合模機-機床行業(yè)百科-機床商務網(wǎng)

1簡介

背景

合模裝置一般主要由前、后固定模板、移動模板、拉桿及動模板驅(qū)動裝置等組成，它是注塑機合模系統(tǒng)的主要組成部件。注塑機合模裝置通常按其工作原理可分為機械式、液壓式和液壓-機械組合式三種類型。

注塑機合模技術是注塑工藝的關鍵環(huán)節(jié)，其合模機構(gòu)是注塑機的關鍵設備。自1956年世界上出現(xiàn)臺現(xiàn)代意義上的注塑機開始，合模機構(gòu)作為重要的單元伴隨著注塑機不斷發(fā)展。20世紀70年代末陸續(xù)出現(xiàn)了曲肘式、單缸充液式等結(jié)構(gòu)，80年代五點雙曲肘式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)更是合模機構(gòu)的重大進展，90年代以德國為代表的歐洲廠家推出了許多新的全液壓式合模機構(gòu)，其中二板復合式是其典型代表，日本廠家則將重點放在了全電動式注塑機上，并取得了相當大的成果。由加拿大Engel公司推出的無拉桿式結(jié)構(gòu)及德國Krauss Maffei公司推出的電動Z形結(jié)構(gòu)，表明合模機構(gòu)依然在創(chuàng)新中不斷前進。但是對于注塑機合模機構(gòu)的分析研究，無論是國內(nèi)還是國外所涉及的文獻資料均較少，因此在合模機構(gòu)方面的研究仍然有許多工作可以做。

良好的合模技術保證了在合模過程中模板平穩(wěn)迅速啟閉。因此良好的合模機構(gòu)需要滿足以下基本要求：

（1）能夠提供足夠的合模力，這是合模機構(gòu)的功能要求。足夠大的合模力能夠保證模板鎖緊，避免模腔內(nèi)熔料在壓力作用下打開模具而影響制品品質(zhì)；

（2）能夠提供足夠的模板強度及系統(tǒng)剛性，這是合模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)要求。足夠的模板強度及系統(tǒng)剛性能夠保證在反復的運動過程中合模部件不致因頻繁受力而引起變形或損壞；

（3）能夠提供高速、平穩(wěn)、低噪聲等優(yōu)異特性的模板運動，這是合模機構(gòu)的性能要求。高速意味著高生產(chǎn)率，平穩(wěn)及低噪聲意味著避免合模動作時出現(xiàn)波動。

合模機構(gòu)簡介

合模裝置主要由模板、拉桿、肘桿、制品頂出裝置和安全門、調(diào)模裝置等組成。模板的作用是固定模具和作為運動導向的定位基準，主要由后模板、動模板、前模板組成，三者以拉桿相連，模具固定在動模板與前模板上。前模板固定于床身上，動模板則在床身導軌上來回運動，調(diào)模時后模板在床身上滑動。

合模機構(gòu)是保證模具可靠閉緊和實現(xiàn)模具啟閉動作的部件。一個好的合模機構(gòu)必須具備如下三方面的特性：
1、能提供足夠的合緊模具力，保證模具在熔料的壓力下，不產(chǎn)生開縫溢料現(xiàn)象。因為在注射時，進入膜腔的熔料還具有一定的壓力，這就要求合模裝置給予模具足夠的合緊力，以防止在熔料的壓力下模具被打開，而導致制品溢邊或使制品精度下降；
2、足夠的安裝模具的空間及開啟模具的行程；
3、快速的移模速度及較慢的合緊模具速度，移模時要具備慢—快—慢的運動特性。保證在提高生產(chǎn)效率的同時，有效地保護模具。
合模機構(gòu)種類較多，各種不同的合模機構(gòu)其運動特性的側(cè)重點也不同。根據(jù)油液油缸的分布以及肘桿結(jié)構(gòu)的不同，合模機構(gòu)可分為很多種不同的結(jié)構(gòu)，目前使用廣泛的合模機構(gòu)主要有油壓直壓式、油壓肘桿式和電動肘桿式。油壓直壓式合模機構(gòu)直接通過鎖模油缸的推力或拉力來鎖緊模具，鎖模力與油缸作用力相等。

這種合模結(jié)構(gòu)的特點有：
1、由于高壓合模油缸處于模板中間，所以不會出現(xiàn)由于模板彎曲而引起的制品飛邊；
2、開模行程大且開模力穩(wěn)定，可以成型深孔制品；
3、由于閘門板旋轉(zhuǎn)及其動作切換以及高壓開模油缸與移模油缸在開模時的動作切換耗時較多，難以實現(xiàn)高速開閉模循環(huán)。
油壓肘桿式合模機構(gòu)由合模油缸推動連桿機構(gòu)，再通過連桿機構(gòu)的力放大作用推動模板運動和合緊模具。油壓肘桿式合模機構(gòu)主要分為五點斜排式和四點斜排式兩種結(jié)構(gòu)，是目前成熟的合模結(jié)構(gòu)。在移模中，連桿機構(gòu)具有較大的行程比系數(shù)（即行程放大倍數(shù)）和較小的力的放大倍數(shù)，在模具即將合緊時，連桿機構(gòu)力的擴大倍數(shù)急劇增大，而行程比系數(shù)減少，這樣，即使用一個較小較短的合模推力油缸，也能達到較大的合模力和移模行程。在油壓肘桿式合模機構(gòu)中，油壓驅(qū)動不可避免的存在浪費能源、污染環(huán)境、噪音大等缺點，而且由于聯(lián)結(jié)連桿的銷軸需要在旋轉(zhuǎn)運動的同時承受較大的表面壓力和剪切力，所以對其材質(zhì)、強度、表面硬度以及潤滑性能都有較高要求。相對于油壓直壓式合模裝置，油壓肘桿式具有速度快、變速平穩(wěn)、節(jié)省電力、超載性能好等優(yōu)點，但同時也有調(diào)模較復雜、合模力重復精度不高、對模具平行度要求較高等局限。電動肘桿式合模機構(gòu)與油壓肘桿式工作原理及特性相似，與油壓肘桿式相比，電動肘桿式由于動力裝置全部用電馬達，所以具有節(jié)約能源、凈化環(huán)境和噪音較低等優(yōu)點。但同時由于電動肘桿式注塑機是用滾珠絲杠傳遞動力的，滾珠絲杠的磨損必然會影響到機器的性能，所以壽命較低，成本較高。

目前，多數(shù)注塑機合模機構(gòu)都是油壓肘桿式，而液壓系統(tǒng)不但能量損耗大，而且噪音大，油路存在滲漏問題，對環(huán)境產(chǎn)生污染，維護費用高。電動式合模機構(gòu)以其相對于液壓式的節(jié)能、環(huán)保、控制精度高等優(yōu)勢正逐步蓬勃發(fā)展起來。

2注塑機合模機構(gòu)的分類

合模機構(gòu)可以根據(jù)不同標準進行分類,主要可從模板數(shù)目、驅(qū)動源、傳動形式、合模架構(gòu)、模位數(shù)目等方面進行分類。如按照模板數(shù)目進行分類,可分為三板式及二板式,如圖1所示;按照傳動形式進行分類，可分為全機械式（已淘汰）、機械連桿式、全液壓直壓式及液壓機械式。

3典型合模機構(gòu)分析

目前世界范圍內(nèi)應用廣泛、具有代表性的合模機構(gòu)主要有曲肘式、全液壓直壓式、無拉桿式以及二板式。

曲肘式

五點雙曲肘內(nèi)翻式。五點雙曲肘內(nèi)翻式結(jié)構(gòu)具有低成本、低維護、剛性及運動特性好等顯著特點,成為目前注塑機中應用為廣泛的合模機構(gòu)。

五點雙曲肘內(nèi)翻式在注塑機中得到較為普遍的應用,原因是其充分體現(xiàn)了肘桿機構(gòu)的3個顯著特點：（1）曲肘連桿機構(gòu)力的放大功能;（2）曲肘連桿改善運動特性功能;（3）曲肘連桿自鎖功能。但曲肘式合模機構(gòu)也有許多缺點,如由于采用拉桿形變進行鎖模,因此鎖模力不穩(wěn)定、鉸鏈較多易磨損、調(diào)模困難、開模沖擊大、機身龐大等。

電動曲肘連桿式。20世紀80年代末推出了采用電機作為驅(qū)動源的全電動式注塑機,電動式合模機構(gòu)隨之一起發(fā)展起來。相比于液壓式,電動式具有節(jié)能、降低噪聲、清潔環(huán)保、高精度、速度控制范圍寬、響應性好等特點,使其在能源日益匱乏、生態(tài)環(huán)境日益惡化及對塑料制品要求越來越高的今天迅速成為市場熱點。

目前電動式合模機構(gòu)主要采用五點雙曲肘內(nèi)翻式結(jié)構(gòu),依然屬于動力源-機械式結(jié)構(gòu),不同之處在于其動力源采用伺服電機及滾珠絲桿代替液壓油缸驅(qū)動肘桿機構(gòu)帶動模板運動。由于其采用的依然是五點雙曲肘合模機構(gòu),相應地保留了肘桿式機構(gòu)的缺點,并且又出現(xiàn)滾珠絲桿易磨損導致合模精度下降、伺服電機超載、價格成本較高等新問題。

全液壓直壓式

充液式是全液壓直壓式的典型應用,又稱增速式。一般是由一個大活塞式油缸（鎖模油缸）和一個小作用油缸（快速移模油缸）組成。以小直徑油缸實現(xiàn)快速移模,以大直徑油缸獲得所需合模力,而在快速移模過程中,合模油缸能自動充液。

這種機構(gòu)的原理是在油壓一定的情況下,以直徑大小不同的主輔油缸分別滿足較大的合模力和較快的移模速度的要求。此機構(gòu)雖然可以實現(xiàn)較快的移模速度,達到相當大的合模力,因而目前在大中小型注塑機上均有使用。但這種機構(gòu)缸體長、直徑大,因此機構(gòu)笨重、用油量大,能耗也高。

無拉桿式

無拉桿式于1990年一推出便引起了人們的關注，它打破傳統(tǒng)的四拉桿機構(gòu)的合模力學形變概念，取消拉桿而利用基礎架構(gòu)來進行力的傳遞，因此其設計關鍵就是堅固的基礎架構(gòu)。無拉桿式采用穩(wěn)定的C字形結(jié)構(gòu)體，通過計算其結(jié)構(gòu)體的有效截面是相同體積情況下普通四拉桿截面積之和的10倍，因此系統(tǒng)的剛性更好，產(chǎn)生的彈性變形更小。

相比于有拉桿式合模機構(gòu)，無拉桿式具有以下特點：（1）定模板直接固定在C形架構(gòu)上，很大程度上擴展了接觸面積，降低了模板的撓度，保證模板的平行度；（2）沒有了4根拉桿的限制，模具的安裝和拆卸變得極為便利，模具可以自由地向上以及兩個側(cè)面移動，模板的面積可以得到充分利用；（3）對于多組分注射，安裝多臺注射單元非常方便，垂直式、水平式以及交叉式注射容易安裝實現(xiàn)；并且易于插裝一些外圍自動化設備，提高生產(chǎn)過程的自動化和集成化程度。

對于無拉桿式合模機構(gòu)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，有采用液壓缸作為驅(qū)動源，從整體結(jié)構(gòu)上可以看出，由快速移模油缸進行移模，合模油缸進行直壓鎖模；也有采用伺服電機作為驅(qū)動源，Engle公司的技術人員將新興起的電動技術與無拉桿技術結(jié)合，設計了高精密度以及高能源利用率的電動無拉桿式合模機構(gòu)。

二板復合式

20世紀90年代初，歐洲廠商推出了許多新的全液壓式注塑機，其中以二板復合式具代表。其結(jié)構(gòu)特點是：有前模板、動模板，無后模板，鎖模力直接作用于兩模板上。其合模動作一般依靠小直徑油缸進行快速移模，到達*位置后產(chǎn)生抱桿動作，然后裝換到大直徑油缸進行鎖模。其動作共同點是在穩(wěn)壓前均會對動模板有一個止退的鎖緊程序，由一個定位鎖緊結(jié)構(gòu)來完成。

二板復合式合模機構(gòu)按穩(wěn)壓缸數(shù)量、位置及拉桿鎖緊方式有多種不同形式相比于肘桿式合模機構(gòu)，二板復合式具有以下優(yōu)點：（1）機器容量大，特別適合大型注塑機；（2）受力狀況理想。運動副不受合模力，磨損很小；機器沒有關節(jié)摩擦副，所以避免了關節(jié)的潤滑和磨損問題；（3）合模機構(gòu)剛性好。二板式注塑機由于無需靠拉桿變形提供鎖模力，拉桿直徑可以粗很多，并且長度只有二板與頭板的距離，鎖模封閉力線短；（4）與同噸位機型相比，整機的長度短，結(jié)構(gòu)緊湊簡潔，所需空間和占地空間小。

二板復合式合模機構(gòu)由于動模板運動時只是沿著底座，不再受肘桿或液壓缸的支撐，也意味著導桿處于懸浮狀態(tài)，因此怎樣保證模板的對準是其大問題，并且鎖模力由4個油缸提供，當4個鎖模油缸施加的力不均衡時會導致動板傾斜。

4合模機構(gòu)特性分析及應用情況

通過以上對典型合模機構(gòu)的分析，可總結(jié)歸納不同合模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性。五點雙曲肘內(nèi)翻式充分利用肘桿特性大大降低了系統(tǒng)對于液壓及電控的依賴，基本上*注塑機廠商均有應用。但是隨著塑料產(chǎn)業(yè)的升級換代，其弱點及局限性也越來越突出，因此大部分廠商逐漸將研發(fā)重點轉(zhuǎn)移到其他合模機構(gòu)上。

而對于全電動式來說，近年來得到了長足發(fā)展，但近期內(nèi)取代液壓式注塑機成為主導型產(chǎn)品的可能性不大。作為塑機行業(yè)的產(chǎn)品，全電動式注塑機以其優(yōu)異特性，已獲得越來越多生產(chǎn)廠家的青睞，近幾年在國際市場上的*逐年提升，隨著高精度塑件的普遍應用和制造成本的降低，其未來發(fā)展空間巨大。世界上主要廠商基本都投入到全電動式注塑機的研發(fā)中。日本廠商作為傳統(tǒng)的電動式推動者，如住友重工、名機、日精、東芝、三菱重工等，不斷創(chuàng)新發(fā)展，進一步加強自己的優(yōu)勢。而歐洲注塑機廠商也不斷憑借雄厚的技術背景加入到電動式注塑機的行列中來，如Krauss Maffei、Demag、Engel、Arburg、Netstal等廠商相繼推出了自己的全電動式注塑機品牌。而中國的全電動式注塑機研發(fā)才剛剛起步，只有如震雄、臺中精機等幾家企業(yè)推出了自己的品牌。

全液壓直壓式早以單缸充液式為代表，但它難以解決力與速度之間的矛盾，促使在單缸式的基礎上發(fā)展成其他形式，如增壓式、充液式、充液增壓式、增量式等。雖然其有著顯著的缺點，如油液泄露和污染、能耗較大等，但受益于近年來液壓技術的不斷進步，利用比例流量、比例方向技術可以大大簡化注塑機結(jié)構(gòu)，降低能耗，使其有了新的發(fā)展。由于其主要依賴液壓系統(tǒng)，因此推出的全液壓直壓式注塑機多為擁有雄厚液壓技術的歐洲及日本注塑機廠商，如歐洲的Battenfeld、Milacron、Demag、Aburg等，日本的名機、東芝、日精、三菱重工等技術雄厚公司。作為早研究開發(fā)無拉桿式的公司，Engel公司相繼推出了世界上臺液壓驅(qū)動以及臺伺服電機驅(qū)動的無拉桿式注塑機。經(jīng)過多年的發(fā)展，無拉桿式注塑機在復合成型領域，如立式雙工位嵌件注射成型、模內(nèi)裝飾注射成型、多組分注射成型等，在歐美確立了穩(wěn)固的市場地位。目前，在無拉桿式領域Engel公司依然是*。

二板復合式作為20世紀90年代新推出的革新性合模機構(gòu)，相比其他合模機構(gòu)，其在大、超大型領域具有得天獨厚的優(yōu)勢，但相應地其機械、控制、液壓技術也較難掌握。由于其在大型、超大型領域的巨大潛力使得各大廠商趨之若鶩，歐洲廠商作為傳統(tǒng)的注塑機企業(yè)，在液壓及控制方面有著雄厚的技術積累，因此二板復合式的發(fā)展趨勢一直有歐美廠商主導，各大廠商如Krauss Maffei、Battenfeld、Demag、Engel、Milacron等分別推出了不同形式、不同結(jié)構(gòu)的二板復合式注塑機。日本及其他國家地區(qū)的廠商雖然也有推出，但總體相比與歐洲廠商依然有著一定的差距。

5設計中需要解決的關鍵技術

編輯
合模機構(gòu)必須能提供足夠大的合模力，以防止制品溢邊，因此，在設計中必須考慮合模過程力放大的作用。另一方面，注塑機是一種間歇式工作的設備，前人的研究已經(jīng)意識到它的成型周期是決定注塑機生產(chǎn)效率的重要因素，而合模過程通常占用了相當長的時間。因此，提高開合模過程中的速度，是提高注塑機效率行之有效的方法，但是當模具接近閉合時，過快的合模速度可能導致模具損壞。由此可以看出，對于注塑機合模機構(gòu)可分為三個過程：快速合模——提率；低速合模——保護模具；高壓鎖模——實現(xiàn)力的放大。

在對機構(gòu)進行理論分析時，由于合模機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)十分復雜，考慮所有因素的影響是十分困難的，這就需要找出影響精度的主要因素，忽略次要因素，對整體結(jié)構(gòu)做出必要的簡化，以使分析順利進行。

6合模機構(gòu)誤差分析

機構(gòu)可靠性研究概況

目前，可靠性工程引起了各國的關注，越來越多的工業(yè)部門認識到可靠性問題的重要性，把產(chǎn)品的可靠性看得與產(chǎn)品的性能同樣重要。當今，提高產(chǎn)品的可靠性，己經(jīng)成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。機械可靠性包括結(jié)構(gòu)可靠性和機構(gòu)可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性從本世紀 60 年代起步，到 80 年代己較為成熟。目前，結(jié)構(gòu)可靠性研究工作主要涉及到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要失效模式的確定以及提高失效模式失效概率的計算精度等問題。機構(gòu)可靠性是機械可靠性中的一大新的分支，與結(jié)構(gòu)可靠性不同，它主要研究運動副或機構(gòu)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成預定運動功能（軌跡、速度、精度、定位、性態(tài)等）的能力。與結(jié)構(gòu)可靠性相比，機構(gòu)可靠性的研究起步較晚，直到 20 世紀 70 年代才開始，到了 80 年代才有了一定的基礎。

機構(gòu)磨損可以說是機構(gòu)中為突出的問題。在飛機構(gòu)造及一般機械中，機構(gòu)運動副及其零件的磨損失效，在總失效率中占相當大的比例，對于不同種類的運動副零件，磨損失效約占 30%－80%，如機床的導軌需要大修或更換的重要原因是為了防止由于磨損而引起的表面刮傷所導致的加工質(zhì)量不能滿足要求。在工程實際中，出現(xiàn)了許多因磨損失效而引起的事故。因此這促使機構(gòu)磨損可靠性的專門研究變的更加重要。

機構(gòu)精度可靠性分析的基本原理

1、機構(gòu)從動件的位置誤差、位移誤差和原始誤差能地實現(xiàn)預期
運動的機構(gòu)稱為理想機構(gòu)，在實際中這類機構(gòu)是不存在的。因為組成機構(gòu)的各構(gòu)件不可避免地存在著誤差，因而實際機構(gòu)的運動總是與相應的理想機構(gòu)的運動有差別。這種由于機構(gòu)的不準確及主動件位置不準確而引起的實際機構(gòu)與理想機構(gòu)的從動件位置之間的差別稱為機構(gòu)從動件的位置誤差。若引起的是機構(gòu)位移上的差別則稱為機構(gòu)從動件位移誤差；若實際機構(gòu)與相應的理想機構(gòu)的主動件處在相同的位置，引起兩者從動件位置之差的機構(gòu)中各構(gòu)件的誤差稱為機構(gòu)的原始誤差。
2、影響機構(gòu)運動精度的主要因素由于在設計、制造及使用過程中會產(chǎn)生各種誤差，所以理想機構(gòu)在實際上幾乎是不存在的。產(chǎn)生誤差影響機構(gòu)精度的主要因素有下列幾方面：
（1）機構(gòu)的原理誤差；
（2）機構(gòu)零部件的制造和裝配誤差及構(gòu)件間的間隙；
（3）由于作用力、重力、內(nèi)應力所產(chǎn)生的變形；
（4）由于溫度變化引起零部件的尺寸變化和變形；
（5）機構(gòu)的振動、摩擦和磨損。
綜合上述各種影響因素，可以從理論上對機構(gòu)的運動精度得到一個比較準確、全面的分析結(jié)論，以便采取相應措施，提高機構(gòu)的運動精度。
3、機構(gòu)運動精度可靠性分析的基本原理機構(gòu)運動精度可靠性分析就是將影響機構(gòu)輸出位置誤差或位移誤差的諸原始誤差作為隨機變量，用多種簡化的線性方法或非線性方法對機構(gòu)的各輸出量的運動精度進行概率分析。從理論上得到一個較為全面、準確的分析結(jié)論，以便指導實踐采取相應措施，提高機構(gòu)運動精度可靠性。 [4]

7展望

雙曲肘式作為成熟的合模機構(gòu)，是注塑機應用的基本合模單元，且電動式以雙曲肘為合模單元的應用，更加體現(xiàn)肘桿式機構(gòu)的*優(yōu)勢，但電動式的研究焦點已轉(zhuǎn)移到伺服電機及滾珠絲桿優(yōu)化等方面。全液壓直壓式能夠長期保持模板平行度、移模行程長、容模量大，適應深孔形制件及精密件的注射成型，其優(yōu)勢是其他形式的合模機構(gòu)不能取代的。而由于其液壓系統(tǒng)應用較多，更多的是依靠液壓技術的進步帶來自身的發(fā)展。

無拉桿式作為合模機構(gòu)的一次革新，但在保證機器剛性和制品成型精度方面，具有一定的難度，尤其大規(guī)格無拉桿式注塑機的制造，技術難度更大。因此，無論是液壓驅(qū)動還是電機驅(qū)動的無拉桿式合模機構(gòu)更多的是應用于中小領域，大型化是其發(fā)展瓶頸。二板復合式合模機構(gòu)作為全液壓式注塑機的典型

應用，解決全液壓直壓式在特大型注塑領域應用的瓶頸。經(jīng)過多年的發(fā)展，其在大、超大型領域的巨大優(yōu)勢越來越明顯。作為機械、電氣、液壓高度一體化的設備，其技術要求相比其他合模機構(gòu)要高出不少。隨著塑料產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代以及塑料制品要求的不斷提高，對注塑機合模機構(gòu)也提出了更高要求。經(jīng)過多年發(fā)展，注塑機主流合模機構(gòu)逐漸穩(wěn)定下來。對合模單元的研究更多集中到合模過程及合模工藝上，高精度、高重復性、高速、節(jié)能、特種定制等一系列技術要求成為合模機構(gòu)發(fā)展的焦點。值得一提的是，配置如機械手等外圍自動化設備也逐漸成為合模單元的重要組成部分。毫無疑問，合模機構(gòu)及合模技術將會得到進一步發(fā)展，新的工程技術也將會應用到注塑機領域形成新的合模機構(gòu)及合模技術。