蘇寧寧，李俊燁，張印，周曾煒，李丹妮

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著工業(yè)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計(jì)和加工領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的技術(shù)和工藝，從以前的普通車銑刨磨鉆等加工方法到現(xiàn)在的數(shù)控車、數(shù)控銑、線切割、電火花加工、激光加工等，當(dāng)然還有現(xiàn)在研究比較多的3D打印，雖然新技術(shù)也不斷在發(fā)展，但是已有的技術(shù)也有它不可替代的一面，比如說(shuō)沖壓、鑄造、注塑等加工方法［1-3］。目前在工程塑料業(yè)中，80%左右采用了注射成型。近年來(lái)由于汽車、建筑、家用電器、食品、醫(yī)藥等產(chǎn)業(yè)對(duì)注射制品日益增長(zhǎng)的需要，推動(dòng)了注射成型技術(shù)水平的發(fā)展和提高。目前，合模機(jī)構(gòu)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)研究塑料器械的主要著手點(diǎn)，且注塑機(jī)被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)和電子加工業(yè)［4，5］。

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)與反復(fù)試驗(yàn)成為模具設(shè)計(jì)、制造及成型操作的關(guān)鍵因素。而這些方法越來(lái)越低效且其成本也越來(lái)越高，尤其是當(dāng)其應(yīng)用于大型零件和高精度零件或新型聚合物的注射成型加工時(shí)更為突出［6-9］。這次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)注塑機(jī)合模裝置的研究，注塑成型，顯而易見(jiàn)主要是針對(duì)塑料等聚合物的一種成型技術(shù)，它是在一定溫度下，通過(guò)螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法。該方法適用于形狀復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)，是重要的加工方法之一。

1 合模總體方案確定

1.1 合模方案確定

合模的關(guān)鍵就是讓兩個(gè)模具合攏并能保持一定的鎖模能力，結(jié)合觀察汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄活塞機(jī)構(gòu)，逆向假設(shè)活塞就是模具而曲軸就是動(dòng)力源的話可以實(shí)現(xiàn)合模的過(guò)程。即一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)合模的動(dòng)作［10-12］。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

因?yàn)榍瓦B桿共線的時(shí)候存在死點(diǎn)，模具對(duì)曲柄的力通過(guò)連桿與曲柄支點(diǎn)在同一直線，能保證模具鎖緊。其中折線圖形表示未合模的一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)，中間虛線的圖形表示合模狀態(tài)。這樣的合模機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其動(dòng)模的最大行就是曲柄活動(dòng)的直徑.然后通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)變形和位置的限定完成注塑機(jī)的合模。

圖1 合模裝置動(dòng)作原理圖

1.2 螺桿式注塑機(jī)合模裝置初步布局

在開(kāi)始設(shè)計(jì)裝置之前應(yīng)該先對(duì)注塑機(jī)整體布局進(jìn)行一定的規(guī)劃和布局，對(duì)注塑產(chǎn)品進(jìn)行分析從合模的動(dòng)模開(kāi)始設(shè)計(jì)，然后再對(duì)合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后完成整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品和合模裝置的工作原理和整體安裝固定考慮，注塑機(jī)采用臥式注塑，注塑機(jī)布置從左向右依次布局大致為合模機(jī)構(gòu)及動(dòng)力部分、模具部分、注塑螺桿和加熱部分、螺桿運(yùn)動(dòng)動(dòng)力部分。螺桿式注塑機(jī)的大致布局如圖2所示。

圖2 注塑機(jī)布局圖

2 合模裝置零部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)模板的設(shè)計(jì)建模

為了設(shè)計(jì)出動(dòng)模板，必須選定注塑產(chǎn)品，該設(shè)計(jì)選擇的注塑產(chǎn)品是鞋底，主要是為了方便建模，完成合模設(shè)計(jì)。

據(jù)鞋底的模型可以初步設(shè)計(jì)出動(dòng)模板，由鞋底的形狀尺寸，將模具設(shè)計(jì)為上下模，動(dòng)模板為下模，分型面為鞋底的頂面。由此建立模型，在模具的四個(gè)邊角設(shè)置4個(gè)孔用于與拉桿的配合完成動(dòng)模的運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)向，在型腔中間布置階梯孔是用于注塑品的頂出，階梯孔左右分布是為了保證注塑品能夠順利頂出，階梯是利用在注塑時(shí)產(chǎn)生壓力差自動(dòng)密封和定位，模型如圖3和圖4所示。

圖3 動(dòng)模板正面

圖4 動(dòng)模板背面

2.2 前模板的設(shè)計(jì)建模

因?yàn)榍澳０逡蛣?dòng)模板之間配合，還要和注射部分連接，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮和動(dòng)模板之間的配合和位置的限定調(diào)節(jié)，與注射部分的良好連接。前模板四個(gè)角的孔與動(dòng)模板四個(gè)角的孔通過(guò)拉桿連接，在前面板的下方布置多個(gè)螺紋孔將前面板固定在注塑機(jī)底座上，前模板的模型設(shè)計(jì)模型如圖5所示。

圖5 前模板模型

2.3 曲柄凸輪的設(shè)計(jì)建模

為了使合模部分和模具的大小相匹配，在保證足夠的強(qiáng)度下使合模裝置的外形尺寸盡量和模具的長(zhǎng)寬保持一致。為了解決合模時(shí)出現(xiàn)沖過(guò)死點(diǎn)和力不共線的問(wèn)題，以圓臺(tái)為基體，設(shè)計(jì)曲柄并以凸輪的形式來(lái)保證曲柄位置的限定，即在曲柄凸輪上設(shè)計(jì)一個(gè)定位的結(jié)構(gòu)來(lái)限定曲柄凸輪的合模位置，為使曲柄凸輪完成合模后的自鎖和消除一定的設(shè)計(jì)誤差，通過(guò)去除曲柄凸輪一些材料來(lái)改變其重心位置來(lái)改變受力情況。在曲柄凸輪的設(shè)計(jì)時(shí)為了保證曲柄凸輪與固定架和連桿之間的配合選用小間隙的配合并采用基孔制，曲柄凸輪模型和尺寸如圖6所示。

圖6 曲柄凸輪模型圖

2.4 合模機(jī)構(gòu)固定架的設(shè)計(jì)建模

在曲柄凸輪設(shè)計(jì)完成后要確定曲柄凸輪的安裝和固定，因?yàn)榭紤]到受力的平衡，曲柄凸輪采用兩側(cè)各放一個(gè)連桿在中間，選長(zhǎng)方體為固定架基體設(shè)計(jì)合模機(jī)構(gòu)固定架，在固定架一端設(shè)為開(kāi)口加端蓋固定曲柄凸輪便于加工和安裝，同時(shí)在端蓋一側(cè)也是合模驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的輸入端，連桿一側(cè)也開(kāi)口，用于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)活動(dòng)的空間，另外考慮到合模的拉桿和頂出結(jié)構(gòu)的放置，在連桿一側(cè)留出位置連接轉(zhuǎn)接板來(lái)安裝拉桿和頂出桿。合模固定架模型如圖7所示。

圖7 合模機(jī)構(gòu)固定架模型

2.5 曲柄連桿的設(shè)計(jì)建模

為了保證動(dòng)模板與固定架轉(zhuǎn)接板之間不發(fā)生干涉，曲柄理論長(zhǎng)度應(yīng)考慮固定架側(cè)面開(kāi)口端壁厚和轉(zhuǎn)接板的厚度，除此之外應(yīng)加一安全距離，保證安全和留出調(diào)膜空間。與曲柄凸輪之間的連接采用軸孔配合的鉸鏈連接，與模板之間的連接采用軸孔鉸鏈連接。連桿模型圖如圖8所示。

2.6 合模拉桿的設(shè)計(jì)建模

為了保證動(dòng)模和定模之間的配合，拉桿起到定位和導(dǎo)向的作用，還有調(diào)節(jié)模具之間誤差的作用。所以拉桿與動(dòng)模之間要有良好的配合精度和運(yùn)動(dòng)精度拉桿與動(dòng)模之間采用一般的間隙配合取為7級(jí)公差，與合模裝置固定架轉(zhuǎn)接板之間采用凸臺(tái)的形式定位和連接，前模板一側(cè)用螺紋螺母定位和調(diào)節(jié)。模型和尺寸如圖9所示

圖9 拉桿模型圖

2.7 合模固定架轉(zhuǎn)接板的設(shè)計(jì)建模

拉桿設(shè)計(jì)完成后需要考慮拉桿的固定和安裝，需要將拉桿和合模固定架連接固定起來(lái)，如果拉桿直接穿過(guò)合模固定架的話，可以不用轉(zhuǎn)接板，但是這樣設(shè)計(jì)的話不僅增加了固定架的加工難度還加長(zhǎng)了拉桿的長(zhǎng)度，也不利于固定架端蓋的固定和安裝，除此之外還需考慮頂出裝置的設(shè)計(jì)，頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以采用了轉(zhuǎn)接板來(lái)固定安裝，因此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接板來(lái)固定安裝拉桿和頂出桿。合模固定架轉(zhuǎn)接板模型圖如圖10所示。

圖10 合模固定架轉(zhuǎn)接板模型

2.8 頂出裝置的設(shè)計(jì)

注塑完成后需要將成品從注塑模具中脫離出來(lái)，繼續(xù)下一個(gè)產(chǎn)品的注塑和得到產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行下一步加工。綜合前面的設(shè)計(jì)要在開(kāi)模的時(shí)候?qū)a(chǎn)品頂出，有兩個(gè)方案一個(gè)是利用彈簧使注塑時(shí)壓縮完成注塑，注塑完成開(kāi)模時(shí)彈出，另一個(gè)是在模具型腔中設(shè)計(jì)一個(gè)臺(tái)階孔在臺(tái)階孔中加一階梯軸在注塑時(shí)在注塑壓力下保證密封在開(kāi)模時(shí)階梯軸不動(dòng)動(dòng)模向后運(yùn)動(dòng)頂出產(chǎn)品。頂出桿模型如圖11所示。

圖11 頂出缸模型圖

3 注塑機(jī)裝配圖和工作過(guò)程

3.1 注塑機(jī)裝配

在裝配時(shí)應(yīng)該按照從左向右從下到上的順序安裝。首先先安裝注塑機(jī)的固定板，然后將合模固定架安裝在固定板上，之后將曲柄凸輪和連桿裝在固定架里邊，然后裝轉(zhuǎn)軸、軸承、端蓋等，接下來(lái)開(kāi)始安裝拉桿，合模固定架轉(zhuǎn)接板，頂出桿，之后將動(dòng)模和前面板安裝定位好，然后安裝注塑部分。最后安裝電機(jī)和傳動(dòng)裝置。最后裝配模型如圖12所示。爆炸圖如圖13所示。

圖12 注塑機(jī)裝配模型

圖13 注塑機(jī)爆炸圖

3.2 注塑機(jī)工作過(guò)程

注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)從前面的裝配圖可以看到，左邊為合模部分，中間為模具部分，右邊為注塑部分。在工作時(shí)合模電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳遞給曲柄凸輪，曲柄凸輪帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)動(dòng)模板，當(dāng)曲柄連桿達(dá)到死點(diǎn)時(shí)合模，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)完成合模，螺桿在注塑電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，料斗里面的原料在螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中隨螺桿槽向前推進(jìn)壓實(shí)塑化，此時(shí)螺桿和注塑電機(jī)在塑化前推的料的作用下在滑軌上向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)塑化到一定量的時(shí)候注塑電機(jī)和螺桿在液壓缸的推動(dòng)下快速向前移動(dòng)完成注塑，注塑電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸卸荷保壓持續(xù)一段時(shí)間，然后液壓缸停止供壓，合模電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)模，此時(shí)頂出機(jī)構(gòu)將注塑品頂出，完成整個(gè)注塑過(guò)程。

4 關(guān)鍵部位的分析校核

4.1 合模架懸臂結(jié)構(gòu)的分析校核

先對(duì)合模固定架的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，第一步以合模架底面固定合模架如圖14，取注塑壓力為1200MPa，鞋底面積估計(jì)2000cm2，計(jì)算注塑時(shí)合模力為2400KN，因?yàn)槭菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，所以取合模力力為1200KN。通過(guò)有限元分析可得到結(jié)果位移分析結(jié)果如圖15，應(yīng)力分析結(jié)果如圖16。

圖14 合模固定架受力分析固定圖

圖15 合模固定架受力位移分析圖

圖16 合模固定架應(yīng)力分析圖

由位移分析圖可知當(dāng)載荷在1200KN的時(shí)候懸臂結(jié)構(gòu)的最大位移為2.465×10-1mm位移非常小，最大應(yīng)力為3.8055×108Pa，而材料的屈服應(yīng)力為5.3005×108Pa，由分析結(jié)果可以得出結(jié)論此處強(qiáng)度校核合格。

4.2 連桿的分析校核

第一步固定連桿，由前面的計(jì)算注塑時(shí)合模力為2400KN，因?yàn)槭菍?duì)稱結(jié)構(gòu)取合模力的一半，取作用力1200KN。通過(guò)有限元分析可得到結(jié)果位移分析結(jié)果如圖17所示，應(yīng)力分析結(jié)果如圖18所示。

圖17 連桿受力位移分析圖

圖18 連桿受力應(yīng)力分析圖

由連桿的受力分析可以看出連桿在受到注塑時(shí)作用力的位移方向位移大小和應(yīng)力分布情況，最大變形位移為2.7765×10-1m，最大應(yīng)力的為5.3435×108Pa，而材料的屈服應(yīng)力為5.3005×108Pa，從圖中可以看出最大應(yīng)力大于屈服應(yīng)力的區(qū)域很小可以符合要求，所以連桿的校核合格。

5 結(jié)論

以螺桿式注塑機(jī)合模裝置為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同注塑機(jī)合模裝置的對(duì)比分析，由汽車的曲柄活塞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)合模裝置，制定了合模裝置的合模方案和大致布局，然后經(jīng)過(guò)調(diào)查選擇確定注塑產(chǎn)品，開(kāi)始合模裝置的設(shè)計(jì)，完成了模具、拉桿、曲柄凸輪、連桿等零部件的設(shè)計(jì)并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示校核達(dá)到要求。

該設(shè)計(jì)采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄和連桿共線時(shí)的死點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了鎖模，并在共線時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)限制機(jī)構(gòu)停留在死點(diǎn)，同時(shí)在曲柄設(shè)計(jì)上使重心偏離保證機(jī)構(gòu)始終趨向死點(diǎn)限制方向，不需要持續(xù)提供動(dòng)力鎖模達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的效果，從結(jié)構(gòu)上相比于目前較好的肘桿式合模機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單了很多，相比于液壓合模節(jié)能了很多，為注塑機(jī)合模提供了一種新的方式。

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