李 潔
瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系罕容，四川 瀘州 646000
●摘 要： 根據(jù)需要完成的任務(wù)备恤，實現(xiàn)特定的功能稿饰，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)露泊。該系統(tǒng)由三部分組成喉镰，第一部分：驅(qū)動裝置以及傳動裝置，選擇三相異步電機(jī)作為驅(qū)動裝置惭笑，然后通過單級齒輪減速器來把電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳遞到運(yùn)動部件侣姆；第二部分：塑化裝置，該裝置利用螺桿和料筒實現(xiàn)對融化塑料的塑化沉噩；第三部分：注射裝置捺宗，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)螺桿的退回川蒙。該注射系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單蚜厉、制造成本低、加工制造容易的特點畜眨。
●關(guān)鍵詞： 注射機(jī)昼牛；驅(qū)動裝置；傳動裝置胶果；塑化裝置匾嘱；注塑裝置；往復(fù)螺桿
隨著國家各項政策的頒布早抠，對于當(dāng)下注射機(jī)的發(fā)展要求要做到質(zhì)量輕便霎烙、節(jié)約資源、能源損耗少蕊连、 效率高悬垃、成本小。傳統(tǒng)的注射機(jī)質(zhì)量體積龐大甘苍、工作效率低尝蠕，而本文設(shè)計的往復(fù)式注射機(jī)完善了傳統(tǒng)注射機(jī)的這些缺點。往復(fù)螺桿式注射機(jī)在實際工作時载庭，在鎖模力只有傳統(tǒng)技術(shù)三分之一時看彼，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囚聚，也極大地保證了產(chǎn)品的精度要求靖榕，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(jī)來講至關(guān)重要顽铸，注射機(jī)要完成塑料的塑化以及加壓均需靠注塑系統(tǒng)茁计。
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谓松、塑化一定量的塑料星压，然后把這些塑料在一定的壓力践剂、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娜膘，考慮到材料熱脹冷縮的屬性逊脯，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】劲绪。市面上的注射機(jī)的注塑系統(tǒng) 大多采用往復(fù)螺桿式男窟，其次是柱塞式。
本次設(shè)計要求從經(jīng)濟(jì)性贾富、安全性歉眷、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(jī)颤枪，通過資料查詢的基本數(shù)據(jù)汗捡，以螺桿直徑為設(shè)計出發(fā)點，使用類比設(shè)計的思想對料筒畏纲、噴嘴和減速器進(jìn)行參數(shù)計算和材料選擇扇住。本次設(shè)計的往復(fù)式螺桿注射機(jī)的要求是機(jī)構(gòu)簡單、制造性好盗胀、性能質(zhì)量可靠艘蹋。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)計票灰、注射裝置設(shè)計女阀，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的強(qiáng)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屑迂、塑化部件浸策、注射液壓缸、注射座移動液壓缸等組成惹盼。柱塞式注射裝置主要根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)的原因庸汗，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手报。塑料的熱傳導(dǎo)屬性差蚯舱，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)融化掩蛤，嚴(yán)重的會出現(xiàn)料筒中間塑料未塑化晓淀，而料筒邊緣塑料已經(jīng)分解的情況；壓力損失大盏档，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)定性不易提高燥爷。注射壓力需要作用在未融化的塑料上才可以傳遞到熔料蜈亩，這會導(dǎo)致柱塞等速的移動中懦窘，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]稚配。
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畅涂，一個是螺桿預(yù)塑式料筒，另一個是注射料筒道川，兩個料筒的連接處有單向閥午衰。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冒萄。熔料先在螺桿的不斷攪拌下臊岸，在預(yù)塑式料筒塑化，然后注射柱塞把熔料注射到模腔中尊流。這極大地提高了塑化質(zhì)量和塑化效果帅戒，加上取消了分流梭，所以注射壓力損失不大崖技，注射速率也得到提高逻住，因此適用于連續(xù)注射或注射量大的注射機(jī)∮祝考慮到需要增加一個料筒以及單向閥等部件瞎访，整個裝置變得復(fù)雜、龐大吁恍，如果單向閥與兩個料筒有間隙扒秸，還會導(dǎo)致熔料的泄露，基于上述問題践盼，在此基礎(chǔ)上又改進(jìn)了往復(fù)式螺桿注射裝置鸦采。
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，主要由塑化部分咕幻、料斗渔伯、螺桿、傳動裝置 肄程、注射座锣吼、注射座移動液壓缸、注射液壓缸等組 成蓝厌。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玄叠。往復(fù)螺桿注射裝置還有采用液壓馬達(dá)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)拓提。對于雙缸式液壓馬達(dá)隨動式注射裝置读恃，螺桿和液壓馬達(dá)直接連接傳遞運(yùn)動。雙注射油缸放置在料筒兩側(cè)平行排列，注射時寺惫，液壓馬達(dá)隨螺桿一起作軸向移動疹吃，故稱隨動式。這種形式的注射裝置結(jié)構(gòu)緊湊西雀，能耗低萨驶，它是恒定力矩驅(qū)動裝置，當(dāng)螺桿出現(xiàn)過載時艇肴，液壓馬達(dá)無法驅(qū)動腔呜，起到對螺桿的保護(hù)作用，而電動機(jī)驅(qū)動裝置為恒定功率驅(qū)動裝置再悼，當(dāng)螺桿過載時容易扭斷螺桿[9]核畴。
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(yùn)動也可以更好地對塑料進(jìn)行塑化帮哈，所以塑料的塑化質(zhì)量以及塑化效果得到了顯著的提升膛檀。
(2)注射壓力損失減小。
(3)生產(chǎn)效率高娘侍。料筒內(nèi)表面的殘余廢料咖刃，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憾筏。
(4)螺桿式注射裝置可以對塑料進(jìn)行染色加工嚎杨，而且料筒清洗比較方便。螺桿式注射裝置機(jī)構(gòu)上相比柱塞式注射裝置較復(fù)雜氧腰，會導(dǎo)致注射機(jī)制造成本的增加枫浙，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)用比較廣泛古拴，所以本研究最終選擇往復(fù)螺桿式注射裝置箩帚。
2 主要零部件設(shè)計
2.1 螺桿設(shè)計
注射機(jī)螺桿分為漸變型螺桿、突變型螺桿黄痪、通用型螺桿紧帕。
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桅打。
突變型螺桿：指螺桿槽深度由深變淺的過程是嗜，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挺尾。螺桿常見壓縮比見表1鹅搪。
▲ 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遭铺，如圖2所示丽柿。
2.2 螺桿的尺寸
(1)長度L的確定
螺桿直徑Ds=40 mm恢准。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甫题。所以螺桿的長度為L=40×20=800 mm顷歌。而通用螺桿不同段占的比例不一樣，加料段幔睬、壓縮段、均化段占的比例分別為50%芹扭、25%麻顶、25%，所以加料段舱卡、壓縮段辅肾、均化段的長度分別為400、200和200 mm轮锥。
(2)確定均化段螺槽深度h3和壓縮比i
螺槽深度(h3)越小矫钓，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舍杜。按照經(jīng)驗公式來算：一般h3=(0.04~0.07)Ds新娜。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的比值既绩，即i=h1/h3概龄。取i=2.1，則h1=i·h3=2.1×2.6=5.4 mm饲握。
(3)螺桿材料的選用
考慮到注射機(jī)螺桿的工作環(huán)境私杜，不僅要承受很大的作用力，而且要不斷地做往復(fù)運(yùn)動救欧。所以在選擇螺桿材料的時候要保證高強(qiáng)度衰粹、耐磨損及耐腐蝕，然后為了保證工作過程中的平穩(wěn)笆怠，螺桿的表面粗糙度一定不高于0.4 μm铝耻。所以材料一般選擇40Cr，為提高螺桿的耐磨性和耐腐蝕性骑疆，螺桿的表面要經(jīng)過噴涂處理田篇。
2.3 螺桿的強(qiáng)度校核
當(dāng)注射機(jī)壓力為30 MPa時，強(qiáng)度校核計算公式為：
經(jīng)計算箍铭，螺桿強(qiáng)度滿足要求泊柬。
3 傳動裝置的設(shè)計
3.1 電動機(jī)的選擇
(1)類型和結(jié)構(gòu)構(gòu)型式
考慮到在注射機(jī)啟動瞬間容易出現(xiàn)超載的情況，所以電動機(jī)的功率選擇要略大于螺桿工作功率诈火，因此選擇Y系列三相異步電動機(jī)兽赁。
(2)電動機(jī)的功率
查得：η1—聯(lián)軸器傳動效率状答，0.99；η2—每對軸承傳動效率刀崖，0.99惊科；η3—圓柱齒輪的傳動效率，0.97亮钦。
總傳動效率：
電動機(jī)所需功率：
電動機(jī)轉(zhuǎn)速：
3.2 減速器的設(shè)計計算
電動機(jī)型號為Y180L-6馆截，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(jī)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所示蜂莉。
▲ 圖3 齒輪傳動簡圖
(3)齒輪類型蜡娶、精度等級、材料及齒數(shù)的選擇
齒輪類型：直齒圓柱齒輪映穗。
考慮注射機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不高窖张，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蚁滋，布氏硬度為280宿接；
大齒輪材料：調(diào)質(zhì)處理的45鋼，布氏硬度240辕录。
齒數(shù)：當(dāng)小齒輪z1=24睦霎，則大齒z2=5×24=120。
(4)強(qiáng)度校核
按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計踏拜，設(shè)計計算公式為：
其中：K為載荷系數(shù)碎赢；T1為小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩；ZE 為彈性影響系數(shù)速梗；δH為接觸疲勞強(qiáng)度肮塞。
按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計，設(shè)計計算的公式為：
其中：K為載荷系數(shù)姻锁；T1為傳遞轉(zhuǎn)矩枕赵；YFa為應(yīng)力
校正系數(shù)；YSa為應(yīng)力校正系數(shù)位隶。
(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
查閱資料可知拷窜，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]涧黄。
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為注射力篮昧；Ds 為螺桿直徑；p為注射壓力笋妥。
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)計懊昨，所設(shè)計的注射系統(tǒng)包括傳動裝置、塑化裝置春宣、注射裝置三大部分[12]酵颁。傳動裝置采用了單級齒輪減速器和三相異步電動機(jī)滿足設(shè)計要求嫉你，電動機(jī)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)動躏惋。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幽污，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簿姨，能提高塑化效率距误，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)合扁位，由液壓缸活塞推動螺桿完成注射過程深寥，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)動贤牛，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则酝，待回退到融料量滿足需求時殉簸，螺桿停轉(zhuǎn)，并在注射液壓缸的推力下完成注射過程沽讹。所設(shè)計的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單般卑、性能可靠、制造容易的特點爽雄。
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