立式注塑机机械结构设计.doc

第1章 注射成型机的概述和发展趋势
1.1概述
注射成型机是将热塑性塑料或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型设备，是集机械、电气、液压于一体的塑料成型设备。随着现代工业和尖端科学技术的发展，塑料制件被越来越广泛地应用到国防工业、机械、电气、航空、交通运输、建筑、农业、文教、卫生及人们生活各个领域。
注射成型法是塑料制品的主要成型方法之一。它是利用注射装置将注射机筒中已经熔融的热塑性塑料或热固性塑料以高压、高速注入到闭合的成型模具型腔中，经冷却固化成型后，制成与模具型腔形状几乎完全一致的塑料制品。它具有以下特点：可成型形状复杂、尺寸精确及带有嵌件的是塑料制件；对各种塑料加工的适应性强；机器生产率高以及易于实现自动化生产等。因此注射成型技术及注射成型机得到极为广泛的应用，现在已成为塑料加工业和塑料机械行业中的一个重要组成部分。
1.2我国立式塑料注射成型机的技术水平及发展趋势
国内生产立式注塑机的厂家寥寥无几，一方面是由于市场的需求量不是很大，另一方面国内立式注塑机的研发技术水平还比较落后，生产的立式机市场竞争能力较弱。国内立式注塑机基本上通过进口来满足市场的需求，立式注塑机生产实力较强的企业主要分布在中国台湾地区，如台湾丰铁机械公司等，这些公司经过多年的生产实践经验，逐步掌握了立式注塑机的生产技术，在立式机的生产领域独领风骚。
近几年来, 世界上工业发达国家的注塑机生产厂家都在不断提高普通注塑机的功能、质量、辅助设备的配套能力,以及自动化水平。同时大力开发、发展大型注塑机、专用注塑机、反应注塑机和精密注塑机, 以满足生产塑料合金、磁性塑料、带嵌件和数码光盘制品的需求。
注塑机是目前中国塑料机械中发展速度最快、水平与工业发达国家差距较小的塑机品种之一。但这主要指普通型注塑机, 在特大型、特殊、专用、精密注塑机、立式注塑机等品种方面, 有的尚属空白, 这是与工业发达国家的主要差距。
当今世界，注射成型技术发展迅猛，新技术、新设备层出不穷。高度电脑化、自动化、单机多功能化、辅助设备多样化、组合迅速且安装、维修、保养便利将成为趋势。全电动注塑机、气辅和水辅注塑成型技术、多层注塑技术方兴未艾。用于瓶坯、光盘、磁性材料以及生产特种工程塑料薄壁产品的专用注塑机将愈来愈重要。为配合汽车等重工业领域发展的大型、超大型注塑机也将有更大的需求。目前，注塑机的总体技术发展趋势1、高速、高效、节能型注塑机2、精密注塑机3、大型注塑机4、全电动注塑机5、低发泡注塑机6、全液压注塑机7、多物料复合注塑机
随着塑料制品的广泛应用以及立式注塑机的不断投入使用，我国立式注塑机的发展将根据市场的需求，不断总结生产经验，以卧式机为鉴，推陈出新，掌握其重要生产技术，不断提高国内企业的自主研发能力，不断缩小与发达国家的差距，促进我国立式注塑机的蓬勃发展。
1.3课题研究意义
国内外权威人士认为，21世纪在材料领域将是塑料的天下。由于塑料的可再生特点，塑料制品对于其它材料的可替代性，决定了塑料工业将持续发展，在农用灌溉、产品包装、建筑材料、汽车构件、信息产业、生命科学都有广泛应用，这是我国塑机产业能够持续繁荣发展的市场前景。与西方发达国家年人均塑料消费品100多公斤相比，我国年人均塑料消费品不足13公斤。因此，我国的塑料机械工业将有极大的发展潜力,尤其是立式注塑机,其在我国的市场占有率较低，因此研究设计立式注塑机可在一定程度上填补国内注塑机行业的空白,而且立式注塑机具有占地面积较小，容易安放嵌件，装卸模具较方便等优点,适应于复杂、精巧产品的自动成型及嵌件成型、模内组合成型, 被广泛应用于国防、机电、汽车、交通运输、建材、包装、农业及人们日常生活等各个领域。因此研究立式注塑机对塑料工业的发展及塑料制品的生产具有重要的现实意义。
第2章 总体设计方案
2.1合模装置的初步设计
注塑机的合模装置按工作原理分主要有液压式和肘杆式两种。
液压式合模装置的优点如下：在油缸已定的情况下，合模力仅与工作油的压力有关，因此要改变合模力可直接通过调节工作油的压力来实现，调整方便，读数易于显示；若油缸已定，移模速度仅取决于油泵的流量，在移模的过程中，油泵的流量不变，其移模速度不变；动模板在油缸行程范围内的任意点，可以停止并施压，故对不同厚度的模具适应性好，合模时，模具和模板因仅受活塞杆推力的作用故受力比较均匀。而肘杆式合模装置相对于液压式而言，尺寸较大，在工作过程中容易受力不均,从而影响立式注塑机的稳定性及工作性能。故设计时采用液压式合模装置。
2.2锁模方式的初步设计
一般立式注塑机的锁模方式有:上模固定，下模上升闭模；下模固定，上模下降闭模。前者由于要克服模具的重力，对注塑机的合模系统有特殊要求；后者可利用模具的重力进行合模，在相同的条件下可增加合模力。故设计时采用后者，即下模固定，上模下降闭模。
2.3注射装置的初步设计
注塑机塑化注射装置基本上有双阶柱塞式、螺杆柱塞式和往复螺杆式。前两种共同存在着以下缺点：料筒内滞料现象严重；料筒清理不方便；结构上不够紧凑等。而往复螺杆式同柱塞式相比具有如下优点：塑化能力大；塑化速率快、均化好；注射压力损失小；结构紧凑、熔料停滞分解现象少、清理料筒方便等。故设计时采用往复螺杆式注射装置。
2.4驱动装置的初步设计
注塑机常用的驱动方式有油马达和电动机。目前除大型注塑机考虑使用电动机驱动外，其余绝大多数均使用油马达直接驱动螺杆。采用油马达驱动主要有以下优点：可在比较大的范围内实现螺杆的无级调速；一般属于恒力矩传动；传动特性软、启动惯性小、不会超负荷工作；对螺杆能起安全保护作用；液压马达体积比同规格的电动机小得多，传动装置易于实现体积小、重量轻、结构简单的要求等。故设计时采用液压马达驱动装置。
2.5液压油缸的布置形式
为了降低立式注塑机的重心，提高注塑机的稳定性，注射油缸、移模油缸及合模油缸均采用双缸对称布置。
2.6模板的平面布置形式
注塑机模板的平面布置形式有二柱式、四柱式、C式卧放、D式立放。二柱式在受偏载或者模板面积较大时，容易引起模具开缝溢料，主要用在小型机器上。四柱式因承载大，定位导向性能好，较为普遍采用。至于采用C式卧放还是D式立放，主要从便于模具的安装和操作来考虑。设计时采用四柱式布置。

第3章 注射系统的设计
注射系统在工作过程中具有塑化、注射和保压的功能,其必须满足以下要求：
(1)在预定的时间内能将固态的塑料熔融塑化为黏流态的物料，并且能按预定的熔料量、温度为注射成型提供均匀的熔料；
(2)根据工艺要求能将塑化好的熔料以适合的压力和速度注射入模具的型腔中；
(3)当完全充模后，能在预定的时间内持续对模腔中的熔料保持一定的压力，保证制品的补缩和彻底排掉气体。
注射系统的主要组成部分包括塑化注射装置、驱动装置和计量装置等。塑化注射装置由螺杆、机筒及加热冷却元件组成，在螺杆头部还可设置防止熔体倒流的止逆环或各种剪切混炼元件。螺杆驱动装置主要由减速器机构、主轴套和旋转驱动电动机或液压马达组成。计量装置是由支架和行程挡块组成的装置，它与螺杆预塑后退动作相联系，起塑化和计量作用。
3.1螺杆的设计
注射螺杆是注射系统中最关键的零部件。注射螺杆具有塑化物料和将物料注进模具型腔的功能。塑化时，机筒的加热和螺杆的转动使塑料在往前输送的过程中实现塑料的熔融，将固态塑料变为黏流态的熔体；注射时，螺杆往前移动将机筒前端的熔体注射进模腔中。螺杆的结构和工作特性对注射成型机的生产效率和注塑制品的质量都有很大的影响。螺杆的主要技术参数有螺杆直径、螺杆的长径比、螺杆的行程、螺杆的转速、螺杆的扭矩、螺杆的驱动功率、螺杆的塑化能力等。
3.1.1螺杆的直径
螺杆直径。
3.1.2螺杆的长径比
长径比大的螺杆，可以得到低温均质的熔体和稳定的挤出以及高的塑化能力，这在挤出机的螺杆设计中已经了解到。但是注射螺杆仅作预塑用，塑化时出料的稳定性对制品质量的影响甚小，并且塑料塑化时所经过的时温历程要比挤出螺杆要长。所以，注射螺杆的长径比，没有必要取得像挤出螺杆那样长。一般在18～22之间，长的也很少超过24就能满足要求。从设计制造和使用的角度来看，也是希望用效果相近而长度较短的螺杆。这样对螺杆机筒的制造、缩短机身长度、减轻机器的重量以及对机筒的清理方面都会带来好处。设计时取螺杆的长径比为20。
3.1.3螺杆的长度L
一般根据螺杆的长径比来确定螺杆的长度。
螺杆的长径比为20，则螺杆的长度mm。
3.1.4螺杆的螺纹螺距S及螺纹角θ
为了方便螺杆的加工，一般取螺纹螺距mm，螺纹升角θ=17º40´。
3.1.5螺杆螺棱法向宽度e
一般e=(0.08～0.12) ，这里取。
3.1.6螺杆的转速n
螺杆的塑化能力与螺杆的转速成正比。在一般情况下螺杆的塑化能力随着螺杆转速的增加而增加。但在较高的转速条件下，其塑化能力的增加也非正比增加，有时却相反。这是由于螺杆加料处的摩擦条件在改变，甚至发生料加不进的现象。对于结晶型熔解热大的塑料，高速时如对机筒温度不作相应调整，则会因料不能得到充分地预热而使塑化能力得不到提高。此外，螺杆转速又关系到螺杆对塑料的剪切速率和熔料的轴向温差，故对热敏性塑料（PVC等）螺杆转速要低，而对热稳定性好、粘度低的塑料（PS、PE等）需要较高的转速。因此，对螺杆转速的确定，主要根据塑化能力、剪切均化等方面的要求来确定。
查阅《塑料材料学》，各种常用塑料注塑时所需螺杆的转速如表3-1：
表3-1 各种常用塑料注塑所需螺杆的转速
材料
LDPE
HDPE
PP
HPVC
PS
ABS（通用型）
PMMA
PC
MPPO
转速
<80
30～60
≤80
28
70
30～60
20～30
40～70
73

设计时取螺杆的最高转速n=80 r/min。
3.1.7螺杆的结构及各段的长度、螺槽的深度
注塑机在使用过程中，由于经常需要更换塑料品种，所以拆换螺杆也比较频繁。停机调换螺杆不仅强度大，同时又会影响机器的生产效率。因此，设计一种适应性比较强的通用性螺杆，通过调整工艺条件（温度、螺杆转速、背压等）来满足不同塑料制品的加工要求。这样可免于经常更换螺杆，同时也可降低机器的成本。故设计时采用通用型螺杆，既可加工非结晶型塑料，又可加工结晶型塑料。
参考《塑料机械设计》表2-3-2，通用型螺杆各段的长度分别为：
加料段：50～60％ L
压缩段：20～30％ L
均化段: 20～30％ L
,
，
,
对于通用型螺杆均化段槽深取加料段的槽深压缩段如图3-1所示：

图3-1 螺杆各段的尺寸

3.1.8螺杆的行程s
螺杆的行程一般取为3.5 (螺杆的直径)左右为宜。
故设计时取
3.1.9螺杆与机筒的间隙δ
螺杆与机筒的间隙值是设计时的重要数据,间隙大了,将会使塑化能力下降和注塑时熔料的回泄量增加。反之,间隙小了又会增加制造方面的困难和螺杆的功率消耗。根据实际使用情况，根据JB/T7267—94表4，当螺杆的直径为15～30mm时，螺杆与机筒的最大径向间隙δ≤0.12mm。
3.1.10螺杆的驱动功率及扭矩
参考《塑料机械设计》，按照经验公式计算。
螺杆的驱动功率计算公式如下：

式中:
—螺杆的驱动功率（kw）；
—由螺杆结构参数及传动方式有关的系数，取C=0.00016；
—螺杆的直径（cm）；
n —螺杆的转速（r/min）。
其中

故
螺杆扭矩的计算公式如下：

式中:
—螺杆扭矩（）；
D—螺杆的直径（cm）；
—比例系数，对于热塑性塑料；
—由树脂性能而定的指数，。
螺杆的扭矩：
。
螺杆的扭矩需留20％～30％的余量，以作备用，故
。
3.1.11螺杆的材料
螺杆的材料一般为氮化钢（38CrMoAl）或其它合金材料。
3.1.12螺杆的技术要求
螺杆的表面硬度为调质HB220-270,螺杆工作表面的粗糙度不低于Ra3.2µm。
3.2螺杆头的设计
最高的压力发生在螺杆最前端的螺杆头位置，因此，从加工的观点来说，可藉由装配一个闭锁组件，避免材料回流到后面的牙部之中；此种情形在射出及保持压力阶段特别地重要。最简单的设计，就是在螺杆前端加装一个比螺杆根径大的螺杆头，由于在螺杆头及料管之间的间隙相当的小，使得压力升高且避免材料回流；而螺杆的角度在６０～９０度之间。无论如何，如果要做到完全的防止回流，那么一定要使用止逆阀才可以。
这次设计采用一般适合热塑性塑料的螺杆头，实图如下。增加输出量的螺牙设计，在射出阶段时，避免材料的堆积以及防止回流。材料选用45号钢，进行调质HB220—270热处理。结构图如图2-8
3.3料筒的设计
料筒是注射系统中的一个重要零件，它与螺杆共同完成对塑料的输送、塑化和注射工作。
3.3.1料筒的内径Db及外径D0
机筒内径根据螺杆的直径取，机筒采用整体式结构。
为了使机筒具有足够的热容量和合适的热惯性，根据经验一般取机筒外径和内径之比为2～2.5，设计时取机筒外径。料筒基本结构如图2-11所示。
图2-11料筒基本结构

1-电热圈；2-螺孔；3-加料口
3.3.2料筒的材料
料筒材料常用38CrMnAl。
3.3.3料筒的技术要求
料筒内面氮化处理深0.5mm,硬度Hv900～1000，粗糙度应在Ra1.6µm以上。机筒外表面用砂布打磨干净。
3.4喷嘴
喷嘴是机筒与模具之间的连接零件。注射时，在螺杆推力的作用下，熔体以很高的流动速度通过喷嘴而注入模具的型腔。当熔体以高速流经小孔径的喷嘴时，会受到很大的剪切作用，此时有部分压力能在克服阻力时转变成热量，使熔体的温度升高，对熔体起进一步的塑化和均化作用；另一部分压力能则转变为速度能，使熔体的流速加快；在保压阶段，少量的熔体经过喷嘴进入模腔，补充制品冷却收缩所需的熔体。因此，喷嘴设计的是否完善，会影响到注射熔料的压力损失、剪切热的多少、补缩作用的大小和射程的远近。
3.4.1喷嘴的结构形式
注射时，塑料熔体在螺杆的推动下，以极高的剪切速度流经射嘴而进入模腔。在这种高速剪切作用下，熔体温度快速升高。特别是对于粘度较高的PVC、PP-R、PMMA、PC、高抗冲击ABS等，过小的喷嘴孔直径会造成塑料的高温分解。而对于充模困难的薄壁精密制品，则宜用射程较远的喷嘴，对于厚壁制品则需要补塑作用好的喷嘴。另外，对于某些熔体粘度很低的塑料(如PA等)，需要使用具有防流涎功能的自锁喷嘴。在许多机器上，除了针对一般粘度的通用型喷嘴，还有自锁喷嘴、PVC喷嘴、PMMA喷嘴等特殊喷嘴可供选用，如果需要，也可以选用射程较远的针对薄壁制品的专用喷嘴。
这次选用的是适合用于热塑性塑料的喷嘴。如下图2-10

3.4.2喷嘴的口径
喷嘴的口径关系到熔料的压力损失、剪切发热及其补缩作用。参考《塑料机械设计》表2-3-16，当机器的注射量为30～200g时，HPVC要求的喷嘴口径为3～4mm。设计时取喷嘴的口径为5mm。
3.4.3喷嘴球半径
喷嘴的头部形状采用球形。根据JB/T7267-94表3，当拉杆有效间距为280～449时，注射喷嘴球半径为13mm。
第4章 合模系统的设计
合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及顶出制品的部件。因此，合模装置的性能好坏，直接关系到成型制品的质量和数量。一个比较完善的合模装置，应该满足在规定的注射量范围内，对力、速度、安装模具与取出制品时空间位置这三方面的要求，即
(1)机构要有足够的合模力和系统刚性，保证模具在熔料的压力作用下，不产生开缝溢料的现象；
(2)模板要有足够的安装模具的面积和启闭模具的行程，以适应成型不同制品或模具的要求；
(3)模板在启闭的过程中，有一个比较理想的变速过程，即运动速度应是慢—快—慢的变化过程。这样，既可以使制品平稳顶出，模具安全运行，又能提高机器的循环次数。
此外，合模装置还应备有一些必要的其它装置（如顶出制品装置、抽芯装置和安全保护装置等）。
合模装置是由模板、拉杆、合模机构等组成的一个力的封闭系统，合模装置在工作过程中，其大部分零件均在较大的变载作用下工作。因此，这些受力零件必须具有足够的强度和刚度，以保证合模装置可靠地工作。合模装置的设计，就是根据合模装置的受力情况，在满足强度或刚度的条件下，进行结构设计。
4.1导柱的设计
导柱是连接前后模板承受合模力和保证动模板平行移动的重要零件，是动模板的导向基准。它承受着合模力的拉伸作用和运动部件的重力作用。因此，导柱必须具有足够的强度和刚度，导向表面应有足够的精度、硬度和低的表面粗糙度。在导柱的结构设计中，应考虑到提高其耐疲劳能力，故在导柱截面变化处应有圆弧过渡并设置必要的卸荷槽，以减少应力集中和提高其耐疲劳能力。
4.1.1导柱的直径
在一般情况下，合模装置承受偏心载荷的作用比较小。加上构件的刚性较大，偏载所形成的影响就更小了。对于立式注塑机，导柱主要受到合模力对拉杆的拉伸应力。所以，将导柱可简化为受纯拉伸的杆件，其强度条件以下公式来确定。

式中 ：
—合模力（N）；
—导柱直径（cm）；
—导柱根数；
—拉杆材料的许用拉伸应力，取为=8500N/cm³。
合模力给出，拉杆根数Z=4，所以按纯拉伸计算，初选拉杆直径

考虑到模板的安装固定，取拉杆直径。
4.1.2导柱的固定
导柱与上模板的固定采用轴肩支撑双螺母锁紧的方式。
导柱与合模油缸支撑板的固定采用直接与该板螺纹联结，并用薄螺母锁紧。
4.1.3导柱的材料
导柱的材料采用45钢。
4.1.4导柱的技术要求
导柱调质处理，硬度为220-250HBS，表面粗糙度不大于0.8µm，直度允差不大于0.05/1000。导柱的导向面与模板导柱孔的配合应保证必要的导向精度，一般可选为H7/f7～H8/f7。
4.2模板的设计
模板主要用于安装成型模具、导柱、合模机构、顶出机构等，并和导柱构成一个力的封闭系统，在合模时将成型模具锁紧。模板结构和加工精度及其刚度都将直接影响到机器的使用性能。
4.2.1模板模具安装螺孔的排列及尺寸
4.2.2上模板的基本尺寸
根据《塑料机械设计》，模板的面积（H×V）大约是拉杆间有效面积（）的2.5倍。
设计时取 。
具体尺寸如图4-2所示：

图4-2 上模板的尺寸

上模板的定位孔直径根据JB/T7267-94表3，拉杆有效间距为280～449时，模具的定位孔直径为mm。
4.2.3下模板的基本尺寸
下模板的尺寸除应能保证拉杆的有效间距及承受模具外，还要考虑合模液压缸的安装尺寸及其连接，具体尺寸见图4-3所示：

图4-3 下模板的尺寸

由于下模板上要设置顶出装置，故下模板顶出孔直径的大小根据顶出液压缸的活塞杆的直径的大小来确定，初步取顶出孔的直径与活塞杆的直径相同，活塞杆直径的设计见后。
4.2.4上下模板间的最大距离
设计任务书中给出模具最大厚度为280mm，模具最小厚度为100mm，上模板的行程一般不小于模具的最大厚度，故取=280mm。
对于液压式注塑机，模板间的最大距离=+=280+100=380mm。
4.2.5模板的厚度
模板的厚度可根据剪切强度进行校核计算。
初步取模板的厚度h=60mm。

式中：
τ—剪切应力；
—合模力；
—模板的厚度；
—模具安装最小截面的周长；
—缸盖材料的许用应力。
，
根据模板上螺纹孔的排列，估算模具安装截面的周长
，
，
∴，
故所取模板厚度满足要求。
4.2.6模板的材料
模板的材料为35或45钢的铸锻件。设计取为45钢。
4.2.7模板的技术要求
模板是拉杆的定位基准，为了使上模板运动自如和模具闭合时四周均匀贴合，模板的拉杆孔应平行，并和中心对称。模板做固定模具用的工作面应保持平行，在100mm内不平行度允差不超过0.03mm。工作面的平面度的极限偏差≤0.05mm，拉杆孔中心对工作面的垂直度允差为0.03：100mm。
4.3顶出装置的设计
为了取出模内制品，在各类的合模装置上均需设置顶出装置。顶出装置设计得是否完善，将对制品质量和产量都有较大的影响。对顶出装置的要求主要有如下几点：
(1)顶出位置可选、行程可调、顶出次数可随意，直到顶出制品落下为止；
(2)力量足够，速度合适；
(3)操作方便。
目前注塑机上主要使用的顶出形式有 ：机械顶出、液压顶出、气压吹出数种。
机械顶出结构简单，但这种装置必须在快速开模转为慢速时才能进行顶出，从而影响到机器的循环周期。而且顶出时，模具上的顶板（顶杆）复位，需要在闭模后当模具的顶板（顶杆）脱离机器的顶杆后才能实现。这对加工需复位后才能安放嵌件的模具就很不方便，因而不予采用。
液压顶出由于顶出力量、速度、位置、行程以及次数都能得到方便的调节，可自行复位，因而使用方便，能适应多种场合，有利于缩短机器的循环周期，简化模具结构设计和适应自动化生产的要求，故设计时采用液压顶出，即用专门设置在下模板上的顶出油缸进行顶出。顶出油缸设置在下模板中心，为单杆中心顶出。
第5章 液压装置的设计
5.1 液压马达设计
5.1.1 选择液压马达
密度：一般塑料密度范围为0.92~1.09克/厘米^3
理论注射质量为60g，那么理论注射容量为60g×（0.92~1.09）g/cm^3=(55.2~65.4) cm^3所以理论注射容量定为66 cm^3。

螺杆转速 =294r/min （高熔体

速度，v=0.4～1.5m/s）
选用BMD-E160作为这次设计的注塑机的螺杆驱动装置。BMD系列摆线液压马达是一种内啮合摆线齿轮式小型、低速、大扭矩液压马达。它的结构简单，外观新颖，底速稳定性好使用寿命长。实物图如图2-2

BMD-E160液压马达主要技术参数如表2-2所示
型号
公称排量ml/r
工作压力MPa
输出扭矩N·m
转速r/min

额定
最高
额定
最高
额定
最高

BMD-E160
160
14
17.5
267
334
300
375

5.1.2马达的布置及其与螺杆的连接
马达与螺杆呈一线排列，双注射油缸布置在马达的两侧。这种布置要求液压马达需同螺杆一起作轴向位移，液压马达与螺杆的联结方式为固定式。
5.1.3液压马达的固定
由于马达上有安装孔和定位端面，因此，可在两注射油缸间焊接一支板，采用M10的螺钉连接，马达定位端面配合采用H9/f9。
5.2注射油缸的设计
5.2.1活塞杆的设计
活塞杆是把活塞组件上还原而来的机械能施功于负载的零件，是液压传递机械力的主要零件。在不同的工作环境下承受压缩、拉伸、弯曲、振动、冲击，甚至扭转等载荷的作用，所以要求它具有足够的强度、刚度和稳定性，而且还要具有耐磨性和耐腐蚀性。
(1) 活塞杆的材料及其技术要求
材料采用45钢,粗加工后要调质处理,硬度HB=230～285,最后要表面高频淬火，HRC=45～55。活塞杆的摩擦密封面一般镀铬,并抛光,镀铬层厚度0.03～0.05mm。
(2) 活塞杆的直径
根据强度要求计算活塞杆的直径

式中：
—注射压力；
—螺杆的直径；
—活塞杆材料的许用应力。

∴ 。
根据《机械设计手册》第五卷表37.7-2,取活塞杆直径。
5.2.2缸体的设计
缸筒的技术要求高，工艺过程复杂，是液压缸中较难加工的零件，所以在设计中的技术要求应合理适当。要求过低会影响整个液压缸的工作性能和使用寿命，要求过高会导致生产成本的提高。
(1) 缸体的内径
根据《机械设计手册》第五卷表37.5-9，当速比为1.46，活塞杆直径为40mm时，缸体内径为70mm。
(2) 缸体的壁厚
初步计算系统的工作压力
由于活塞杆固定，因此，注射时，活塞杆端为进油口，另一端为出油口；螺杆撤退时与之相反。系统简化工作原理图如图5-2所示：

图5-2 注射油缸系统工作原理示意图

注射时活塞杆受拉，回退时活塞杆受压。根据系统工作平衡条件得

式中：
—液压缸的机械效率；
—注射油缸进油腔的压力；
—注射油缸回油腔的压力；
—马达的重力；
—注射压力；
—螺杆的截面积；
—注射油缸进油腔的截面积；
—注射油缸回油腔的截面积。
，
根据《机械设计手册》第五卷表37.5-5,当回油路设置有背压阀的系统时，背压力为0.5～1.5MPa,设计时取，

∴
根据《机械设计手册》第五卷表37.7-64，当系统压力P=31.5MPa时，缸体外径为54mm，故缸体的壁厚。
缸体壁厚校核
根据《机械设计手册》第五卷公式37.7-24,
当时,

式中:
—缸体壁厚；
—缸体的内径；
—试验压力（MPa），当工作压力时，；
—缸体材料的许用应力；
—强度系数，对于无缝钢管，=1；
c—计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度。
，
，
，
∴ 。
∴ 满足要求，故缸体外径取为90mm。
(3) 缸体的材料及其技术要求
缸体材料为45钢无缝钢管调质，调质到HB241～285，缸体内径采用H9配合。
5.2.3活塞的设计
(1) 活塞的外径
活塞外径与缸体内径一致，采用间隙配合。
(2) 活塞的宽度B
根据《液压与气压传动》第2版，活塞宽度,D为缸体内径。
设计时取。
(3) 活塞与活塞杆的连接
活塞与活塞杆采用一端轴肩固定，一端螺母锁紧。
(4) 活塞的材料
活塞的材料采用45钢表面镀铬。
5.2.4缸盖的设计
(1) 缸盖的材料
缸盖的材料选用45钢。
(2) 缸盖的厚度
缸盖的厚度按剪切强度计算。

，

式中:
—剪切应力；
—注射油缸进油腔的压力；
—注射油缸进油腔的截面积；
—缸体内径；
—缸盖的厚度；
—缸盖材料的许用应力。

，

∴ 。
缸盖油孔的大小根据《机械设计手册》第五卷表37.9-14，当公称压力为40MPa时，取内孔径d=10mm，管螺纹连接尺寸为M12×1.5，油孔开在缸盖的侧面。考虑油管的连接以及其他安装尺寸，取缸盖的厚度h=20mm。
(3) 缸盖的连接
缸盖的连接采用螺钉与缸体上的法兰连接。采用法兰连接具有以下优点：结构比较简单；易加工，易装卸。
5.2.5注射油缸的行程
由于螺杆的行程为70mm，故注射缸的行程S≥70mm，根据《机械设计手册》第五卷表37.7-3，取S=80mm。
5.2.6注射油缸的固定
注射油缸通过活塞杆端部的螺纹与安装于移模油缸缸盖的螺母连接，并用六角螺母锁紧。
5.2.7注射油缸的密封
注射油缸的密封形式采用橡胶圈密封。橡胶圈密封是一种使用耐油橡胶制成的密封圈，这种密封装置结构简单，制造方便，磨损后能自动补偿，密封性能随着压力的加大而提高，因此密封可靠，对密封表面的加工要求不高，所以应用极为广泛。O形密封圈是橡胶密封圈的一种，设计时采用该类密封圈。活塞与缸体间用两个O形密封圈密封，活塞与活塞杆之间用O形密封圈密封，缸盖与法兰之间，活塞杆与导套之间也采用O形密封圈密封。
5.2.8缓冲装置的设计
为了避免活塞在行程两端撞冲缸盖，产生噪声，影响工件精度以致损坏机件，常在液压缸两端设置缓冲装置。其作用是利用对油液的节流原理来实现对运动部件的制动。设计通过使用缓冲套和在端盖开设梯形孔进行缓冲。
5.3移模油缸的设计
由于移模油缸在工作过程中所需压力较小，因此，在零部件的设计上可选取部分尺寸与注射油缸相同。仅在活塞杆的长度和缸体的长度方面需根据螺杆与机筒的尺寸来确定。具体尺寸可在绘图的过程中逐步确定。
5.4合模油缸的设计
由于合模油缸在工作的过程中，还要承受上模板以上零部件的重量，故在设计之前，先估算这些零部件的重量。这些零部件主要有注射油缸、移模油缸、上模板、机筒、螺杆、机筒支架、液压马达、马达支架等，重点估算这些零部件的重量。
液压马达的质量在马达的参数中已知，
马达支架的重量

注射油缸重量的计算
单个注射缸各部分零件体积的计算

材料均为45钢，45钢的密度ρ=7.85g/cm3
故单个注射油缸的质量为

移模油缸的重量
移模缸各部分零件体积的计算

机筒的重量的计算

机筒架的重量

螺杆的重量

螺杆的材料为38CrMoAl，其密度ρ=7.72 g/cm3

上模板的重量

上模板以上零部件的重量总计如下：

故上模板以上部分的重力

5.4.1活塞杆的设计
(1) 活塞杆的材料及其技术要求
材料采用45钢,粗加工后要调质处理,硬度HB=230～285,最后要表面高频淬火，HRC=45～55。
(2) 活塞杆的直径
根据拉伸强度要求计算活塞杆的直径
由 得

式中：
—合模力；
—活塞杆的直径；
—活塞杆材料的许用应力。
，，

根据《机械设计手册》第五卷表37.7-2,取活塞杆直径。
5.4.2缸体的设计
(1) 缸体的内径
根据《机械设计手册》第五卷表37.5-9，当速比为2，活塞杆直径为56mm时，缸体内径为80mm。
(2) 缸体的壁厚
按照拉伸强度要求计算缸体壁厚。

式中：
—缸体的外径；
—合模力；
—缸体材料的许用拉伸应力；
—缸体的内径。
，
,
,
∴
设计时，尽可能减小注塑机的体积与重量，取。
(3) 缸体的材料及其技术要求
缸体材料为45钢无缝钢管调质，调质到HB241～285，缸体内径采用H9配合。
5.4.3系统的工作压力
由于活塞杆固定，因此，合模时，活塞杆端为进油口，另一端为出油口；开模时与之相反。系统简化工作原理图如图5-3所示：

图5-3 合模油缸的系统工作原理示意图

注射时活塞杆受拉，回退时活塞杆受压。根据系统工作平衡条件得

式中:
—液压缸的机械效率；
—合模油缸进油腔的压力；
—合模油缸回油腔的压力；
—上模板以上部分的重力；
—合模力；
—合模油缸进油腔的截面积；
—合模油缸回油腔的截面积。
，
根据《机械设计手册》第五卷表37.5-5,当回油路设置有背压阀的系统时，背压力为0.5～1.5MPa,设计时取，
，

,
∴ 。
故系统的压力较高，在必要的时候，可使用增压缸以减轻油泵的压力。
5.4.4活塞的设计
(1) 活塞的外径
活塞外径与缸体内径一致，采用间隙配合。
(2) 活塞的宽度B
根据《液压与气压传动》第2版，活塞宽度,D为缸体内径。
设计时取。
(3) 活塞与活塞杆的连接
由于活塞与活塞杆的直径相差较小，故将活塞与活塞杆做成一体。
(4) 活塞的材料
活塞的材料采用45钢表面镀铬。
5.4.5缸盖的设计
(1) 缸盖的材料
缸盖的材料选用45钢。
(2) 缸盖的厚度
按许用剪切强度计算

，
，

式中:
—剪切应力；
—注射油缸进油腔的压力；
—注射油缸进油腔的截面积；
—缸体内径；
—缸盖的厚度；
—缸盖材料的许用应力。
，
，
，
∴ 。
缸盖油孔的大小根据《机械设计手册》第五卷表37.9-14，当公称压力为40MPa时，取内孔径d=12mm，管螺纹连接尺寸为M22×1.5，油孔开在缸盖的侧面。考虑油管的连接以及其他安装尺寸，取缸盖的厚度h=50mm。
(3) 缸盖的连接
缸盖的连接采用螺钉与缸体上的法兰连接。
计算导柱螺钉的尺寸
初步取螺钉为M12，螺钉个数为8个。
螺纹处的拉应力:

式中：
—螺纹拧紧系数，静载时，取K=1.25～1.5；
—螺纹内径；
—螺钉数目；
—螺纹处所受拉力；
—螺钉材料的许用应力。
，
，
，
，
螺钉材料为45钢，故，
∴，
故M12满足要求。
5.4.6合模油缸的行程
由于模板的行程为280mm，故合模缸的行程S≥280mm，根据《机械设计手册》第五卷表37.7-3，取S=300mm。
5.4.7合模油缸的固定
合模缸一端通过活塞杆端部的螺纹与安装于下模板上的螺母连接，并用六角螺母锁紧；另一端通过底部缸盖用螺钉与合模缸支撑板连接。
5.4.8合模油缸的密封
活塞与缸体间用两个O形密封圈密封，缸盖与法兰之间，活塞杆与缸盖之间也采用O形密封圈密封。
5.4.9缓冲装置的设计
合模油缸缓冲装置的设计考虑到缸体内部尺寸，仅在端盖上开梯形孔进行缓冲。

结束语
注塑机是塑料成型机中最常的成型机，而塑料成型机械制造业是一个新兴工业，随着塑料工业的发展，塑料成型机械的制造已成为现代工业中的一个重要行业，虽然现在还很年轻，但发展前景十分广阔。只有掌握注塑机的基本内容，才能够把发展我国的注塑机，提高注塑机的水平，缩短与一些发达国家的注塑机的差距变为现实。这次的设计主要对注塑机的注塑装置的结构进行设计，掌握了注塑机的工作原理和结构组成，由于时间的关系，对注塑机还有很多有待学习的部分，由于这次设计的时间限制，又不具备试验的条件，就主要对注塑机的注射装置的结构原理部分进行掌握设计，对加热、冷却等系统未作进一步的研究，而各种材料的选取也只采用了类比的选法，未作进一步的校验。

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