0    引言

        精密立式注塑机是集近代电子、机械、高分子材料与计算机、网络及信息技术于一体的高度机电一体化产品。随着信息、汽车、建筑、医疗、机电等产业的不断发展和壮大,人们对塑料制品精度的要求越来越高,传统的注塑技术已很难满足高标准的要求。这给精密立式注塑机的发展提供了广阔的空间,而机械电子工业的发展和伺服控制技术的提高为精密立式注塑机的研发提供了强大的支持。现阶段,国内在研发精密立式注塑机方面取得了一定的成绩,不少厂家先后开发出一些液压或电动式精密立式注塑机。在国外,Netstal公司研发了ELION系列全电动精密立式注塑机。东芝公司推出的EC系列电动精密注塑成型机,锁模装置采用5点式双链杆装置。BATTENFELD公司生产的HM系列立式注塑机采用UnilogB6控制系统可在windowsxp平台下运行,通过其连接外围设备和通信接口,可实现远程维护及数据传送。精密注塑成型的关键是保证制品的尺寸精度和稳定性,这对立式注塑机的合模机构提出了很高要求。为此,可采用先进伺服控制系统,并设计精密平衡的机械结构以保证精度和稳定性。

1    新型全液压式合模机构

        全液压式精密立式注塑机在成型精密、形状复杂的制品方面有许多独特优势。它从传统的单缸充液式、多缸充液式发展到后来的2板直压式,种类较多,差异也很大。单缸充液式作为传统全液压式的代表,许多大厂都曾生产,如日本的东芝、日精树脂、三菱等公司,但这种结构体积庞大、容易内泄外漏、升压速度慢、耗能多。20世纪90年代初,在欧洲以德国为首推出了许多新的全液压式立式注塑机。其中以2板直压式最具代表,它解决了单缸充液式立式注塑机的上述缺点,但其控制技术难度大、机械加工精度高、液压技术也较难掌握。全液压式合模机构的形式比较多,比较新型的精密合模机构有以下几种:

        1)4缸直锁全液压式锁模机构。4个锁模油缸利用4根拉杆作为活塞杆,活塞与拉杆设计成一体。动模板的开合模动作由2个移模油缸实现。独特的液压系统使锁模机构液压油的压力与注射压力的变化同步。4个锁模油缸装在动模板上,在开合运动时,导向好,受力均匀。但此结构不适用于大型立式注塑机。

        2)高速高精度液压锁模装置。后模板中心孔装有高压锁模油缸左盖、高压锁模活塞杆、高压锁模油缸右盖后,形成高压锁模油缸;后模板2侧孔内装有高速锁模油缸闷盖、高速锁模油缸活塞杆、高速锁模油缸透盖后,形成高速锁模油缸;高速移模时,高速锁模油缸通过尾盖连同高压锁模活塞杆一起推动动板沿着拉杆移模。合模后,高压锁模油缸瞬间起高压锁模;当模具厚度改变时可用调模油缸调整锁模装置的容模位置。

        3)直压式立式注塑机锁模装置。该装置主要通过设在拉杆一端一定长度的螺纹,与装在中板上的锁紧螺母相配合,再由头板下方2侧设置的快速移模油缸进行快速移模,实现开合模动作;另由设置在头板的4个对角处的高压锁模油缸实现锁模。具体过程是,当锁紧螺母旋转一角度时,其释放拉杆,快速移模油缸便移动动模板前进至预设位置,旋转锁紧螺母以一定角度锁住拉杆,再由高压锁模油缸锁模。该结构简单且不需要二次调模,但它是利用拉杆上设有的螺纹来实现调模,即不同模厚,在不同的螺纹位置锁紧。为了能在大范围内精确调模,便要求拉杆上的螺纹长度较长,且螺纹螺距不应太大,这样在使用过程中,螺纹易损坏,从而使拉杆寿命较短。

2    电动式合模机构及其结构分析

        采用电动式合模机构的立式注塑机生产厂家主要分布于日本,包括住友SES系列,东芝EC系列,日钢JELII系列,日精ELJECT系列,东洋SI系列等。电动合模主要通过将液压系统改为伺服系统来实现锁模功能,传动部件由滚珠丝杆,伺服电机,传动齿轮等组成,滚珠丝杆将伺服电机的旋转运动转化为直线运动,实现合模运动。因而,其主要结构同传统肘杆式立式注塑机相似。按照合模的实现形式,电动立式注塑机又可分为电动肘杆式和电动直压式。

        电动肘杆式合模机构的工作原理:当电机正向转动时,移模丝杆带动肘杆机构推动动模板向前运动。当模具的分型面接触时,肘杆机构尚未形成一线排列,动模板受到变形阻力的作用。此时电机的转速降低,扭矩增大,使作用在移模丝杆上的作用力不断增加,直至足以克服变形阻力,使肘杆成为一线排列。合模机构发生的弹性变形对模具实现了预紧,该预紧力即为合模力。在开模时,电机反转,在移模螺杆力的作用下,肘杆的一线排列被破坏,动模板被迫与定模板分离并退回合模前的初始位置,从而实现开模。

        电动肘杆式合模机构的关键部件是丝杆螺母的传动形式,其结构形式主要有2种:一种是滚珠丝杆和滚珠螺母安装于合模机构的中部位置,为滚珠丝杆带动的方式。

        由丝杆带动滚珠螺母运动,即丝杆转动,滚珠螺母只作直线运动。滚珠丝杆通过轴承和轴承座装配于尾板中心,滚珠螺母通过螺钉直接固定于十字头中心。伺服电机驱动滚珠丝杆转动推动滚珠螺母前后运动,从而带动整个机构运动。此结构采用通用螺母丝杆的布置形式,结构简单,但存在开合模时不回退的丝杆会与回转的曲轴发生干涉的问题,若采用双滚珠丝杆结构分布于十字架两侧,则可解决干涉问题,但结构较复杂。

        另一种是滚珠螺母和滚珠丝杆安装于合模机构中部位置,为滚珠螺母带动的方式。

        由滚珠螺母带动丝杠运动,即滚珠螺母转动,丝杠只作直线运动。珠螺母通过轴承和轴承座装配于尾板中心,丝杠直接固定于十字头中心,并通过平键防止丝杠转动。伺服电机驱动滚珠螺母转动,以推动丝杠前后运动,从而带动整个机构运动[11]。此结构设计对国内应用较广的液压肘杆式锁模机构改动较小,加工方便,但丝杆前后运动行程较大,需预留空间。

3    电液复合式合模机构的设计

        电动液压复合式合模机兼具电动与液压式机构的优点,是合模机构发展的一个重要方向。为此,我们在前人工作基础上,围绕精密注塑工艺分析,开展了中小型立式注塑机的电液复合式合模机构设计探讨。

3.1    机构设计

        本设计的电液复合式合模机构,结合了全电动式和4缸直锁式合模机构的优点,锁模动作由4个油缸实现,油缸固定在动模板上,油缸活塞与拉杆连接在一起作为一体,在活塞右侧通入高压油实现锁模。在锁模油缸中采用阀芯实现活塞两侧油路的连同和断开,阀芯在右侧小油孔油压作用下与端盖靠紧,断开油路可实现稳定锁模,撤去油压后,在弹簧回复力作用下,阀芯后退,实现油路的连通。移模通过丝杆螺母结构的传动形式来实现,伺服电机带动同步带轮转动,继而通过平键带动空心轴回转,转动的空心轴与通过螺钉连接在一起的滚珠螺母转动,从而驱动丝杆直线运动,带动动模板实现开模合模动作。

3.2    结构的特点

        1)锁模部分采用4缸直锁,在开合模运动时,导向好;在高压锁模时可均衡受力,使模具定位精度高,锁模力重复精度高,不用调模,而且锁模力根据注射压力反馈控制,适用范围广,解决了传统液压式易漏油速度慢的特点。油缸的内部结构比较简单,结构紧凑。

        2)采用伺服电机和螺母丝杆结构,实现快速开合模,并能保证控制精度,能很好地保护高价模具,也可节省能源,解决力和速度的矛盾。

        3)没有机铰磨损,结构简单,整体合模机构磨损小。

        4)采用2板式,后模板受力小,机构整体变形量小,机械精度较高。

        5)综合了全液压式和全电动式立式注塑机的优点,既具有全电动式定位精准的优点,又有油压结构高推力自适应的特性,并且制造成本低于同规格的全电动式立式注塑机。

        6)采用双顶出油缸,分置于动模板支架两侧,使顶出动作平稳,顶出支架受力均匀。螺母丝杆结构布置于动模板支架中部,避免与顶出油缸位置产生干涉。

3.3    与其他合模结构比较的优势

3.3.1    与电动机械式合模机构的比较

        电动机械式合模机构虽然容易采用闭环伺服系统操作,控制精度较高、节能,但是采用的肘杆式结构具有先天的局限性,特别是连杆机构加工精度、装配精度要做到精密难度大、成本高,而且机械磨损会造成肘杆式合模精度不断下降。因此,电动机械式合模机构的精度不及电液复合式,而且调模也不如电液复合式容易。

3.3.2    与全液式合模机构的比较

        日本以住友、名机为主的用于加工精密制品的立式注塑机仍多采用传统的充液式。充液式模板受力相对较好,有利于成型制品精度的稳定性。但其系统刚度较差,锁模油缸容易内泄外漏,体积庞大,升压速度慢,耗能多。电液复合式合模机构采用伺服电机和螺母丝杆结构的优点,实现快速开合模和节能效果,而锁模部分采用精密平衡的液压式结构,保证了高精度要求。

4    结论与展望

        合模装置作为立式注塑机最主要的部件,一直是各个立式注塑机厂家、公司技术竞争的重点。肘杆式、传统液压三模板拉杆立式注塑机的合模机构在合模速度、合模精度、锁模力等方面,已经逐步不能适应现代生产的高精度、高效率要求。所以,在原来合模机构基础上开发全电动、电液复合式、无拉杆式等立式注塑机新型合模机构,是当前精密注塑合模机构的重要发展方向,特别是电液复合式合模机构集合了全电动和全液式的优点,具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。