往復(fù)螺桿式注塑機(jī)注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】
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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目： 往復(fù)螺桿式注塑機(jī)注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姓 名： 楊培旭
系 別： 工程系
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 07機(jī)制一
學(xué) 號(hào)： 200701004
指導(dǎo)教師： 呂寶君
2011年6月18日
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明
本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。
論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)
本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)。
論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日
指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1研究的目的及意義 1
1.2研究?jī)?nèi)容 1
1.3注塑機(jī)的現(xiàn)狀 1
1.4需要解決的問(wèn)題 2
2 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1柱塞式注射裝置 4
2.2螺桿預(yù)塑式注射裝置 5
2.3往復(fù)螺桿式注射裝置 5
2.4方案的選定 6
3主要零部件設(shè)計(jì) 7
3.1塑化裝置的設(shè)計(jì) 7
3.1.1螺桿設(shè)計(jì) 7
3.1.2料筒的設(shè)計(jì) 10
3.2傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 11
3.2.1單級(jí)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì) 11
3.2.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3注射裝置的設(shè)計(jì) 19
3.3.1噴嘴的設(shè)計(jì) 19
3.3.2螺桿最大行程計(jì)算 20
3.3.3液壓油缸的直徑計(jì)算 20
3.3.4注射力計(jì)算 20
4結(jié)論 22
參考文獻(xiàn) 23
致謝 24
往復(fù)螺桿式注塑機(jī)注射系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
本文根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)介紹了一種往復(fù)螺桿式注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的注射系統(tǒng)包括傳動(dòng)裝置、塑化裝置、注射裝置三大部分。傳動(dòng)裝置采用了單級(jí)齒輪減速器和三相異步電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，塑化裝置采用了三級(jí)變徑螺桿與料筒結(jié)合完成對(duì)坯料的塑化，注射裝置采用了單向液壓缸與往復(fù)螺桿結(jié)合，由液壓缸活塞推動(dòng)螺桿完成注射過(guò)程并在下一循環(huán)的塑化過(guò)程中自動(dòng)完成螺桿的退回。所設(shè)計(jì)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、制造容易的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；注射系統(tǒng)；往復(fù)螺桿式
Design of The Injection System of Reciprocating Screw Type Plastic Injection Machine
Abstract
The design according to the given design parameters describes a reciprocating screw injection system design, the design of the injection system includes gear, plastics unit, injection unit of three parts. Transmission using a single-stage gear reducer and the three-phase induction motor to meet the design requirements, plasticizing device uses three adjustable screw and barrel combined with the completion of the blank plastics, injection device using one-way hydraulic cylinder and reciprocating Screw combination of hydraulic cylinder piston driven by the injection screw to complete the process and in the course of the next cycle of the plasticizing screw back automatically.The design of the device has a simple structure, reliable performance, easy to manufacture characteristics.
Keywords: injection molding machine; injection system; reciprocating screw
II
青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
1 緒論
1.1研究的目的及意義
目前注塑機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，是輕量化、節(jié)省資源、節(jié)省能源、高效率、低使用成本。往復(fù)螺桿式注塑機(jī)克服了傳統(tǒng)注塑機(jī)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，融料質(zhì)量部均勻，效率低下等問(wèn)題，集中體現(xiàn)了高新技術(shù)含量的特征[1]。往復(fù)螺桿式注塑機(jī)的應(yīng)用，在鎖模力只有傳統(tǒng)技術(shù)三分之一時(shí)，仍可高質(zhì)量的保證制品成型，使機(jī)器的體積和重量都大幅度降低，能大大提高注塑成型的效率，保證制品的精度，在節(jié)能和制品成本控制方面都具有重大意義。
1.2研究?jī)?nèi)容
本次設(shè)計(jì)要求從經(jīng)濟(jì)性、安全性、合理性幾個(gè)方面考慮。以往復(fù)螺桿裝置為此次的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)所給的原始數(shù)據(jù)，以螺桿直徑為出發(fā)點(diǎn)，采用類(lèi)比設(shè)計(jì)的方法對(duì)料筒、噴嘴和減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的裝置要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、制造容易。本次設(shè)計(jì)主要圍繞以下內(nèi)容展開(kāi)：傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、塑化裝置設(shè)計(jì)、注射裝置設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
1.3注塑機(jī)的現(xiàn)狀
近年來(lái)，中國(guó)注塑機(jī)行業(yè)在改革開(kāi)放的引導(dǎo)下，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，也早已結(jié)束了注塑機(jī)設(shè)備基本依賴進(jìn)口的時(shí)代，這主要體現(xiàn)在注塑機(jī)的產(chǎn)量以及生產(chǎn)廠家的數(shù)量上。國(guó)內(nèi)注塑機(jī)的產(chǎn)量由幾千臺(tái)發(fā)展到十多萬(wàn)臺(tái)，生產(chǎn)廠家由原來(lái)的四大金剛發(fā)展到現(xiàn)在華南、華東大小企業(yè)的百家爭(zhēng)鳴。
??? 從以上數(shù)據(jù)看，注塑機(jī)行業(yè)的增長(zhǎng)速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GDP的增速，這與老百姓生活水平的提高以及國(guó)內(nèi)家電等行業(yè)的迅速壯大是密切相關(guān)的，而出口加工業(yè)飛速發(fā)展也是注塑行業(yè)高速增長(zhǎng)的強(qiáng)勁推動(dòng)力。從金額上看，國(guó)內(nèi)注塑機(jī)的年產(chǎn)值數(shù)以百億計(jì)，年出口過(guò)億美元。全球注塑機(jī)產(chǎn)量最多的廠家也在中國(guó)。中國(guó)已成為名副其實(shí)的注塑機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。[2]
從注射機(jī)問(wèn)世起，鎖模力在1000-5000kN，注射量在50-2000g的中小型注射機(jī)占絕大多數(shù)。到了70年代后期，由于工程塑料的發(fā)展，特別是在汽車(chē)、船舶、宇航、機(jī)械以及大型家用電器方面的廣泛應(yīng)用，使大型注射機(jī)得到了迅速發(fā)展。美國(guó)最為明顯。在1980年全美國(guó)約有140臺(tái)10000kN以上鎖模力的{TodayHot}大型注塑機(jī)投入巾場(chǎng)，到1985年增至500多臺(tái)。日本名機(jī)公司已經(jīng)成功地制造了當(dāng)今世界最大的注塑機(jī)，其鎖模力達(dá)到120000kN，注射量達(dá)到92000g。
80年代以來(lái)，CAD/CAE／CAPP／CAM計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在塑機(jī)制造業(yè)的廣泛采用，促進(jìn)了我國(guó)注塑機(jī)研發(fā)和制造水平的高速發(fā)展[3]。以寧波海天股份有限公司為代表的一批國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)都相繼引進(jìn)美國(guó)U.G.S和PTC公司的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析等軟件，實(shí)現(xiàn)了三維立體參數(shù)化建模，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)主關(guān)原件分析，對(duì)高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布、應(yīng)力峰值、危險(xiǎn)區(qū)域等進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算，幫助設(shè)計(jì)人員迅速地了解、評(píng)估和修改設(shè)計(jì)方案，保證重要零件結(jié)構(gòu)合理性的可靠性達(dá)到完美結(jié)合。為了保證高質(zhì)量的設(shè)計(jì)輸出到高質(zhì)量的產(chǎn)品輸出，舊的加工方式已經(jīng)很難適應(yīng)技術(shù)、質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)的要求。海天公司在“八五”和“九五”規(guī)劃中，{HotTag}按照滾動(dòng)發(fā)展的科學(xué)方法，累積投資2億元人民幣組建了加工中心分廠。新建5萬(wàn)平方米的大型裝配分廠，10萬(wàn)平方米的扳金和結(jié)構(gòu)件加工分廠，新建了1萬(wàn)平方米的試驗(yàn)車(chē)間和實(shí)驗(yàn)室，新建了5928個(gè)庫(kù)位的立體自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)。購(gòu)置了德國(guó)OKUMA兩條柔性加工線，加入到40多臺(tái)加工中心組成的機(jī)群中。實(shí)施了國(guó)家863計(jì)劃——浙江海天CIMS工程，成功應(yīng)用K3系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃、物料、成本等計(jì)算機(jī)集成管理。引進(jìn)IMAN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建和跟蹤，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和版本，產(chǎn)品屬性和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的查詢以及向K3系統(tǒng)的信息傳遞等計(jì)算機(jī)集成管理。
1.4需要解決的問(wèn)題
注射成型（也稱注射模塑，簡(jiǎn)稱注塑）是指將注射用原料（粒狀或粉狀塑料）置于能加熱的料筒內(nèi)，受熱、塑化后用螺桿或柱塞施加壓力，使熔體經(jīng)料筒末端的噴嘴注入到所需形狀的模具中填滿模腔，經(jīng)冷卻定型后脫模，即得到具有要求形狀的制品[4]。
注射成形的基本要求是塑化、注射和成形，為滿足成形的要求，注射必須保證足夠的壓力和速度[5]。同時(shí)，由于注射壓力很高，螺桿將受到很大的軸向力，因此，螺桿的設(shè)計(jì)要進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核；螺桿兼具傳送物料與塑化的功能，因此要合理安排螺桿的結(jié)構(gòu)以及不同功能段的螺槽深度。
由于熔融樹(shù)脂容易停滯在加熱料筒內(nèi)而發(fā)生熱分解，因此要設(shè)計(jì)合理的塑化裝置以保證熔融塑料能均勻受熱，同時(shí)，為達(dá)到較大的注射壓力，必須合理設(shè)計(jì)噴嘴的結(jié)構(gòu)以減小壓力損失。
選用普通異步電動(dòng)機(jī)做為驅(qū)動(dòng)裝置，要達(dá)到任務(wù)要求的轉(zhuǎn)速，必須設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)裝置，合理安排傳動(dòng)件的位置。
為準(zhǔn)確控制注射量，需設(shè)計(jì)計(jì)量裝置，并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)完成計(jì)量的自動(dòng)控制。
22
2 總體方案設(shè)計(jì)
注射裝置是注射機(jī)中直接對(duì)塑料加熱和加壓的部分，塑料的塑化和注射都在這里進(jìn)行。因此，注射裝置是注射機(jī)的一個(gè)非常重要的組成部分。注射裝置在注射成型工藝過(guò)程中，應(yīng)能均勻加熱和塑化一定數(shù)量的塑料；并以一定的壓力和速度將熔料注入模腔；保壓一段時(shí)間以防止模內(nèi)熔料的反流，且向模內(nèi)補(bǔ)充一部分熔料，補(bǔ)償制件的冷卻收縮[6]。注射裝置主要形式有柱塞式、螺桿預(yù)塑式和往復(fù)螺桿式（簡(jiǎn)稱螺桿式）。目前采用最多的是往復(fù)螺桿式，其次是柱塞式。
2.1柱塞式注射裝置
柱塞式注射裝置由定量加料裝置、塑化部件、注射液壓缸、注射座移動(dòng)液壓缸等組成。
柱塞式注射裝置具有以下特點(diǎn)：
（1）塑化不均勻，提高料筒能力受到限制。由于料筒內(nèi)塑料加熱熔融塑化的熱量來(lái)自于料筒的外部加熱，且塑料導(dǎo)熱性差，塑料在料筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)呈“層流”狀態(tài)，造成靠近料筒外壁的溫度高，塑化快；而料筒中心的塑料溫度低，塑化慢。料筒的直徑越大，溫度差越大，塑化越不均勻，甚至出現(xiàn)內(nèi)層塑料尚未塑化好 ，而表層塑料已經(jīng)過(guò)熱分解變質(zhì)的狀況。對(duì)于熱敏性塑料則更難于加工成型。
（2）注射壓力損失大。因?yàn)樽⑸鋲毫Σ荒苤苯幼饔糜谌哿?，需要?jīng)過(guò)未塑化的塑料傳遞，熔融塑料通過(guò)分流梭與料筒內(nèi)壁的狹縫進(jìn)入噴嘴，最后注入模腔，造成很大壓力損失[8]。據(jù)實(shí)際測(cè)量，采用分流梭的柱塞式注射機(jī)，模腔壓力僅為注射壓力的25%～50%，因此需要提高注射壓力。
（3）不容易提高穩(wěn)定的工藝條件。柱塞在注射時(shí)，首先加入料筒的加料區(qū)的塑料進(jìn)行預(yù)先壓縮，然后才將壓力傳遞給塑化后的熔料，并將頭部的熔料注入模腔?？梢?jiàn)，即使柱塞等速移動(dòng)，但熔料的充模速度卻是先慢后快，直接影響到熔料在模內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。且每次加料量的不精確，對(duì)工藝條件的穩(wěn)定和制品質(zhì)量也會(huì)有影響。
此外，料筒的清洗比較困難，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在注射量比較小時(shí)，仍不失其應(yīng)用價(jià)值。因而，一般只用于注射量在60以下的小型注射機(jī)[7]。
2.2螺桿預(yù)塑式注射裝置
螺桿預(yù)塑式注射裝置是由兩個(gè)料筒組成的，一個(gè)是螺桿預(yù)塑式料筒，另一個(gè)是注射料筒，兩個(gè)料筒的連接處有單向閥。粒料通過(guò)螺桿預(yù)塑式料筒而塑化，熔料經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入注射料筒[8]。當(dāng)注射料筒中的熔料量達(dá)到預(yù)定量時(shí)，螺桿塑化停止，注射柱塞前進(jìn)并將熔料注入模腔。預(yù)塑料筒中的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不僅輸送塑料，更重要的是對(duì)塑料產(chǎn)生剪切摩擦加熱和攪拌混合作用。因此，這種注射裝置的塑化質(zhì)量和塑化效率比柱塞式注射裝置有顯著的提高。另外，由于料筒內(nèi)取消了分流梭，而且進(jìn)入注射料筒的是已經(jīng)塑化的熔料，所以，注射時(shí)壓力損失大大減小，注射速率也比較穩(wěn)定，所以在連續(xù)注射或者大型注射裝置上應(yīng)用比較多。
螺桿預(yù)塑式注射裝置雖然解決了柱塞式注射裝置在工作過(guò)程中的缺陷，擴(kuò)大了注射量，減小了注射時(shí)的壓力損失，但由于增加了一個(gè)料筒，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大。兩個(gè)料筒的單向閥處容易引起塑料的停滯和分解。同時(shí)為了避免熔料泄露，注射料筒和柱塞間的配合要求比較高。因此，給制造和使用帶來(lái)了一定的困難。為了克服這些缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，產(chǎn)生了往復(fù)螺桿注射裝置。
2.3往復(fù)螺桿式注射裝置
往復(fù)螺桿注射裝置也叫螺桿一線式（簡(jiǎn)稱螺桿式）注射裝置，主要由塑化部分、料斗、螺桿、傳動(dòng)裝置 、注射座、注射座移動(dòng)液壓缸、注射液壓缸等組成。塑化部件和螺桿傳動(dòng)裝置等裝在注射座上，注射座借助注射座移動(dòng)液壓缸可以沿底座的導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)使噴嘴撤離或者緊貼模具。 同時(shí)，為了便于拆換螺桿和 清洗料筒，在底座中部設(shè)有一個(gè)回轉(zhuǎn)裝置，使得注射座能夠繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度。
往復(fù)螺桿注射裝置還有采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)型，可根據(jù)注射液壓缸數(shù)目分為單缸式和雙缸式兩類(lèi)結(jié)構(gòu) 。對(duì)于雙缸式液壓馬達(dá)隨動(dòng)式注射裝置，螺桿和液壓馬達(dá)直接連接傳遞運(yùn)動(dòng)。雙注射油缸放置在料筒兩側(cè)平行排列，注射時(shí)，液壓馬達(dá)隨螺桿一起作軸向移動(dòng)，故稱隨動(dòng)式。這種形式注射裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能耗低，它是恒定力矩驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)螺桿出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，液壓馬達(dá)無(wú)法驅(qū)動(dòng)，起到對(duì)螺桿的保護(hù)作用，而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為恒定功率驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)螺桿過(guò)載時(shí)容易扭斷螺桿[9]。目前普遍采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的注射裝置。
2.4方案的選定
往復(fù)螺桿式注射裝置與柱塞式 注射裝置比較有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）螺桿式注射裝置塑化時(shí)不僅依靠外部加熱器提供熱量 ，而且螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不斷地對(duì)塑料進(jìn)行剪切摩擦，產(chǎn)生剪切摩擦熱對(duì)塑料進(jìn)行加熱塑化 ，可以適當(dāng)降低加熱器的加熱溫度，因而在塑化效率和塑化質(zhì)量上都優(yōu)于柱塞式注射裝置 。
（2）注射壓力損失少。因注射時(shí)，螺桿頭部的塑料是 完全塑化的熔料，又沒(méi)有分流梭造成的阻力，在其他條件相似的情況下，螺桿式注射裝置可以采用比較小的注射壓力。
（3）塑化能力大，均勻性好，注射機(jī)的生產(chǎn)率高。螺桿還兼有對(duì)料筒壁的刮料作用，可減少塑料滯留而產(chǎn)生過(guò)熱分解。
（4）螺桿式注射裝置可以對(duì)塑料就進(jìn)行染色加工，而且料筒清洗比較方便。
不過(guò)，螺桿式注射裝置的結(jié)構(gòu)比柱塞式復(fù)雜，螺桿的設(shè)計(jì)和制造比較困難。盡管如此，因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)居多，所以應(yīng)用十分廣泛。
經(jīng)過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)往復(fù)螺桿注射裝置的優(yōu)點(diǎn)居多，因此本次設(shè)計(jì)選用此類(lèi)注射裝置。
3主要零部件設(shè)計(jì)
3.1塑化裝置的設(shè)計(jì)
3.1.1螺桿設(shè)計(jì)
1、螺桿的結(jié)構(gòu)形式
注塑機(jī)螺桿分為：漸變型螺桿、突變型螺桿、通用型螺桿。漸變型螺桿指螺槽深度由加料段深的螺槽向均化段的螺槽逐漸過(guò)度。主要用于加工具有寬的軟化溫度范圍，高粘度非結(jié)晶性塑料，如聚氯乙烯等。突變型螺桿指螺桿槽深度由深變淺的過(guò)程是在一個(gè)較短的軸向距離內(nèi)完成的主要用于加工粘度，熔點(diǎn)明顯的結(jié)晶性塑料，如聚乙烯，聚丙烯等。通用型螺壓縮段長(zhǎng)度介于突變型螺桿與漸變型螺桿之間，以適應(yīng)結(jié)晶性與非結(jié)晶塑料熔融塑料化的要求。
通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)通用型的結(jié)構(gòu)介于漸變型和突變型之間，兼有兩者的特點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)工藝條件來(lái)滿足不同塑料的成型加工，擴(kuò)大了適用范圍，所以選用此結(jié)構(gòu)的螺桿。
螺桿的結(jié)構(gòu)、形式和作用與擠出用螺桿基本相同，但也有某些差異。注射螺桿的長(zhǎng)徑比較小，一般為16～20，壓縮比較小，一般為2～5。常見(jiàn)注射螺桿壓縮比的選擇，見(jiàn)表3-1。
表3-1 常見(jiàn)注射螺桿的壓縮比
塑料名稱
壓縮比
聚烯烴、聚苯乙烯、聚酰胺
軟聚氯乙烯
硬聚氯乙烯
2.5～3.5
2～3
2
注射螺桿均化段的螺槽深度一般偏大，因而具有較高的塑化能力，減小功率消耗，提高生產(chǎn)率。注射螺桿因有軸向位移，故加料段應(yīng)較長(zhǎng)，約為螺桿長(zhǎng)度的一半，而壓縮段和計(jì)量段則各為螺桿長(zhǎng)度的1/4。典型的注射。螺桿如圖3-1所示。
為使螺桿注射時(shí)不致出現(xiàn)熔料積存或沿螺槽回流，應(yīng)考慮螺桿頭部結(jié)構(gòu)。熔融粘度大的塑料，通常采用錐形尖頭的注射螺桿，如圖3-2所示。采用該螺桿，不僅可減少塑料降解，同時(shí)使排料比較干凈。
2、螺桿的尺寸
圖3-1 注射用螺桿
DS-料筒外徑 hm-計(jì)量段螺槽深度 Ds-螺桿公稱直徑L/D-螺桿總長(zhǎng)度 S-螺距
L/D-長(zhǎng)徑比 hf-進(jìn)料段螺槽深度 hf/hm-壓縮比 a=1/4L
圖3-2 錐形螺桿頭
（1）長(zhǎng)度L的確定
原始數(shù)據(jù)已經(jīng)給出螺桿的直徑Ds=40mm。由《塑性成型加工入門(mén)》可知注射機(jī)螺桿僅作預(yù)塑用所以(L/Ds)小于擠出機(jī)的(L/Ds),一般取18～22. 常采用20：1。那么由此可以得出螺桿的長(zhǎng)度L=40×20=800mm。對(duì)于通用螺桿，其加料段、壓縮段和均化段的長(zhǎng)度L1、L2和L3占總長(zhǎng)的百分比為50～60%、20～30%、20～30%。在此次設(shè)計(jì)中，分別取50%、25%、25%。那么對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為400mm、200mm和200mm。
（2）均化段螺槽深度h3和壓縮比i的確定
均化段螺槽深度是螺桿性能的重要參數(shù)之一，螺槽深度與塑化之間的關(guān)系：螺槽深度與剪切效果：螺槽淺，剪切熱大，螺桿消耗功率大。
淺的螺槽與長(zhǎng)均化段的螺桿是穩(wěn)定擠出的重要條件。
注射機(jī)的h3越大，塑化能力越大。一般
h3=(0.04～0.07)Ds。 （3-1）
此處取h3=0.065Ds=2.6mm
壓縮比是螺桿加料段的螺槽深度h1與h3的比值。即i=h1/h3
對(duì)注射機(jī)而言，小的壓縮比有利于提高塑化能力。
對(duì)結(jié)晶性塑料（PP、PE、聚酰胺及復(fù)合塑料）i=3.0～3.5
對(duì)高粘度塑料（硬PVC、AS、聚甲醛）i=1.4～2.5
通用型 i=2.0～2.8
此處取i=2.1。那么
h1=i*h3=2.1×2.6=5.4mm （3-2）
螺紋升角ψ、螺距s和螺棱寬度e的確定
當(dāng)s=Ds時(shí)，ψ=18°，e=0.08～0.12Ds。此處取e=0.1Ds=4mm。
（3）螺桿材料的選用
注塑機(jī)螺桿工作惡劣，要承受高的注射壓力，在加上頻繁啟動(dòng)。要求螺桿材料具有：
高的強(qiáng)度，表面耐腐蝕耐磨損，其表面硬度不低于HV950°，螺桿工作表面的粗糙度要求不低于Ra0.4um,國(guó)內(nèi)一般選用40Cr 或其它合金鋼材,為提高螺桿表面耐磨能力,螺桿表面氮化、噴涂合金、鍍鉻或鍍鈦。此處選用40Cr。
3、螺桿的強(qiáng)度校核
當(dāng)注射機(jī)液壓系統(tǒng)選用30MPa的規(guī)格時(shí)
由 p=（D2/Ds2）×P0 （3-3）
其中：p—注射壓力（MPa）
D--注射油缸直徑(cm)
Ds—螺桿直徑（cm）
P0— 注射油壓（MPa）
可以計(jì)算得到D=80mm
壓縮應(yīng)力:
c=(D/d1)×P0=(80/29.2)×30 MPa=82.2 MPa （3-4）
其中：d1--螺桿加料段螺紋根徑（cm）
剪切應(yīng)力:
=Mt/Ws （3-5）
Mt=9549×(p/n)=9549×12/180=212.2Nm （3-6）
Ip=D14/32=3.14×4/32=25.12cm4 （3-7）
Ws=Ip/R=D13/16=12.56cm3 （3-8）
=(212.2/12.56)×106=17MPa
其中： Mt—螺桿扭矩（Nm）
Ip—極慣性矩（cm）
D1—加料段螺紋直徑（cm）
p—電動(dòng)機(jī)功率（KW）
n---螺桿轉(zhuǎn)速（r/min）
Ws—抗扭截面系數(shù)（cm3）
合成應(yīng)力:
r=(c+4)=(82.2×10+4×17×10)=83MPa （3-9）
由于r[]=y/n=539/3=179MPa那么螺桿可以安全工作。
其中：y--40Cr的屈服強(qiáng)度（MPa）
n—安全系數(shù)，取2.5～3
[]—許用應(yīng)力
3.1.2料筒的設(shè)計(jì)
1、料筒內(nèi)徑和壁厚的確定
機(jī)筒壁厚既要滿足強(qiáng)度要求，又要注意機(jī)筒結(jié)構(gòu)及其對(duì)成型工藝條件的影響。
壁厚過(guò)小：機(jī)筒升溫快，但熱容量?。槐诤襁^(guò)大：升溫慢，熱慣性大，調(diào)節(jié)溫度后。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取料筒的外徑和內(nèi)徑之比K為2～2.5 螺桿與料筒內(nèi)徑的間隙一般取0.15～0.3mm。此處取0.2mm那么料筒的內(nèi)徑為40.4mm。當(dāng)取K=2時(shí)，得到料筒的外徑為80.8mm。料筒的長(zhǎng)度應(yīng)該按照螺桿的具體長(zhǎng)度而選定。
2、料筒材料的選取
料筒與螺桿一起完成塑料的塑化和注射，要求其耐溫、耐熱、耐磨和耐腐蝕。那么材料可以取45＃鋼內(nèi)表面鍍鉻、氮化鋼（38CrMoAl）內(nèi)表面氮化處理，氮化層深度0.5 mm、碳鋼內(nèi)表面澆鑄Xaloy合金襯里。HRC65。此處選用45鋼。
3、料筒強(qiáng)度校核
應(yīng)力 r=pk/(k-1)=126×10××2/(2-1)=259MPa （3-10）
[]=t/n=400/1.5=267MPa （3-11）
r[]
其中：r---料筒的工作應(yīng)力 （MPa）
p—注射壓力（MPa）
k—料筒內(nèi)外徑之比，取2～2.5
[]—許用應(yīng)力（MPa）
n—安全系數(shù)，取1.5～2
t--45鋼屈服強(qiáng)度（MPa）
所以料筒能夠安全工作
3.2傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)
3.2.1單級(jí)圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)
1、電動(dòng)機(jī)的選擇
（1） 類(lèi)型和結(jié)構(gòu)構(gòu)型式
在選擇合適的異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)本著實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和安全的基本原則，要考慮類(lèi)型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速等四個(gè)因素。
往復(fù)螺桿式注塑機(jī)在不同條件下需要選擇不同的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，在注塑機(jī)啟動(dòng)時(shí)容易瞬間超載，故電動(dòng)機(jī)功率需略大于螺桿的工作功率；根據(jù)以上條件選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。
（2）電動(dòng)機(jī)的功率
計(jì)算電機(jī)所需功率： 查得：
－聯(lián)軸器傳動(dòng)效率：0.99
－每對(duì)軸承傳動(dòng)效率：0.99
－圓柱齒輪的傳動(dòng)效率：0.97
總傳動(dòng)效率 = （3-12）
電動(dòng)機(jī)所需功率 （3-13）
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]得：?jiǎn)渭?jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比
則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
由p=12.05kw和，選擇Y180L-6電動(dòng)機(jī)
各參數(shù)如下：額定功率15kw滿載轉(zhuǎn)速970r/min額定電流31.4A,功率因數(shù)[10]
2、減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算
基本傳動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算
電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y180L-4，滿載轉(zhuǎn)速為970r/min
則傳動(dòng)比 （3-14）
計(jì)算機(jī)構(gòu)各軸的轉(zhuǎn)速及動(dòng)力參數(shù)
（1）各軸的轉(zhuǎn)速
電動(dòng)機(jī)軸軸
Ⅰ軸
Ⅱ軸
（2）各軸的輸入功率
Ⅰ軸
Ⅱ軸
（3）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 （3-15）
Ⅰ軸
Ⅱ軸
齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
圖3-3齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖
（1）選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)[12]
按圖3.2所示的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
注塑機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB 10095-88）。
材料選擇。由表10-1（機(jī)械設(shè)計(jì)）選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
選小齒輪齒數(shù)z1=24，則大齒輪齒數(shù)z2==120。
（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
（3-16）
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)Kt=1.3。
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1==
選取齒寬系數(shù)=1。
查表得材料的彈性影響系數(shù)ZE=1.89.8。
由圖齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh= （3-17）
N2==
取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95；KHN2=1.15。
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由計(jì)算公式得
2）計(jì)算
試算小齒輪分度圓直徑d1t，將中較小的值代入公式（4-17）中。
=67.98mm
計(jì)算圓周速度v。
V=
計(jì)算齒寬b。
計(jì)算齒寬與齒高之比。
模數(shù)：
齒高：
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=3.45m/s,7級(jí)精度，由圖10-8（機(jī)械設(shè)計(jì)）查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.05；直齒輪，;
查得使用系數(shù).5；
用插值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，。
由=10.68，查圖得；故載荷系數(shù)
校正所算得的分度圓直徑，由計(jì)算公式得
mm
計(jì)算模數(shù)m。
（3）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
（3-18）
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
查圖得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限；
取彎曲疲勞壽命系數(shù),;
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4；
計(jì)算載荷系數(shù)K。
查取齒形系數(shù)。
查得齒形系數(shù)；。
查取應(yīng)力校正系數(shù)。
查表得;。
計(jì)算大、小齒輪的并加以比較。
經(jīng)比較：大齒輪的數(shù)值大。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)于計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得模數(shù)2.54并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3.0mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=81.456mm，算出小輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
取
3、幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
（2）計(jì)算中心距
（3）計(jì)算齒輪寬度
取B1=85mm,B2=81mm。
4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖如圖3-4所示
圖3-4齒輪傳動(dòng)示意圖
3.2.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
因本設(shè)計(jì)中減速器并非主要設(shè)計(jì)部件所以此處只設(shè)計(jì)高速軸。
1、軸的結(jié)構(gòu)形式及尺寸
高速軸（1軸）：
（1）作用在齒輪上的力
（2）初步確定軸的最小直徑，估算軸最小直徑，軸材料為45#鋼（調(diào)質(zhì)），查表得=97，于是有
輸出軸需要安裝聯(lián)軸器取 查手冊(cè)選用型號(hào)為HX2的彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器。公稱轉(zhuǎn)矩為560軸孔直徑為22mm,L=52mm
（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1） 軸上零件的裝配方案如圖3-5
3-5 軸上零件裝配方案示意圖
確定各段直徑：
2）為了滿足半聯(lián)軸器軸向定位要求，Ⅰ-Ⅱ軸端左側(cè)需制出一軸肩，故?、?Ⅲ段的直徑=24mm,右端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑D=28mm。半聯(lián)軸器與軸配合長(zhǎng)度52mm，Ⅰ-Ⅱ長(zhǎng)度應(yīng)小于，現(xiàn)取50mm
3）初步選擇滾動(dòng)軸承由=24mm,選擇深溝球軸承6205
其參數(shù)
=25mm ， =15mm
左端滾動(dòng)軸承采用軸肩定位。6205定位軸間高度h=4mm,因此取
4）取安裝齒輪處軸段Ⅳ-V的直徑 =32mm, 右端與右軸承間采用套筒定位。已知齒輪寬85mm為可靠定位取
左端采用軸肩定位，h>0.07d，故取h=3mm 則軸環(huán)處=38mm,軸環(huán)寬b>1.4h,取=5mm
5）軸承端蓋的總寬度20mm 取外端面與半聯(lián)軸器左端距離l=20mm 故40mm
6）齒輪距箱體內(nèi)壁距離a=16mm,軸承距箱體內(nèi)壁一段距離s，取s=6mm，軸承寬T=15mm,
則 = T+s+a+（85-81）=15+6+16+4=41mm
=a+s=6+16=22mm
2、軸強(qiáng)度的校核
（1）求軸上的載荷
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，確定各支撐點(diǎn)位置，求得：L1=75mm，L2=29.5mm，L3=65mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出彎矩圖和扭矩圖，如圖3-6。
圖3-6 軸的彎矩圖和扭矩圖
從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)截面D是危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的截面C處的及M值列于表3-2。
表3-2
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
=1008.9N,=2564.9N
=367.2N,=933.6N
彎矩M
=75665.4Nmm
=27540.9Nmm
總彎矩
M=80521.8Nmm
扭矩T
T=Nmm
（2）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
D截面是危險(xiǎn)截面，因此只校核D截面的強(qiáng)度，根據(jù)選定材料45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表得取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
，故安全。[14]
3.3注射裝置的設(shè)計(jì)
3.3.1噴嘴的設(shè)計(jì)
1尺寸的確定
由文獻(xiàn)[11]可知，噴嘴直徑
d=kQ1/3 （3-19）
k—由塑料的性能決定，對(duì)熱敏性和高粘度的塑料k取0.68～0.8。一般性塑料k取0.35～0.4。
Q—注射速率（/s）
此處k取0.8
由原始數(shù)據(jù)可以知道注射速率Q=110g/s。這是相對(duì)Ps而言的。Ps的密度是1.05g/cm3。
那么可以得d=0.8（110/1.05）1/3=3.8mm
又由《塑性成型設(shè)備》[9]可知，可以取噴嘴的球面半徑SR=15mm。
2材料的選用
由于噴嘴和料筒配合著工作，其所要求的性能與料筒相似。因此，在材料的選擇上可以與料筒相同，即也選用45鋼。
3.3.2螺桿最大行程計(jì)算
由 Vc=（/4）×Ds×S （3-20）
其中：Vc—注射量（cm）
Ds—螺桿直徑（mm）
S--螺桿最大行程（cm）
可以計(jì)算得到S=10cm
3.3.3液壓油缸的直徑計(jì)算
當(dāng)注射機(jī)液壓系統(tǒng)選用30MPa的規(guī)格時(shí)
由 p=（D2/Ds2）×P0 （3-21）
其中：p—注射壓力（MPa）
D--注射油缸直徑(cm)
Ds—螺桿直徑（cm）
P0— 注射油壓（MPa）
可以計(jì)算得到D=80mm
3.3.4注射力計(jì)算
F=(/4)×Ds×p (3-22)
其中：F—注射力（KN）
Ds—螺桿直徑（mm）
p—注射壓力（MPa）
可以計(jì)算得到F=158.3KN
4結(jié)論
本文根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)介紹了一種往復(fù)螺桿式注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的注射系統(tǒng)包括傳動(dòng)裝置、塑化裝置、注射裝置三大部分。
傳動(dòng)裝置采用了單級(jí)齒輪減速器和三相異步電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)機(jī)的輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速減速到要求轉(zhuǎn)速后傳遞到螺桿上，帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。塑化裝置采用了三級(jí)變徑螺桿與料筒結(jié)合完成對(duì)坯料的塑化，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)完成了坯料的疏松，同時(shí)起到剪切和混煉的作用，能提高塑化效率，改善熔融物的質(zhì)量。注射裝置采用了單向液壓缸與往復(fù)螺桿結(jié)合，由液壓缸活塞推動(dòng)螺桿完成注射過(guò)程并在下一循環(huán)的塑化過(guò)程中自動(dòng)完成螺桿的退回，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，熔融塑料在料筒前端累積增多，在融料的壓力下螺桿沿軸向后退，待到回退到融料量滿足需求時(shí)，螺桿停轉(zhuǎn)，并在注射液壓缸的推力下完成注射過(guò)程。
所設(shè)計(jì)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、制造容易的特點(diǎn)。
通過(guò)此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深了對(duì)所學(xué)課本知識(shí)的理解，并能夠與此次的設(shè)計(jì)相結(jié)合，提高了理論聯(lián)系實(shí)際的能力，也體會(huì)到了在實(shí)際工作中設(shè)計(jì)工作的重要性。此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)既是對(duì)之前所學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)與運(yùn)用，同時(shí)也是畢業(yè)生上崗就業(yè)前的一次實(shí)習(xí)。使自己對(duì)以后的工作又有了更深的理解
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