据注射螺杆塑化时一边转动一边后退的特点，在螺杆计量段熔体流动模型中引进并考虑了螺杆后退速度的影响，或根据注射螺杆塑化时存在一定背压，从而分析和研究背压对注射螺杆熔体输送的影响，如 Steller21在这方面的研究工作以及对固体相破碎现象的研究。
12、 在固体输送理论方面，徐敬一 22等人以 Dameu 一 Mol 理论为基础建立了一种注塑螺杆固体输送的物理模型和数学模型，在固体塞、料筒和螺杆间的速度分析中，考虑了螺杆后退速度，使理论更正确。另外，王海宝 23,24,25等人建立了单 螺杆注塑机加料段固体塞的力学模型，导出了固体塞沿轴向的压力分布函数。 由于塑化过程的复杂性，目前注塑机预塑理论还是停留在固体床模型的水平上，对它的研究还存在欠缺。随着人们对注射制品质量要求的不断提高以及新的注射成型物料的不断出现，对注塑螺杆的要求也越来越高，对塑化理论的研究必将是今后的研究热点。 六、注塑机简介 目前使用的注塑机类型很多，其中最具代表性、应用最
13、广泛的是通用型注塑机，它有螺杆式和柱塞式两种，本文主要介绍螺杆式注射机 (如图 1-l)。 图 1-1 螺杆式注塑机 5 Fig 1-1screw injection molding machine 一台通用型螺杆式注射机主要包括三个部分，即合模系统、注射系统、液压传动和电器控制系统。 (l)合模系统 合模系统的作用是保证成型模具的闭锁、开启并取出制品。主要由固定模板、活动模板、拉杆、油缸及模具调整机构，制品顶出机构等组成 (如图 1-2)。动模板装在前、后模板之间，后模板上固定合模油缸 ;动模板在合模油缸的作用下以 4 根拉杆为导向柱作启闭模运动。模具的动模装在动模板上而定模则装在前固定模板
14、上。当模具闭合后，在合模油缸压力作用下，锁紧模具，防止当注入高压熔体时 模具胀开。 在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。动模板在开启摸具时，可通过模具中顶出机构，从模腔中顶出制品此外，在动模板或定模板上还装有调模机构，以便在定的范围内调节模具厚度 ;在液压机械式合模机构中，还要通过调摸机构来调试合力的大小，控制超载。 合模框架的前后侧设有安全罩、安全门及液压、机械安全保护装置。在靠近安全 门及安全罩的机架上设有限位开关及其调节装置，以便控制动模板启闭模的限位和在 运动中压力与速度的切换。顶出装置的顶出或退回均有限位开关。此外，还有调整模 具厚度的限位，安全门打开或闭合的安全联锁 装置。为确保
15、安全，一般都用液压装置 和电气限位开关同安全门连锁，当只有安全门闭上时才能产生闭模动作。 1-合模油缸， 2-后固定模板， 3-移动模板， 4-拉杆， 5-模具， 6-前固定模板， 7-拉杆螺母 图 1-2 合模装置 1-closing oil cylinder， 2-after-fixing match Plate， 3-moving Plate 4 drawing-link， 5-mould， 6-front-fixing match Plate， 7-pull-rod nut Flg.1- 2matched moulds device (2)注射系统 注射机注射系统的作用是“吃进”塑料，
16、使之塑化和熔融，并在高压和高速下将熔体注入模腔。注射系统主要由塑化装置、螺杆传动装置、计量装置、注射装置、注射座及料斗装等组成。 塑化装置又由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件。 螺杆传动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆驱动电机组成。预塑化时，动力通过主轴套和轴承以及轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。 6 注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。在注射时，油缸产生注射推力，通过主轴推 动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充人模腔。 计量装置是由支架和行程挡块组成的装置，起塑化和计量作用。 注射座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装
17、置以及计量装置和料斗都固定在注射座上。注射座在油缸作用下，可以做整体前进或后退，使喷嘴与模具接触或离开。 (3)液压传动和电器控制系统 液压传动和电器控制系统主要作用是保证注射机按工艺过程预定的要求 (压力、速度、温度、时间 )和程序准确无误地进行工作。液压系统是注射机的“血液”循环系统，是为注射机的各种执行机构 (工作油缸 )提供压力和速度的回路。液压回 路一般由控制系统压力与流量的主回路和各执行机构的分回路组成。回路中由进出过滤器、泵、蓄能器(压力阀、流量阀、方向阀、换向阀、溢流阀、调速阀、行程阀等 )以及热交换器、各种阀类、各种压力、温度指示仪表和开关元件等组成。电器控制系统是注射机的“
18、中枢神经”系统，它控制着注射机的各种程序及其动作，对时间、位置、压力、速度和转数等进行控制和调节，主要由电子元件、检测元件及自动化仪表组成。 7 六、总结 本课题经过查阅文献资料和调研相关企业，充分了解和熟悉传统注塑机的基本组成和工作原理，在此基础上，针对 HBL700 注塑 机存在的问题，对部分主件就行改进。本课题研究的最终目的是建立一个对注射机螺杆塑化能力和能耗的评价方法。本文先通过对注射螺杆塑化能力的影响因素进行分析，然后通过对三根螺杆在同种工艺条件注塑成型试样时的塑化时间和力学性能测试结果，分析螺杆的塑化能力的差别和塑化过程中消耗的总的比能耗的变化趋势。 8 参考文献： 1王志新 .
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