宁波大学《液压传动与控制》课程报告之一注塑机工作原理及液压系统的分析

注塑机工作原理及液压系统的分析XX(宁波大学机械工程与力学学院)摘要：本文首先介绍了注塑机的现状和发展，进一步从注塑机的基本工作原理，注塑机中液压泵和液压缸的功能、类型及要求，注塑机对液压系统的要求，典型注塑机液压系统特点等几个方面介绍了注塑机。关键词：注塑机液压系统工作原理液压泵液压缸0前言通过密闭液体处理传递力或传递运动的科学叫做“液压学”，液压学一词源于希腊语“hydros”，它的意思为水。液压学科学开始于一名叫布莱斯·帕斯卡的人发现的液压杠杆传动原理。1795年，在约瑟·布拉姆制造的水压机中首次使液压得到了实际使用。由于液压系统在传递中具有用途广、效率高和简单的特点,它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工以及各个工程技术领域。塑料注射成型中，液压传动的作用非常重要，是注塑机的关键组成部分。塑料注射成型技术是根据压铸原理从十九世纪末二十世纪初发展起来的，是目前塑料加工中最普遍采用的方法之一。该法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料(约占塑料总量的1／3)。1注塑机概况1.1注塑机简介注塑成型机简称注塑机。注塑机具有能一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品，被广泛应用于国防、机电、汽车、交通运输、建材、包装、农业、文教卫生及人们日常生活各个领域。注射成型工艺对各种塑料的加工具有良好的适应性，生产能力较高，并易于实现自动化。在塑料工业迅速发展的今天，注塑机不论在数量上或品种上都占有重要地位，从而成为目前塑料机械中增长最快，生产数量最多的机种之一。1.2注塑机的现状和发展从50年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有50多年的历史。目前在工程塑料业中，80％采用了注射成型。近年来由于汽车、建筑、家用电器、食品、医药等产业对注射制品日益增长的需要，推动了注射成型技术水平的发展和提高。从注射机问世起，中小型注射机占绝大多数。到了70年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注射机得到了迅速发展。80年代以来，CAD／CAE／CAPP／CAM计算机应用技术在塑机制造业的广泛采用，促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。未来注塑机将会品种多样，功能强大，节能，使用维护方便，人性化设计，从而推动塑胶工业向着更高的方向迈进。2注塑机工作原理注塑成型是利用塑料的热物理性质，把塑胶料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加热，使物料熔融，再由油马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化，熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程，然后，螺杆在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高压，将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，开启模具，并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出落下，注塑成型是一个循环过程。3注塑机液压系统注塑机液压系统受电气控制系统的推动，通过液压传动系统去推动机械传动部分，也可以说是注塑成型各动作的动力源，依靠液压执行元件推动机械传动系统工作，将液压能转换为机械能。液压传动系统主要以动力元件油泵为核心器件，通过控制元器件（各种流量、压力和方向阀）驱动执行机构运动，油马达推动螺杆进行旋转运动来塑化塑料，液压系统的辅助元件为液压传动系统服务。液压系统还提供储油、过滤、散热、沉淀杂质、冷却压力油和显示压力值等项工作。液压系统的每部分都与注塑成型产品息息相关，与机械传动、电气控制息息相关。所以，液压传动系统为注塑成型生产不可缺少的一个重要组成部分。3.1液压泵液压泵是为液压系统提供压力的核心元件，也是系统压力的压力源。它由原动机（电动机或内燃机）驱动，配合压力阀、流量阀、方向阀把输入的机械能转换成为油液的压力能再输出到系统中去，为执行元件提供动力。其性能好坏直接影响系统是否正常工作，影响注塑成型各动作的性能可靠稳定和注塑成型产品质量。3.1.1液压泵的类型当今的大部分机器使用以下三种类型之一的液压泵：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵。其中齿轮泵按齿形曲线的不同可分为渐开线齿形和非渐开线齿形两种；按齿形啮合形式的不同可分为外啮合和内啮合两种。叶片泵按其结构来分有单作用式和双作用式两大类。柱塞泵有两种类型：轴向柱塞泵和径向柱塞泵。轴向泵的柱塞安装在与泵的中心管线（轴）平行的管线上，而径向泵的柱塞从泵中心向外伸展。两种类型的泵均使用往复式活塞。柱塞前后运动，但是它们由旋转运动驱动。三种类型的泵均以转动原理运行，泵内部的转动装置推动液体流动。各种液压泵的技术性能和应用范围性能参数齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵外啮合内啮合单作用双作用轴向径向轴配流卧式轴配流楔块式摆线转子式直轴端面配流斜轴端面配流阀配流压力范围／MPa≤25.0≤30.01.6～16.02.5～10.0≤6.36.3～32.0≤10.0≤40.0≤70.010.0～20.0≤40.0排量范围／(mL/r)0.3～6500.8～3002.5～15025～15001～3200.5～4800.2～5600.2～3600≤42020～7201～250转速范围／r·min-1300～70001500～20001000～45001000～2300500～2000500～4000600～2200600～1800≤1800700～1800200～2200最大功率／kW120350120390303207302660750250260容积效率(%)70～95≤9680～9070～9585～9280～9488～9388～9390～9580～9090～95总效率(%)63～87≤9065～8070～8564～8165～8281～8881～8883～8881～8383～88功率质量比／kW·kg-1中大中小小中大大大中中最高自吸能力／kPa50404063.533.533.516.516.516.516.516.5流量脉动(%)11～271～3≤31≤1≤11～51～5142≤14噪声中小小小中中大大大中中污染敏感度小中中小中中大中大小中小变量能力不能不能不能不能能能好好好好好价格最低中低高中中低高高高高高应用范围机床、工程机械、农业机械、航空、船舶、一般机械精密机床、精密机械、食品、化工、石油、纺织等机械机床、注塑机、液压机、起重运输机械、工程机械、飞机工程机械、锻压机械、运输机械、矿山机械、冶金机械、船舶、飞机等3.2液压缸液压缸（油缸）主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动。液压缸的结构简单，工作可靠，与杠杆、连件、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合使用还能实现多种机械运动或其它传动形式组合满足各种要求，因此在液压传动系统中得到了广泛的应用。液体的工作压力高，因此液压缸常用于需要获得大的输出力和扭矩的场合。3.2.1液压缸的类型①按供油方向分：单作用缸和双作用缸。单作用液压缸只能使活塞（或柱塞）作单方向运动，即液体只通向缸的一腔，而反方向运动必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现；双作用液压缸在两个方向上的运动都由液体的推动来实现②按结构形式分：活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式；活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加，而某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸；摆动液压缸能实现小于360°角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式；伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。③按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如外圆磨床工作台往复运动液压缸等。而单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其往复运动范围是有效行程的两倍，结构紧凑，应用广泛。4注塑机对液压系统的要求(1)具有足够的合模力熔融塑料以120～200MPa的高压注入模腔，在已经闭合的模具上会产生很大的开模力，所以合模液压缸必须产生足够的合模力，确保对闭合后的模具的锁紧，否则注塑时模具会产生缝隙使塑料制品产生溢边，出现废品。(2)模具的开、合模速度可调当动模离静模距离较远时，即开合模具为空程时为了提高生产效率，要求动模快速运动；合模时要求动模慢速运动，以免冲击力太大撞坏模具，并减少合模时的振动和噪声。因此，一般开、合模的速度按慢一快一慢运动的规律变化。(3)注射座整体进退要求注射座移动液压缸应有足够的推力，确保注塑时注射嘴和模具浇口能紧密接触，防止注射时有熔融的塑料从缝隙中溢出。(4)注射压力和注射速度可调注塑机为了适应不同塑料品种、制品形状及模具浇注系统的工艺要求，注射时的压力与速度在一定的范围内可调。(5)保压及压力可调当熔融塑料依次经过机筒、注射嘴、模具浇口和模具型腔完成注射后，需要对注射在模具中的塑料保压一段时间，以保证塑料紧贴模腔而获得精确的形状，另外在制品冷却凝固而收缩过程中，熔化塑料可不断充入模腔，防止产生充料不足的废品。保压的压力也要求根据不同情况可以调整。(6)制品顶出速度要平稳顶出速度平稳，以保证成品制品不受损坏。5典型注塑机液压系统特点5.1M1432A型万能外圆磨床液压系统由于机床加工工艺的要求，M1432A型万能外圆磨床液压系统是机床液压系统中要求较高、较复杂的一种。其主要特点是：(1)系统采用节流阀回油节流调速回路，功率损失较小。(2)工作台采用了活塞杆固定式双杆液压缸，保证左、右往复运动的速度一致，并使机床占地面积不大。(3)本系统在结构上采用了将开停阀、先导阀、换向阀、节流阀、抖动缸等组合一体的操纵箱。使结构紧凑、管路减短、操纵方便，又便于制造和装配修理。此操纵箱属行程制动换向回路，具有较高的换向位置精度和换向平稳性。5.2YT4543型组合机床动力滑台液压系统(1)采用了限压式变量叶片泵和调速阀组成的进口容积节流调速回路，并在贿赂中设置了背压阀。这样，能保证系统调速范围大，低速稳定性好的要求。(2)采用了限压式变量叶片泵和油缸差动连接实现快进，工作时断开油缸差动连接，这样既能得到较高的快进速度，又保证了系统的效率不致过低。(3)采用行程阀和液控顺序阀使系统由快进转换成工进，不仅简化了机床电路，而且转换动作平稳可靠，转换的位子精度比较高。5.3YB32-200型液压机液压系统(1)液压系统使用一个高压轴向柱塞式变量泵供油，系统压力由远程调压阀调定(2)系统中的顺序阀规定了液压泵必须在2.5,mppa的压力下卸荷，从而使控制油路能确保具有一定的控制压力(3)系统中采用了专用的qfi型释压阀来实现上滑块快速返回时上缸换向阀的换向(4)系统利用管道和油液的弹性变形来实现保压，方法简单，但对液控单向阀和液压缸等元件的密封性能要求高。(5)系统中上、下两液压缸的动作协调是由两个换向阀互锁来保证的。一个液压缸必须在另一个液压缸静止不动时才能动作。但是在拉伸操作中，为了实现压边这个工步，上液压缸活塞必须推着下液压缸活塞移动，这时液压缸下腔的油进入下液压缸的上腔，而下液压缸的下腔的油则经过下液压缸溢流阀徘徊油箱，这样两液压缸能同时工作，不存在动作不协调的问题(6)系统中的两个液压缸各设有一个安全阀进行过载保护。参考文献[l]董林福，赵艳春，液压与气压传动．北京：化学工业出版社，2006．[2]林荣川,注塑机液压缸多种支撑方式下的稳定性研究.厦门大学硕士学位毕业论文,2007.[3]李忠文,精密注塑工艺与产品缺陷解决方案100例.北京：化学工业出版社,2009.[4]路甬祥，液压气动技术手册．北京：机械工业出版社，2002．[5]姜继海，宋锦春，高常