差動傳動式微型注塑機(jī)注射系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)*

黃慶達(dá) 許忠斌 王 玨 施優(yōu)優(yōu) 周巨棟 張本西 劉國林

(1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.浙江申達(dá)機(jī)器制造股份有限公司)

隨著以微/納米技術(shù)為代表的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，市場對微型制品的需求量呈幾何級數(shù)增加。在微型制品的加工中，塑料因能滿足多方面的需求，占有越來越重要的地位。但是常規(guī)的注塑機(jī)并不適用于微型塑料制品的批量化生產(chǎn)加工，不僅因為其螺桿直徑大，單次塑化量高，還在于精密微細(xì)結(jié)構(gòu)制品的注射需要較高設(shè)計要求的模具流道來實現(xiàn)，且流道內(nèi)塑料浪費(fèi)大，增加生產(chǎn)成本，而且難以精確控制單次的微小注射量，無法保證制品的成型品質(zhì)和效果。

在塑料微型制品成型領(lǐng)域中，微注塑成型技術(shù)有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，能夠降低加工成本，實現(xiàn)微小零件的高效、高精度、大批量生產(chǎn)，已成為精密微小零件成型加工技術(shù)的研究熱點之一[1]。然而，國內(nèi)關(guān)于微注塑成型機(jī)的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達(dá)國家相比存在較大的差距。為此，筆者借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，研制了一種差動傳動的微型注塑成型機(jī)的注射方法及其相關(guān)裝置，解決了微注塑過程中難以控制微小注射量和注射精度的問題，對于我國微注塑成型機(jī)的發(fā)展具有借鑒意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1985年，首臺專門用于加工微型塑料制品的注塑裝置Micromelt在德國研發(fā)成功[2]。隨后其他國家開發(fā)的不同類型的微注塑機(jī)也相繼問世，微注塑成型技術(shù)從此進(jìn)入了快速發(fā)展階段。近年來，各公司及其研究機(jī)構(gòu)都在不斷改進(jìn)其注射技術(shù)，完善其控制技術(shù)，旨在實現(xiàn)更高的注射精度。目前，市場上的微注塑成型按照驅(qū)動方式可分為液壓/氣壓式驅(qū)動、全電式驅(qū)動和油電復(fù)合式驅(qū)動；按照注射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分類，可分為單階型、雙階型及三階型等[3]。

1.1單階型

日本發(fā)那科(Fanuc)株式會社研發(fā)的Roboshot全電動系列注塑機(jī)，通過檢測波形的重疊程度來判斷射出的穩(wěn)定性，而且逆流監(jiān)視能顯示逆流防止環(huán)的密封和磨損狀況，進(jìn)行最佳成型條件的調(diào)整。同時在注射單元里，螺桿與高精度、高分辨率數(shù)字測力傳感器的組合可獲得高響應(yīng)射出和高精度的壓力控制[4]。其中Roboshot S-2000i15B型號的注塑機(jī)螺桿最小能達(dá)到14mm，合模力為150kN，最大注射速度能達(dá)到700mm/s的規(guī)格。

1.2雙階型

螺桿-螺桿式，德國阿博格Arburg公司研制的微注塑機(jī)采用液壓驅(qū)動方式，并設(shè)計了注射螺桿和預(yù)塑螺桿呈45°空間布置的雙螺桿注塑單元。微型注塑單元將直徑8mm的注射螺桿和可以有多種規(guī)格選擇的預(yù)塑螺桿(如直徑為12mm或15mm)組合在一起進(jìn)行注射工作，并根據(jù)先入先出原則進(jìn)行最佳備料。同時該注塑單元還配備有止逆閥和密封裝置以避免物料的回流，可用于加工質(zhì)量小于1g的微細(xì)精密制品。

柱塞-柱塞式，西班牙Cronosplast公司生產(chǎn)的一款液壓驅(qū)動的Babyplast 6/10P型微注塑機(jī)，合模力為62.5kN，注射柱塞直徑有10～18mm等多規(guī)格的組合，尤其適合加工重量0.01～5.00g的微小型產(chǎn)品。其金屬球塑化系統(tǒng)設(shè)計，解決了物料在螺桿式塑化系統(tǒng)中的剪切破壞和過熱降解問題；活塞式注射系統(tǒng)設(shè)計，在減小了熔體在機(jī)筒內(nèi)滯留時間的同時保證了較高的注射精度[4]。

螺桿-柱塞式，德國的Maenner公司研制的一款合模力為50kN的Micro-maen 50型微注塑機(jī)采用全電動注射方式。具體驅(qū)動是由伺服電機(jī)驅(qū)動直徑為14、16、18mm等型號的螺桿進(jìn)行預(yù)塑，然后遵循先進(jìn)先出原理將熔料輸送到注射腔內(nèi)，并通過精密的控制系統(tǒng)利用柱塞進(jìn)行注射(柱塞直徑最小能達(dá)到4mm)。

1.3三階型

德國的WITTEN Battebfeld公司研發(fā)的Micro Power 5-15t型微注塑機(jī)將塑化、計量、注射等模塊分塊設(shè)計，然后再組合裝配成整機(jī)[5]。物料通過直徑為14mm的螺桿均勻塑化后注入計量模塊，然后直徑為5mm的注射活塞推動物料前行達(dá)到精密注射的效果(圖1)。同時為降低壓力損失、提高注射精度，采用了短流道設(shè)計和動態(tài)壓力控制，使得注射精度可達(dá)0.001cm3。

2 微注塑成型機(jī)的注射系統(tǒng)

通過分析國內(nèi)外微注塑機(jī)的研究現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有市場上的微注塑成型過程最小注射量的控制大都利用高精密度、高靈敏度的傳感器配合伺服電機(jī)來實現(xiàn)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本高，不利于微注塑機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。

圖1 Battebfeld三階微注塑注射塑化結(jié)構(gòu)示意圖

2.1差動傳動式注射系統(tǒng)的注射方法

區(qū)別于一般微注塑機(jī)利用溫度/壓力傳感器控制注射量達(dá)到注射精度的方法，差動傳動式微型注塑機(jī)注射方法的特點是利用螺紋結(jié)構(gòu)的差動傳動來完成對注射精度的控制(圖2)，具體是將螺紋套的外螺紋與固定在支架上的主動螺母相配合，形成主螺紋副，螺紋套的內(nèi)螺紋與從動螺桿相配合，形成從螺紋副，主動螺母和從動螺桿的旋向一致，螺距不等，且主動螺母的螺距大于從動螺桿的螺距。主、從兩副螺紋副串聯(lián)疊加形成差動螺旋機(jī)構(gòu)，兩個螺紋副的螺距差即為差動距離。從動螺桿與注射柱塞的連接處安裝計量調(diào)節(jié)裝置，計量調(diào)節(jié)裝置包括模擬開關(guān)、放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器、加法器及處理器等。根據(jù)注塑成型工藝，輸入設(shè)定的熔料注射量，通過位移傳感器對從動螺桿的位移測量轉(zhuǎn)換為熔料的注射量，反饋到注射伺服電機(jī)，進(jìn)行計量和注射的協(xié)調(diào)動作。注射量設(shè)定值可以根據(jù)不同注塑產(chǎn)品的需要，方便、快捷地調(diào)節(jié)，并通過位移傳感器快速做出反應(yīng)。

圖2 差動螺旋差動注射裝置

因此，本差動傳動的微型注塑機(jī)的注射方法能提高注射精度，實現(xiàn)微型塑料制品的精密高效成型，并且具有結(jié)構(gòu)簡單及操作容易等優(yōu)點。

2.2差動螺紋傳動的工作原理

圖3 差動螺紋工作原理

2.3差動傳動式注射系統(tǒng)的控制原理

差動傳動式注射系統(tǒng)的控制原理(圖4)：在一個注射周期開始時，設(shè)定好熔料的注射量，處理器發(fā)出控制信號，預(yù)塑裝置把熔融態(tài)的塑料輸送到注射流道中，注射伺服電機(jī)啟動驅(qū)動差動螺紋結(jié)構(gòu)，是通過驅(qū)動螺旋套轉(zhuǎn)動帶動從動螺桿進(jìn)行差動傳動的熔料注射。位移傳感器用來測量從動螺桿的移動距離，由模擬開關(guān)進(jìn)行信號采集。從位移傳感器得出的信號經(jīng)過放大濾波，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號送入處理器中。處理器按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)ψ⑸淞糠答佒岛驮O(shè)定值進(jìn)行處理，從而得出控制信號，控制預(yù)塑裝置和注射伺服電機(jī)的協(xié)同動作，實現(xiàn)微型制品的精密高效成型。

圖4 差動傳動式注射系統(tǒng)的控制原理

2.4差動傳動式注射系統(tǒng)的工作流程

差動傳動式的注射系統(tǒng)工作流程為(圖5)：一個計量行程開始之后，首先通過計量調(diào)節(jié)裝置設(shè)定精密注射量，止逆閥關(guān)閉，預(yù)塑螺桿伺服電機(jī)啟動，塑料顆粒通過在預(yù)塑機(jī)筒中熔融塑化之后止逆閥打開，在預(yù)塑螺桿壓力的作用下經(jīng)由止逆閥的控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入到注射流道中；之后注射伺服電機(jī)驅(qū)動螺紋結(jié)構(gòu)，使得螺紋套轉(zhuǎn)動，然后通過主動螺母并帶動從動螺桿沿著支撐桿軸向直線運(yùn)動；最后從動螺桿上安裝的注射柱塞把熔料快速精確地注射到模腔中。此時計量調(diào)節(jié)裝置判斷計量是否結(jié)束，若計量結(jié)束則注射伺服電停止轉(zhuǎn)動，計量結(jié)束；若計量還沒有結(jié)束，由位移傳感器測量位移信號，送到控制器里并作用到差動螺紋結(jié)構(gòu)中來精確的控制注射量，完成注塑的動作。

圖5 差動傳動式注射系統(tǒng)的工作流程

3 注射系統(tǒng)分析計算

差動傳動式注射系統(tǒng)采用全電動驅(qū)動方式，因此需要驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供較大的推力和較低運(yùn)轉(zhuǎn)速度。直線電機(jī)的優(yōu)點是可簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，但其成本高，相對微型注塑機(jī)來說尺寸也較大。所以，本設(shè)計采用技術(shù)完善、成本相對較低的伺服電機(jī)作為注射系統(tǒng)的驅(qū)動元件。選用絲杠螺母周向旋轉(zhuǎn)、軸向固定，滾珠絲杠周向固定、軸向直線運(yùn)動的形式。

滾珠絲杠將伺服電機(jī)提供的扭矩轉(zhuǎn)化為推力，經(jīng)過差動螺旋傳動裝置，為柱塞注射提供動力。絲杠螺母的扭矩為：

式中l(wèi)——滾珠絲杠導(dǎo)程，m；

P——軸向外負(fù)載，N；

TG——負(fù)載扭矩，N·m；

η——滾珠絲杠機(jī)械效率，一般取為0.94。

式中Ds——柱塞直徑，m；

Ni——注射功率，kW；

pi——注射壓力，MPa；

vi——注射速度，mm/s。

其中，Ni為注射的瞬時功率，在設(shè)計時需要考慮整個成型周期的功率，故轉(zhuǎn)換成成型周期的等值功率為：

式中Ni——成型周期中每個階段(或動作)所需的功率，kW；

Nm——等值功率，kW；

ti——成型周期中每個階段所需的時間，s。

注射伺服電機(jī)工作時，注射動作占了絕大部分功率，而保壓過程所需的功率相對來說可以忽略。選取伺服電機(jī)時應(yīng)把等值功率Nm與各階段的最大功率Ni相比較，當(dāng)最大功率在電機(jī)允許超載范圍內(nèi)時，可按等值功率選取電機(jī)，即Nm≤KNe。其中Ne為電機(jī)額定功率，K為超載系數(shù)，一般取K=1.5～2.0[7]。

經(jīng)計算，選擇合適的電機(jī)以滿足工作要求。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，提高控制精度，有利于微型塑料制品的成型。

4 結(jié)論

4.1在分析市場上現(xiàn)有微型注塑機(jī)注塑結(jié)構(gòu)和注射參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了差動傳動的微型注塑成型機(jī)的注射方法。此方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、制造成本較低。

4.2基于差動傳動的微型注塑成型機(jī)的注射方法，設(shè)計了差動傳動的微型注塑成型機(jī)的注射裝置。此裝置制造容易、控制簡單高效，同時避免使用價格高昂的高精密、高靈敏度的傳感器，降低了整機(jī)成本，利于微注塑機(jī)的推廣和商業(yè)化應(yīng)用。

4.3針對所設(shè)計的差動傳動微型注塑成型機(jī)的注射裝置，進(jìn)行了注射系統(tǒng)的分析計算，驗證了裝置的低能耗和高精度的優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

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