李 潔
瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，四川 瀘州 646000
●摘 要： 根據(jù)需要完成的任務(wù)，實現(xiàn)特定的功能，依據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)，設(shè)計一款往復(fù)螺桿注射系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三部分組成，第一部分：驅(qū)動裝置以及傳動裝置，選擇三相異步電機作為驅(qū)動裝置，然后通過單級齒輪減速器來把電機的轉(zhuǎn)速傳遞到運動部件；第二部分：塑化裝置，該裝置利用螺桿和料筒實現(xiàn)對融化塑料的塑化；第三部分：注射裝置，利用液壓缸推動螺桿實現(xiàn)注射，并且可以在下一個循環(huán)之前實現(xiàn)螺桿的退回。該注射系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、加工制造容易的特點。
●關(guān)鍵詞： 注射機；驅(qū)動裝置；傳動裝置；塑化裝置；注塑裝置；往復(fù)螺桿
隨著國家各項政策的頒布，對于當(dāng)下注射機的發(fā)展要求要做到質(zhì)量輕便、節(jié)約資源、能源損耗少、 效率高、成本小。傳統(tǒng)的注射機質(zhì)量體積龐大、工作效率低，而本文設(shè)計的往復(fù)式注射機完善了傳統(tǒng)注射機的這些缺點。往復(fù)螺桿式注射機在實際工作時，在鎖模力只有傳統(tǒng)技術(shù)三分之一時，仍然可以保證產(chǎn)品成型的質(zhì)量要求，即大大提高了工作效率，也極大地保證了產(chǎn)品的精度要求，對于資源節(jié)約、能源節(jié)約和成本控制都有著極大的意義合理的注塑系統(tǒng)對注射機來講至關(guān)重要，注射機要完成塑料的塑化以及加壓均需靠注塑系統(tǒng)。
按照生產(chǎn)塑料產(chǎn)品的流程來說，注塑系統(tǒng)首先要保證可以融化、塑化一定量的塑料，然后把這些塑料在一定的壓力、速度下注射到模具中；保壓一段時間防止融化的塑料反向流動，考慮到材料熱脹冷縮的屬性，所以為了防止產(chǎn)品的收縮，需要往模具中多加入一些材料【1-6】。市面上的注射機的注塑系統(tǒng) 大多采用往復(fù)螺桿式，其次是柱塞式。
本次設(shè)計要求從經(jīng)濟性、安全性、合理性幾個方面考慮。本次的設(shè)計對象是往復(fù)式螺桿注射機，通過資料查詢的基本數(shù)據(jù)，以螺桿直徑為設(shè)計出發(fā)點，使用類比設(shè)計的思想對料筒、噴嘴和減速器進行參數(shù)計算和材料選擇。本次設(shè)計的往復(fù)式螺桿注射機的要求是機構(gòu)簡單、制造性好、性能質(zhì)量可靠。本次設(shè)計主要圍繞以下內(nèi)容展開：傳動裝置設(shè)計、塑化裝置設(shè)計、注射裝置設(shè)計，并對其結(jié)構(gòu)進行必要的強度設(shè)計。
1 總體方案設(shè)計
1.1 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、注射座移動液壓缸等組成。柱塞式注射裝置主要根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致其具有以下缺點：塑料受熱不均勻，限制了料筒的塑化能力。塑料的熱傳導(dǎo)屬性差，在加熱的時候會導(dǎo)致料筒中間的部分塑料還未融化，而料筒邊緣的塑料已經(jīng)融化，嚴(yán)重的會出現(xiàn)料筒中間塑料未塑化，而料筒邊緣塑料已經(jīng)分解的情況；壓力損失大，分流梭與料筒內(nèi)壁的狹縫導(dǎo)致了很大的壓力損失[7]，工藝條件的穩(wěn)定性不易提高。注射壓力需要作用在未融化的塑料上才可以傳遞到熔料，這會導(dǎo)致柱塞等速的移動中，熔料的沖模速度不均勻，而且不能保證每 次注射的熔料的量一致[8]。
1.2 螺桿預(yù)塑式注射裝置
螺桿預(yù)塑式注射裝置是由兩個料筒組成的，一個是螺桿預(yù)塑式料筒，另一個是注射料筒，兩個料筒的連接處有單向閥。與柱塞式注射裝置不同的是，螺桿預(yù)塑式注射裝置使用單向閥把兩個料筒連接在一起。熔料先在螺桿的不斷攪拌下，在預(yù)塑式料筒塑化，然后注射柱塞把熔料注射到模腔中。這極大地提高了塑化質(zhì)量和塑化效果，加上取消了分流梭，所以注射壓力損失不大，注射速率也得到提高，因此適用于連續(xù)注射或注射量大的注射機。考慮到需要增加一個料筒以及單向閥等部件，整個裝置變得復(fù)雜、龐大，如果單向閥與兩個料筒有間隙，還會導(dǎo)致熔料的泄露，基于上述問題，在此基礎(chǔ)上又改進了往復(fù)式螺桿注射裝置。
1.3 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(簡稱螺桿 式)注射裝置，主要由塑化部分、料斗、螺桿、傳動裝置 、注射座、注射座移動液壓缸、注射液壓缸等組 成。往復(fù)螺桿注射裝置按照不同的分類方法有不同的分類形式。往復(fù)螺桿注射裝置還有采用液壓馬達直接驅(qū)動型，可根據(jù)注射液壓缸數(shù)目分為單缸式和雙缸式兩類結(jié)構(gòu)。對于雙缸式液壓馬達隨動式注射裝置，螺桿和液壓馬達直接連接傳遞運動。雙注射油缸放置在料筒兩側(cè)平行排列，注射時，液壓馬達隨螺桿一起作軸向移動，故稱隨動式。這種形式的注射裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能耗低，它是恒定力矩驅(qū)動裝置，當(dāng)螺桿出現(xiàn)過載時，液壓馬達無法驅(qū)動，起到對螺桿的保護作用，而電動機驅(qū)動裝置為恒定功率驅(qū)動裝置，當(dāng)螺桿過載時容易扭斷螺桿[9]。
1.4 方案的選定
通過上面對比可以發(fā)現(xiàn)往復(fù)螺桿式注射裝置
具有以下優(yōu)點：
(1)螺桿式注射裝置塑化時可以使塑料受熱均勻，以及螺桿的旋轉(zhuǎn)運動也可以更好地對塑料進行塑化，所以塑料的塑化質(zhì)量以及塑化效果得到了顯著的提升。
(2)注射壓力損失減小。
(3)生產(chǎn)效率高。料筒內(nèi)表面的殘余廢料，可以通過螺桿的轉(zhuǎn)動起到自清潔的效果，節(jié)省了清洗料筒的時間。
(4)螺桿式注射裝置可以對塑料進行染色加工，而且料筒清洗比較方便。螺桿式注射裝置機構(gòu)上相比柱塞式注射裝置較復(fù)雜，會導(dǎo)致注射機制造成本的增加，但是因為其優(yōu)點很好地解決了生產(chǎn)方面的困難，市場應(yīng)用比較廣泛，所以本研究最終選擇往復(fù)螺桿式注射裝置。
2 主要零部件設(shè)計
2.1 螺桿設(shè)計
注射機螺桿分為漸變型螺桿、突變型螺桿、通用型螺桿。
漸變型螺桿：螺槽深度逐漸過渡，適用于軟化溫度變化范圍大的熔料。
突變型螺桿：指螺桿槽深度由深變淺的過程，適用于具有穩(wěn)定熔點的塑料。
通用型螺桿：壓縮段長度在突變型螺桿和漸變型螺桿之間。螺桿常見壓縮比見表1。
▲ 表1 常見注射螺桿的壓縮比
為了避免注射時出現(xiàn)熔料堆積以及熔料的回流，所以螺桿的頭部一般選擇錐形尖頭，如圖2所示。
2.2 螺桿的尺寸
(1)長度L的確定
螺桿直徑Ds=40 mm。查閱資料得知螺桿長度與螺桿直徑的比值(L/D)在18~22之間，常選擇20:1。所以螺桿的長度為L=40×20=800 mm。而通用螺桿不同段占的比例不一樣，加料段、壓縮段、均化段占的比例分別為50%、25%、25%，所以加料段、壓縮段、均化段的長度分別為400、200和200 mm。
(2)確定均化段螺槽深度h3和壓縮比i
螺槽深度(h3)越小，那么螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切熱越大，此時消耗螺桿的功率也就越大。按照經(jīng)驗公式來算：一般h3=(0.04~0.07)Ds。此處取h3=0.065Ds=2.6 mm。
壓縮比(i)：加料段螺桿的螺槽深度h1與均化段螺槽深度h3的比值，即i=h1/h3。取i=2.1，則h1=i·h3=2.1×2.6=5.4 mm。
(3)螺桿材料的選用
考慮到注射機螺桿的工作環(huán)境，不僅要承受很大的作用力，而且要不斷地做往復(fù)運動。所以在選擇螺桿材料的時候要保證高強度、耐磨損及耐腐蝕，然后為了保證工作過程中的平穩(wěn)，螺桿的表面粗糙度一定不高于0.4 μm。所以材料一般選擇40Cr，為提高螺桿的耐磨性和耐腐蝕性，螺桿的表面要經(jīng)過噴涂處理。
2.3 螺桿的強度校核
當(dāng)注射機壓力為30 MPa時，強度校核計算公式為：
經(jīng)計算，螺桿強度滿足要求。
3 傳動裝置的設(shè)計
3.1 電動機的選擇
(1)類型和結(jié)構(gòu)構(gòu)型式
考慮到在注射機啟動瞬間容易出現(xiàn)超載的情況，所以電動機的功率選擇要略大于螺桿工作功率，因此選擇Y系列三相異步電動機。
(2)電動機的功率
查得：η1—聯(lián)軸器傳動效率，0.99；η2—每對軸承傳動效率，0.99；η3—圓柱齒輪的傳動效率，0.97。
總傳動效率：
3.2 減速器的設(shè)計計算
電動機型號為Y180L-6，滿載轉(zhuǎn)速為970 r/min，
所以傳動比為：
(1)各軸的轉(zhuǎn)速
電動機軸 nm=970 r/min
Ⅰ軸 n1=nm=970 r/min
Ⅱ軸 n2=200 r/min
(2)各軸的輸入功率
12:?21?!?58?!?21????441??
3齒輪傳動設(shè)計圖如圖3所示。
▲ 圖3 齒輪傳動簡圖
(3)齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)的選擇
齒輪類型：直齒圓柱齒輪。
考慮注射機的工作轉(zhuǎn)速不高，所以齒輪的精度 等級為7級。
小齒輪材料：調(diào)質(zhì)處理的40Cr，布氏硬度為280；
大齒輪材料：調(diào)質(zhì)處理的45鋼，布氏硬度240。
齒數(shù)：當(dāng)小齒輪z1=24，則大齒z2=5×24=120。
(4)強度校核
按齒面接觸強度設(shè)計，設(shè)計計算公式為：
其中：K為載荷系數(shù)；T1為小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩；ZE 為彈性影響系數(shù)；δH為接觸疲勞強度。
按齒根彎曲強度設(shè)計，設(shè)計計算的公式為：
其中：K為載荷系數(shù)；T1為傳遞轉(zhuǎn)矩；YFa為應(yīng)力
校正系數(shù)；YSa為應(yīng)力校正系數(shù)。
(5)齒輪零件圖如圖4所示
▲ 圖4 齒輪零件圖
4 注射裝置的設(shè)計
4.1 噴嘴的設(shè)計
(1)尺寸的確定
查閱資料可知，噴嘴直徑根據(jù)以下公式確定：
(2)材料的選用
在材料的選擇上可以與料筒相同，即也選用45
鋼[11]。
4.2 螺桿最大行程計算
4.3 液壓油缸的直徑計算
4.4 注射力計算
注射力根據(jù)以下公式確定：
其中：F為注射力；Ds 為螺桿直徑；p為注射壓力。
5 總結(jié)
本文根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)介紹了一種往復(fù)螺桿式注射系統(tǒng)的設(shè)計，所設(shè)計的注射系統(tǒng)包括傳動裝置、塑化裝置、注射裝置三大部分[12]。傳動裝置采用了單級齒輪減速器和三相異步電動機滿足設(shè)計要求，電動機輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)減速到要求轉(zhuǎn)速后傳遞到螺桿上，帶動螺桿轉(zhuǎn)動。塑化裝置采用三級變徑螺桿與料筒結(jié)合完成對坯料的塑化，螺桿轉(zhuǎn)動完成了坯料的疏松，同時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[13-14]。注射裝置采用單向液壓缸與往復(fù)螺桿結(jié)合，由液壓缸活塞推動螺桿完成注射過程，并在下一循環(huán)的塑化過程中自動完成螺桿的退回，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，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，待回退到融料量滿足需求時，螺桿停轉(zhuǎn)，并在注射液壓缸的推力下完成注射過程。所設(shè)計的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、制造容易的特點。
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