合模機

背景

合模裝置一般主要由前、後固定模板、移動模板、拉桿及動模板驅動裝置等組成，它是注塑機合模系統的主要組成部件。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。 ^[2] 

注塑機合模技術是注塑工藝的關鍵環節,其合模機構是注塑機的關鍵設備。自1956年世界上出現第一台現代意義上的注塑機開始,合模機構作為最重要的單元伴隨着注塑機不斷髮展。20世紀70年代末陸續出現了曲肘式、單缸充液式等結構,80年代五點雙曲肘式結構的出現更是合模機構的重大進展,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,其中二板複合式是其典型代表,日本廠家則將重點放在了全電動式注塑機上,並取得了相當大的成果。由加拿大Engel公司推出的無拉桿式結構及德國Krauss Maffei公司推出的電動Z形結構，表明合模機構依然在創新中不斷前進。但是對於注塑機合模機構的分析研究,無論是國內還是國外所涉及的文獻資料均較少,因此在合模機構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迅速啓閉。因此良好的合模機構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,避免模腔內熔料在壓力作用下打開模具而影響製品品質;

(2)能夠提供足夠的模板強度及系統剛性,這是合模機構的結構要求。足夠的模板強度及系統剛性能夠保證在反覆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、低噪聲等優異特性的模板運動,這是合模機構的性能要求。高速意味着高生產率,平穩及低噪聲意味着避免合模動作時出現波動。 ^[3] 

合模機構簡介

合模裝置主要由模板、拉桿、肘杆、製品頂出裝置和安全門、調模裝置等組成。模板的作用是固定模具和作為運動導向的定位基準，主要由後模板、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。前模板固定於牀身上，動模板則在牀身導軌上來回運動，調模時後模板在牀身上滑動。

合模機構是保證模具可靠閉緊和實現模具啓閉動作的部件。一個好的合模機構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，不產生開縫溢料現象。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，而導致製品溢邊或使製品精度下降；

2、足夠的安裝模具的空間及開啓模具的行程；

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。保證在提高生產效率的同時，有效地保護模具。

合模機構種類較多，各種不同的合模機構其運動特性的側重點也不同。根據油液油缸的分佈以及肘杆結構的不同，合模機構可分為很多種不同的結構，使用最廣泛的合模機構主要有油壓直壓式、油壓肘杆式和電動肘杆式。油壓直壓式合模機構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。這種合模結構的特點有：

1、由於高壓合模油缸處於模板中間，所以不會出現由於模板彎曲而引起的製品飛邊；

2、開模行程大且開模力穩定，可以成型深孔製品；

3、由於閘門板旋轉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，難以實現高速開閉模循環。

油壓肘杆式合模機構由合模油缸推動連桿機構，再通過連桿機構的力放大作用推動模板運動和合緊模具。油壓肘杆式合模機構主要分為五點斜排式和四點斜排式兩種結構，是最成熟的合模結構。在移模中，連桿機構具有較大的行程比係數(即行程放大倍數)和較小的力的放大倍數，在模具即將合緊時，連桿機構力的擴大倍數急劇增大，而行程比係數減少，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。在油壓肘杆式合模

機構中，油壓驅動不可避免的存在浪費能源、污染環境、噪音大等缺點，而且由於聯結連桿的銷軸需要在旋轉運動的同時承受較大的表面壓力和剪切力，所以對其材質、強度、表面硬度以及潤滑性能都有較高要求。相對於油壓直壓式合模裝置，油壓肘杆式具有速度快、變速平穩、節省電力、超載性能好等優點，但同時也有調模較複雜、合模力重複精度不高、對模具平行度要求較高等侷限。電動肘杆式合模機構與油壓肘杆式工作原理及特性相似，與油壓肘杆式相比，電動肘杆式由於動力裝置全部用電馬達，所以具有節約能源、淨化環境和噪音較低等優點。但同時由於電動肘杆式注塑機是用滾珠絲槓傳遞動力的，滾珠絲槓的磨損必然會影響到機器的性能，所以壽命較低，成本較高。

多數注塑機合模機構都是油壓肘杆式，而液壓系統不但能量損耗大，而且噪音大，油路存在滲漏問題，對環境產生污染，維護費用高。電動式合模機構以其相對於液壓式的節能、環保、控制精度高等優勢正逐步蓬勃發展起來。 ^[4] 

合模機構可以根據不同標準進行分類,主要可從模板數目、驅動源、傳動形式、合模架構、模位數目等方面進行分類。如按照模板數目進行分類,可分為三板式及二板式,如概述圖所示;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] 

世界範圍內應用廣泛、具有代表性的合模機構主要有曲肘式、全液壓直壓式、無拉桿式以及二板式。

曲肘式

五點雙曲肘內翻式。五點雙曲肘內翻式結構具有低成本、低維護、剛性及運動特性好等顯著特點,成為注塑機中應用最為廣泛的合模機構。

五點雙曲肘內翻式在注塑機中得到較為普遍的應用,原因是其充分體現了肘杆機構的3個顯著特點:(1)曲肘連桿機構力的放大功能;(2)曲肘連桿改善運動特性功能;(3)曲肘連桿自鎖功能。但曲肘式合模機構也有許多缺點,如由於採用拉桿形變進行鎖模,因此鎖模力不穩定、鉸鏈較多易磨損、調模困難、開模衝擊大、機身龐大等。

電動曲肘連桿式。20世紀80年代末推出了採用電機作為驅動源的全電動式注塑機,電動式合模機構隨之一起發展起來。相比於液壓式,電動式具有節能、降低噪聲、清潔環保、高精度、速度控制範圍寬、響應性好等特點,使其在能源日益匱乏、生態環境日益惡化及對塑料製品要求越來越高的今天迅速成為市場熱點。

電動式合模機構主要採用五點雙曲肘內翻式結構,依然屬於動力源-機械式結構,不同之處在於其動力源採用伺服電機及滾珠絲桿代替液壓油缸驅動肘杆機構帶動模板運動。由於其採用的依然是五點雙曲肘合模機構,相應地保留了肘杆式機構的缺點,並且又出現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。此機構雖然可以實現較快的移模速度,達到相當大的合模力,因而在大中小型注塑機上均有使用。但這種機構缸體長、直徑大,因此機構笨重、用油量大,能耗也高。

無拉桿式

無拉桿式於1990年一推出便引起了人們的關注，它打破傳統的四拉桿機構的合模力學形變概念,取消拉桿而利用基礎架構來進行力的傳遞,因此其設計關鍵就是堅固的基礎架構。無拉桿式採用穩定的C字形結構體,通過計算其結構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,因此係統的剛性更好,產生的彈性變形更小。

相比於有拉桿式合模機構,無拉桿式具有以下特點:(1)定模板直接固定在C形架構上,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面移動,模板的面積可以得到充分利用;(3)對於多組分注射,安裝多台注射單元非常方便,垂直式、水平式以及交叉式注射容易安裝實現;並且易於插裝一些外圍自動化設備,提高生產過程的自動化和集成化程度。

對於無拉桿式合模機構的驅動結構,有采用液壓缸作為驅動源，從整體結構上可以看出,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動源,Engle公司的技術人員將最新興起的電動技術與無拉桿技術結合,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。

二板複合式

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,其中以二板複合式最具代表。其結構特點是:有前模板、動模板,無後模板,鎖模力直接作用於兩模板上。其合模動作一般依靠小直徑油缸進行快速移模,到達指定位置後產生抱杆動作,然後裝換到大直徑油缸進行鎖模。其動作共同點是在穩壓前均會對動模板有一個止退的鎖緊程序,由一個定位鎖緊結構來完成。

二板複合式合模機構按穩壓缸數量、位置及拉桿鎖緊方式有多種不同形式相比於肘杆式合模機構,二板複合式具有以下優點:(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;機器沒有關節摩擦副,所以避免了關節的潤滑和磨損問題;(3)合模機構剛性好。二板式注塑機由於無需靠拉桿變形提供鎖模力,拉桿直徑可以粗很多,並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,結構緊湊簡潔,所需空間和佔地空間小。

二板複合式合模機構由於動模板運動時只是沿着底座,不再受肘杆或液壓缸的支撐,也意味着導杆處於懸浮狀態,因此怎樣保證模板的對準是其最大問題,並且鎖模力由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。 ^[3] 

通過以上對典型合模機構的分析,可總結歸納不同合模機構的結構特性。五點雙曲肘內翻式充分利用肘杆特性大大降低了系統對於液壓及電控的依賴,基本上全世界注塑機廠商均有應用。但是隨着塑料產業的升級換代,其弱點及侷限性也越來越突出,因此大部分廠商逐漸將研發重點轉移到其他合模機構上。

而對於全電動式來説,近年來得到了長足發展,但近期內取代液壓式注塑機成為主導型產品的可能性不大。作為塑機行業的高端產品,全電動式注塑機以其優異特性,已獲得越來越多生產廠家的青睞,近幾年在國際市場上的市場佔有率逐年提升,隨着高精度塑件的普遍應用和製造成本的降低,其未來發展空間巨大。世界上主要廠商基本都投入到全電動式注塑機的研發中。日本廠商作為傳統的電動式推動者,如住友重工、名機、日精、東芝、三菱重工等,不斷創新發展,進一步加強自己的優勢。而歐洲注塑機廠商也不斷憑藉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才剛剛起步,只有如震雄、台中精機等幾家企業推出了自己的品牌。

全液壓直壓式最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。雖然其有着顯著的缺點,如油液泄露和污染、能耗較大等,但受益於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構,降低能耗,使其有了新的發展。由於其主要依賴液壓系統,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。作為最早研究開發無拉桿式的公司,Engel公司相繼推出了世界上第一台液壓驅動以及第一台伺服電機驅動的無拉桿式注塑機。經過多年的發展,無拉桿式注塑機在複合成型領域,如立式雙工位嵌件注射成型、模內裝飾注射成型、多組分注射成型等,在歐美確立了穩固的市場地位。在無拉桿式領域Engel公司依然是一枝獨秀。

二板複合式作為20世紀90年代新推出的革新性合模機構,相比其他合模機構,其在大、超大型領域具有得天獨厚的優勢,但相應地其機械、控制、液壓技術也較難掌握。由於其在大型、超大型領域的巨大潛力使得各大廠商趨之若鶩,歐洲廠商作為傳統的注塑機企業,在液壓及控制方面有着雄厚的技術積累,因此二板複合式的發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、不同結構的二板複合式注塑機。日本及其他國家地區的廠商雖然也有推出,但總體相比與歐洲廠商依然有着一定的差距。 ^[3] 

合模機構必須能提供足夠大的合模力，以防止製品溢邊，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，前人的研究已經意識到它的成型週期是決定注塑機生產效率的重要因素，而合模過程通常佔用了相當長的時間。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，對於注塑機合模機構可分為三個過程：快速合模——提高效率；低速合模——保護模具；高壓鎖模——實現力的放大。

在對機構進行理論分析時，由於合模機構整體結構和受力狀態十分複雜，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，對整體結構做出必要的簡化，以使分析順利進行。 ^[4] 

機構可靠性研究概況

可靠性工程引起了各國的關注，越來越多的工業部門認識到可靠性問題的重要性，把產品的可靠性看得與產品的性能同樣重要。當今，提高產品的可靠性，己經成為提高產品質量的關鍵。機械可靠性包括結構可靠性和機構可靠性。結構可靠性從本世紀 60 年代起步，到 80 年代己較為成熟。結構可靠性研究工作主要涉及到結構系統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。機構可靠性是機械可靠性中的一大新的分支，與結構可靠性不同，它主要研究運動副或機構系統在規定的條件下和規定的時間內，完成預定運動功能(軌跡、速度、精度、定位、性態等)的能力。與結構可靠性相比，機構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。

機構磨損可以説是機構中最為突出的問題。在飛機構造及一般機械中，機構運動副及其零件的磨損失效，在總失效率中佔相當大的比例，對於不同種類的運動副零件，磨損失效約佔 30%－80%，如機牀的導軌需要大修或更換的重要原因是為了防止由於磨損而引起的表面刮傷所導致的加工質量不能滿足要求。在工程實際中，出現了許多因磨損失效而引起的事故。因此這促使機構磨損可靠性的專門研究變的更加重要。 ^[4] 

機構精度可靠性分析的基本原理

1、機構從動件的位置誤差、位移誤差和原始誤差 能絕對精確地實現預期

運動的機構稱為理想機構，在實際中這類機構是不存在的。因為組成機構的各構件不可避免地存在着誤差，因而實際機構的運動總是與相應的理想機構的運動有差別。這種由於機構的不準確及主動件位置不準確而引起的實際機構與理想機構的從動件位置之間的差別稱為機構從動件的位置誤差。若引起的是機構位移上的差別則稱為機構從動件位移誤差；若實際機構與相應的理想機構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中各構件的誤差稱為機構的原始誤差。

2、影響機構運動精度的主要因素 由於在設計、製造及使用過程中會產生各種誤差，所以理想機構在實際上幾乎是不存在的。產生誤差影響機構精度的主要因素有下列幾方面：

（1）機構的原理誤差；

（2）機構零部件的製造和裝配誤差及構件間的間隙；

（3）由於作用力、重力、內應力所產生的變形；

（4）由於温度變化引起零部件的尺寸變化和變形；

（5）機構的振動、摩擦和磨損。

綜合上述各種影響因素，可以從理論上對機構的運動精度得到一個比較準確、全面的分析結論，以便採取相應措施，提高機構的運動精度。

3、機構運動精度可靠性分析的基本原理 機構運動精度可靠性分析就是將影響機構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、準確的分析結論，以便指導實踐採取相應措施，提高機構運動精度可靠性。 ^[4] 

雙曲肘式作為成熟的合模機構,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,更加體現肘杆式機構的獨特優勢,但電動式的研究焦點已轉移到伺服電機及滾珠絲桿優化等方面。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,其優勢是其他形式的合模機構不能取代的。而由於其液壓系統應用較多,更多的是依靠液壓技術的進步帶來自身的發展。

無拉桿式作為合模機構的一次革新,但在保證機器剛性和製品成型精度方面,具有一定的難度,尤其大規格無拉桿式注塑機的製造,技術難度更大。因此,無論是液壓驅動還是電機驅動的無拉桿式合模機構更多的是應用於中小領域,大型化是其發展瓶頸。二板複合式合模機構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。經過多年的發展,其在大、超大型領域的巨大優勢越來越明顯。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要高出不少。隨着塑料產業的更新換代以及塑料製品要求的不斷提高,對注塑機合模機構也提出了更高要求。經過多年發展,注塑機主流合模機構逐漸穩定下來。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、高重複性、高速、節能、特種定製等一系列技術要求成為合模機構發展的焦點。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,合模機構及合模技術將會得到進一步發展,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及合模技術。 ^[3]