1 前言
毕业设计是我们四年大学的最后一次作业，它是对我们动手能力的考查， 要我们明白理论固重要，实践价更高的道理。
通过毕业设计，灵活系统的运用所学知识，提高分析，解决问题的能力。为了把毕业设计作好，马晓录老师带领我们去了河南新飞塑料制品公司参观调研，并且自己通过到图书馆和互联网上查资料使我对注塑机有了充分直观的认识，为后续工作打下了良好的基础。
我的毕业设计项目是SJ-15型全电动注塑设备，这是一个新的项目，当前，由于我国生产水平相对较低，机械行业里国际先进水平尚有一段距离，只有很少的公司生产，大部分都是从国外引进。但是，在老师的带领下，我们去了新飞塑料制品公司参观了一下实物，也是我意识到调研的重要性，通过对实物工作过程的感性认识，可以基本了解它的外形和工作原理，为自己的设计方案的设计奠定了基础。
通过独立完成一台机械设备的设计，使我掌握了产品设计和创新的基本方法，也懂得了机械设计的过程，增强了自己的设计能力。调研也使我大大地开阔了眼界，增长了知识和能力，也看到了目前国内外注塑机械行业的差别，也使我增加了对注塑机械的兴趣。
通过这次的毕业设计的实习调研，使我了解到我国的注塑技术和设备是比较落后的，与国外相比有很大的差距。只靠从国外引进技术和设备是不合理的，因为（1）、我国的国力不允许；（2）、引进的技术不能很好的消化和吸收，这对提高我国在此方面的水平是不利的。面对我国现在的状况使得我们要努力的完成这次毕业设计，并在以后的工作中为提高我国机械制造业水平而努力。
2 概述
2.1 注塑工业概述
塑料工业是国民经济重要工业部门，又是一个新兴的综合性很强的工业体系。它是由塑料制品成型及应用，塑料原料设备，塑料回收，再生与利用及相应的树脂合成设备，助剂设备，塑料准备设备，塑料成型设备，塑料二次加工设备，塑料辅助设备，机头与模具制造等组成的工业体系。
由于塑料的飞速发展，塑料制品的应用领域不断扩展，塑料加工设备已经成为国家机械工业的重要组成部分。
塑料加工设备是在橡胶机械和金属压铸机的基础上发展起来的，早在18世纪50年代，橡胶机械已有了一定的水平，到19世纪70年代，出现了注塑工艺与设备。20世纪30年代塑料加工如注塑，挤出形成了工业化的加工方法，70年代塑料工业发展到了一个新的历史时期，促使塑料加工机械水平不断提高，无论从技术，品种，规格，产量都有了很大的发展。
塑料加工机械按其工艺流程可分为塑料准备加工设备，塑料成型加工设备，塑料二次加工设备，塑料辅助加工设备，废旧塑料回收加工设备。其中，塑料成型加工设备是塑料加工设备中的重点，主要有注塑机及其辅助设备，挤出机及其辅助设备，中空吹塑机 压延成型设备，滚塑成型设备，泡沫塑料成型设备。
在成型加工中，注塑占有占有重要位置，其设备就是注塑机。注塑成型与挤出成型相比，注塑成型是周期性的生产单个制件，而挤出机是连续成型的。
注塑成型的特点如下：可一次成型外形复杂，尺寸精确，表面光洁的塑料制件；能成型带有金属嵌件的制件，使之有良好的装配性能和互换性，有利于塑件的应用，标准化，系列化；注塑成型的模具可快速更换，以便制造适应市场需求的产品；特别适宜工程塑料及特种塑料的成型，获得有热书性能、特殊用途的制品；自动化程度高，生产率高，可实现“无人化”管理。注塑制品广泛的应用在家电、汽车、机械、电子、建筑、医疗卫生、农林、交通运输、宇航、军工等行业。
近年来，世界各国的注塑机械开始朝着高速、高效、节能、和生产自动化方向发展，全电动注塑机是目前这种环境下开发出来的一种全新的产品。
电动注塑机具备很多优点，电动注塑机与液压注塑机最大区别是前者没有液
压系统，因而避免了漏油问题，另外油压系统需要水冷却，由于水质差引起冷却缸管道腐蚀生锈，甚至使冷却水混入压力油中，造成维修问题，而电动注塑机则可完全避免，成为人们对洁净生产环境，能源节约及加工工艺准确性要求日益增加的一个标志。
2.2 注塑机的工作原理
注塑机是利用金属压铸原理设计发展而来的。注塑是一种以高压高压将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的一种成型方法。
2.3 全电动注塑机的开发价值
对比传统的注塑机，新型的全电动注塑机集中体现了以下四个方面的优势。 （1）
完美的制造环境。驱动系统全电动化，排除了液压油的污染，消除了操作噪声，获得最佳的环保型作业环境。
（2）
高的性能价格比。在获得高性能的同时。使电力，冷却水量等能源消耗以及运转经费大幅度下降。
（3）
全电动的设计克服了液压油特性随温度变化给操作、控制精度带来的影响，控制系统的精度及可靠性大大提高。
（4）
采用伺服电机驱动，获得优异的高速性，极大的提高生产率。
3 方案论证
全电动注射装置以交流伺服电动机代替传统注塑机中的液压驱动油缸，配以滚柱丝杠、齿形带及齿轮等来完成对机器执行机构的驱动。因而避免了漏油问题，符合人们对洁净生产环境，能源节约及加工工艺准确性的要求。
该装置采用交流伺服电动机实现注塑的精确控制，采用滚柱丝杠实现注射螺杆的往复直线运动，采用螺旋驱动装置实现螺杆的旋转，从而完成对机器执行机构的驱动。
该装置总装配图如图3-1所示。
图3-1 全电动注塑装置装配图
4 设计内容
4.1 本课题的设计目的
本课题针对塑料混合、造粒、挤出成型的要求，拟研究和设计一种具有良好的混合效果和挤出、注射成型多功能的SJ-15型全电动螺杆挤出注射装置，并通过研究和适当的设计，使设备具有较好的混合效果、较高的生产效率和较低的能耗水平。通过本课题的工作，将达到培养和提高学生的知识综合运用能力和创新的能力，使学生能够较好的掌握一台完整机械设备的设计过程，理解和掌握材料挤出成型设备与过程控制，了解机械设计、制造和相关专业领域的技术进展及发展趋势，为学生走向社会、走向实际工作奠定基础。
4.2 本课题的设计任务
本课题要求学生完成1台具有混合、塑化、挤出、注射成型多功能的SJ-15型全电动螺杆挤出注射装置的设计工作。主要工作任务包括：分析和研究具有混
合、塑化和挤出、注射成型多功能的螺杆挤出注射成型装置的结构要素和组成部分，设计合理的螺杆结构、挤出机壳体结构、机头结构、传动机构、注射机构和螺杆转速选择与控制等内容，并完成总装配图设计和主要部件、零件设计图纸。。
4.3 本课题的主要设计参数
制件质量8-25g/件，螺杆直径15mm ，螺杆长径比25－32，螺杆转速根据物料性质和加工要求可在5-80rpm 之间调节，主电机功率不高于10KW 。挤出机应能适应粉体、颗粒和添加纤维的挤出混合要求，有合理的温度控制系统，温控精度可达±1℃，有良好的耐用性和经济性。
4.4 本课题的成果要求
本设计课题的成果要求以设计图纸和设计说明书的形式完成。图纸工作量不少于4张零号图，包括总体装配图、注射机构装配图、传动机构装配图、料筒机构装配图、螺杆零件图等。
5 设计及计算
5.1 螺杆的设计及计算
5.1.1 螺杆设计主要指标
(1) 生产能力 生产能力是设计螺杆的主要指标之一。不同规格的螺杆生产能力是不同的，同一规格的螺杆，由于结构和几何尺寸的差异或由于螺杆转速的差异，加工同一物料的生产能力也各有不同。因此，必须有一个作为比较生产能力的标准。
(2) 功率消耗 从注塑机的能量平衡来看，在挤压系统中对物料所消耗的能量应等于对物料的加热能量和对螺杆输入功率的总和。螺杆的单耗值愈大，说明螺杆所作的机械功对物料进行剪切和摩擦作用而转换为热能愈多，物料得到的热量愈多。
(3) 螺杆的加工制造容易、使用寿命长 螺杆加工制造困难，影响螺杆的造价。使用寿命短，机台的经济性差。 5.1.2 注射螺杆主要参数的确定 (1)螺杆直径D s 的确定
由设计参数知螺杆直径为15mm 。
(2) 螺杆长径比L/D s
设计参数给出螺杆长径比25－32， 取长径比为26 ，可得 L=390mm。 (3)螺纹形状的确定
选取螺纹为梯形螺纹，螺旋角θ取17.6 即θ＝
s
°
tan
1
I
s
，可推出I ＝47. 55mm
螺旋厚度e ＝0.1×D ＝0.1×15=1.5mm,又因为e ＝bcos θ所以可推出 b=4.75mm. ，又因为b=I-B，所以 B=I-b＝42.8mm ，螺道宽度W=Bcosθ＝42.8×cos 17.6＝38.52mm ，选取螺纹为梯形螺纹，螺纹倾角α＝10～15，r=0.5×H 3－3.64×0.5＝1.82mm ， R=1r＝1.82mm ， α=10。
为了使物料的混合效果较好，螺杆安装了两段三头捏合块。 整个螺杆的示意图如图
5-1
°
°
°°
图5-1 注射螺杆
5.2 机筒的设计及计算
机筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性。并且对于一些新型的挤压系统来说，机筒在加料段上的结构形式也是影响到固体输送效率。机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此，机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零部件。
在设计机筒时，要考虑到机筒结构形式的选择、机筒上的加料口形式、机筒与机头的联接方式以及机筒机械加工制造的难易等问题。
本机器的挤出注射长度不是太大，故采用整体式机筒。其特点是长度短，加
工要求比较高，在加工精度和装配精度上容易得到保证，也可简化装配工作。根据螺杆的外径以及机筒内的间隙推算出机筒的内径及外径。由于该机筒要求具有高的强度，筒壁的厚度取用δ＝15mm ，内径取16mm ，外径取47mm 。筒体示意图如图
5-2.
图5-2 机筒
5.3 电机的选择
5.3.1 注射装置驱动电机的选择
选择SD02型交流伺服电动机，该电动机的特点是体积小，质量小，控制功率小，温升小，输出转距大，性能指标高，无自转现象，控制性能好。
SD02型交流伺服电动机技术数据：
额定频率 ：50Hz; 额定激磁电压：110V 额定控制电压：5.5V ； 起动控制电压：5.5V ； 激磁绕组串联电容1/400V； 最大输入功率：10W ； 空载转速：2r/min; 额定转矩：49Ncm; 最大转距：98Ncm; 质量：0.6kg.
5.3.2 螺杆旋转驱动电机的选择
选择摆线针轮减速机，此减速机的特点是体积小，工作性能稳定，对外界的条件的要求不高，可以正、反两向运转。同时选择直联式，可以提高对中度，减小安装空间。
设计计算及说明
功率选择
P ＝载荷功率×工况系数∕摆线减速器效率 ＝5.11×1.5∕0.97
效率
η＝0.97
工况系数 K ＝1.5 试选择XWD3-5-59
输入功率 N ＝10kw 减速机输出转矩 T ＝9550×P/ n 许用 转矩 [T]＝29210.90333Nm
T=17166.81818Nm
5.4 轴的设计及计算
5.4.1 轴上的结构设计
轴上零件的周向固定：齿轮的周向固定用平键联接。
轴上零件的轴向固定：轴承的轴向固定用套筒和轴承盖固定。 轴材料选用45钢调质 5.4.2 轴的形状设计
我们选用的是阶梯齿轮轴。如图4-3所示。
图5-3 注射装置齿轮 5.4.3 轴的尺寸计算
1 前言
毕业设计是我们四年大学的最后一次作业，它是对我们动手能力的考查， 要我们明白理论固重要，实践价更高的道理。
通过毕业设计，灵活系统的运用所学知识，提高分析，解决问题的能力。为了把毕业设计作好，马晓录老师带领我们去了河南新飞塑料制品公司参观调研，并且自己通过到图书馆和互联网上查资料使我对注塑机有了充分直观的认识，为后续工作打下了良好的基础。
我的毕业设计项目是SJ-15型全电动注塑设备，这是一个新的项目，当前，由于我国生产水平相对较低，机械行业里国际先进水平尚有一段距离，只有很少的公司生产，大部分都是从国外引进。但是，在老师的带领下，我们去了新飞塑料制品公司参观了一下实物，也是我意识到调研的重要性，通过对实物工作过程的感性认识，可以基本了解它的外形和工作原理，为自己的设计方案的设计奠定了基础。
通过独立完成一台机械设备的设计，使我掌握了产品设计和创新的基本方法，也懂得了机械设计的过程，增强了自己的设计能力。调研也使我大大地开阔了眼界，增长了知识和能力，也看到了目前国内外注塑机械行业的差别，也使我增加了对注塑机械的兴趣。
通过这次的毕业设计的实习调研，使我了解到我国的注塑技术和设备是比较落后的，与国外相比有很大的差距。只靠从国外引进技术和设备是不合理的，因为（1）、我国的国力不允许；（2）、引进的技术不能很好的消化和吸收，这对提高我国在此方面的水平是不利的。面对我国现在的状况使得我们要努力的完成这次毕业设计，并在以后的工作中为提高我国机械制造业水平而努力。
2 概述
2.1 注塑工业概述
塑料工业是国民经济重要工业部门，又是一个新兴的综合性很强的工业体系。它是由塑料制品成型及应用，塑料原料设备，塑料回收，再生与利用及相应的树脂合成设备，助剂设备，塑料准备设备，塑料成型设备，塑料二次加工设备，塑料辅助设备，机头与模具制造等组成的工业体系。
由于塑料的飞速发展，塑料制品的应用领域不断扩展，塑料加工设备已经成为国家机械工业的重要组成部分。
塑料加工设备是在橡胶机械和金属压铸机的基础上发展起来的，早在18世纪50年代，橡胶机械已有了一定的水平，到19世纪70年代，出现了注塑工艺与设备。20世纪30年代塑料加工如注塑，挤出形成了工业化的加工方法，70年代塑料工业发展到了一个新的历史时期，促使塑料加工机械水平不断提高，无论从技术，品种，规格，产量都有了很大的发展。
塑料加工机械按其工艺流程可分为塑料准备加工设备，塑料成型加工设备，塑料二次加工设备，塑料辅助加工设备，废旧塑料回收加工设备。其中，塑料成型加工设备是塑料加工设备中的重点，主要有注塑机及其辅助设备，挤出机及其辅助设备，中空吹塑机 压延成型设备，滚塑成型设备，泡沫塑料成型设备。
在成型加工中，注塑占有占有重要位置，其设备就是注塑机。注塑成型与挤出成型相比，注塑成型是周期性的生产单个制件，而挤出机是连续成型的。
注塑成型的特点如下：可一次成型外形复杂，尺寸精确，表面光洁的塑料制件；能成型带有金属嵌件的制件，使之有良好的装配性能和互换性，有利于塑件的应用，标准化，系列化；注塑成型的模具可快速更换，以便制造适应市场需求的产品；特别适宜工程塑料及特种塑料的成型，获得有热书性能、特殊用途的制品；自动化程度高，生产率高，可实现“无人化”管理。注塑制品广泛的应用在家电、汽车、机械、电子、建筑、医疗卫生、农林、交通运输、宇航、军工等行业。
近年来，世界各国的注塑机械开始朝着高速、高效、节能、和生产自动化方向发展，全电动注塑机是目前这种环境下开发出来的一种全新的产品。
电动注塑机具备很多优点，电动注塑机与液压注塑机最大区别是前者没有液
压系统，因而避免了漏油问题，另外油压系统需要水冷却，由于水质差引起冷却缸管道腐蚀生锈，甚至使冷却水混入压力油中，造成维修问题，而电动注塑机则可完全避免，成为人们对洁净生产环境，能源节约及加工工艺准确性要求日益增加的一个标志。
2.2 注塑机的工作原理
注塑机是利用金属压铸原理设计发展而来的。注塑是一种以高压高压将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的一种成型方法。
2.3 全电动注塑机的开发价值
对比传统的注塑机，新型的全电动注塑机集中体现了以下四个方面的优势。 （1）
完美的制造环境。驱动系统全电动化，排除了液压油的污染，消除了操作噪声，获得最佳的环保型作业环境。
（2）
高的性能价格比。在获得高性能的同时。使电力，冷却水量等能源消耗以及运转经费大幅度下降。
（3）
全电动的设计克服了液压油特性随温度变化给操作、控制精度带来的影响，控制系统的精度及可靠性大大提高。
（4）
采用伺服电机驱动，获得优异的高速性，极大的提高生产率。
3 方案论证
全电动注射装置以交流伺服电动机代替传统注塑机中的液压驱动油缸，配以滚柱丝杠、齿形带及齿轮等来完成对机器执行机构的驱动。因而避免了漏油问题，符合人们对洁净生产环境，能源节约及加工工艺准确性的要求。
该装置采用交流伺服电动机实现注塑的精确控制，采用滚柱丝杠实现注射螺杆的往复直线运动，采用螺旋驱动装置实现螺杆的旋转，从而完成对机器执行机构的驱动。
该装置总装配图如图3-1所示。
图3-1 全电动注塑装置装配图
4 设计内容
4.1 本课题的设计目的
本课题针对塑料混合、造粒、挤出成型的要求，拟研究和设计一种具有良好的混合效果和挤出、注射成型多功能的SJ-15型全电动螺杆挤出注射装置，并通过研究和适当的设计，使设备具有较好的混合效果、较高的生产效率和较低的能耗水平。通过本课题的工作，将达到培养和提高学生的知识综合运用能力和创新的能力，使学生能够较好的掌握一台完整机械设备的设计过程，理解和掌握材料挤出成型设备与过程控制，了解机械设计、制造和相关专业领域的技术进展及发展趋势，为学生走向社会、走向实际工作奠定基础。
4.2 本课题的设计任务
本课题要求学生完成1台具有混合、塑化、挤出、注射成型多功能的SJ-15型全电动螺杆挤出注射装置的设计工作。主要工作任务包括：分析和研究具有混
合、塑化和挤出、注射成型多功能的螺杆挤出注射成型装置的结构要素和组成部分，设计合理的螺杆结构、挤出机壳体结构、机头结构、传动机构、注射机构和螺杆转速选择与控制等内容，并完成总装配图设计和主要部件、零件设计图纸。。
4.3 本课题的主要设计参数
制件质量8-25g/件，螺杆直径15mm ，螺杆长径比25－32，螺杆转速根据物料性质和加工要求可在5-80rpm 之间调节，主电机功率不高于10KW 。挤出机应能适应粉体、颗粒和添加纤维的挤出混合要求，有合理的温度控制系统，温控精度可达±1℃，有良好的耐用性和经济性。
4.4 本课题的成果要求
本设计课题的成果要求以设计图纸和设计说明书的形式完成。图纸工作量不少于4张零号图，包括总体装配图、注射机构装配图、传动机构装配图、料筒机构装配图、螺杆零件图等。
5 设计及计算
5.1 螺杆的设计及计算
5.1.1 螺杆设计主要指标
(1) 生产能力 生产能力是设计螺杆的主要指标之一。不同规格的螺杆生产能力是不同的，同一规格的螺杆，由于结构和几何尺寸的差异或由于螺杆转速的差异，加工同一物料的生产能力也各有不同。因此，必须有一个作为比较生产能力的标准。
(2) 功率消耗 从注塑机的能量平衡来看，在挤压系统中对物料所消耗的能量应等于对物料的加热能量和对螺杆输入功率的总和。螺杆的单耗值愈大，说明螺杆所作的机械功对物料进行剪切和摩擦作用而转换为热能愈多，物料得到的热量愈多。
(3) 螺杆的加工制造容易、使用寿命长 螺杆加工制造困难，影响螺杆的造价。使用寿命短，机台的经济性差。 5.1.2 注射螺杆主要参数的确定 (1)螺杆直径D s 的确定
由设计参数知螺杆直径为15mm 。
(2) 螺杆长径比L/D s
设计参数给出螺杆长径比25－32， 取长径比为26 ，可得 L=390mm。 (3)螺纹形状的确定
选取螺纹为梯形螺纹，螺旋角θ取17.6 即θ＝
s
°
tan
1
I
s
，可推出I ＝47. 55mm
螺旋厚度e ＝0.1×D ＝0.1×15=1.5mm,又因为e ＝bcos θ所以可推出 b=4.75mm. ，又因为b=I-B，所以 B=I-b＝42.8mm ，螺道宽度W=Bcosθ＝42.8×cos 17.6＝38.52mm ，选取螺纹为梯形螺纹，螺纹倾角α＝10～15，r=0.5×H 3－3.64×0.5＝1.82mm ， R=1r＝1.82mm ， α=10。
为了使物料的混合效果较好，螺杆安装了两段三头捏合块。 整个螺杆的示意图如图
5-1
°
°
°°
图5-1 注射螺杆
5.2 机筒的设计及计算
机筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性。并且对于一些新型的挤压系统来说，机筒在加料段上的结构形式也是影响到固体输送效率。机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个挤压系统的工作性能。因此，机筒在挤压系统中是仅次于螺杆的重要零部件。
在设计机筒时，要考虑到机筒结构形式的选择、机筒上的加料口形式、机筒与机头的联接方式以及机筒机械加工制造的难易等问题。
本机器的挤出注射长度不是太大，故采用整体式机筒。其特点是长度短，加
工要求比较高，在加工精度和装配精度上容易得到保证，也可简化装配工作。根据螺杆的外径以及机筒内的间隙推算出机筒的内径及外径。由于该机筒要求具有高的强度，筒壁的厚度取用δ＝15mm ，内径取16mm ，外径取47mm 。筒体示意图如图
5-2.
图5-2 机筒
5.3 电机的选择
5.3.1 注射装置驱动电机的选择
选择SD02型交流伺服电动机，该电动机的特点是体积小，质量小，控制功率小，温升小，输出转距大，性能指标高，无自转现象，控制性能好。
SD02型交流伺服电动机技术数据：
额定频率 ：50Hz; 额定激磁电压：110V 额定控制电压：5.5V ； 起动控制电压：5.5V ； 激磁绕组串联电容1/400V； 最大输入功率：10W ； 空载转速：2r/min; 额定转矩：49Ncm; 最大转距：98Ncm; 质量：0.6kg.
5.3.2 螺杆旋转驱动电机的选择
选择摆线针轮减速机，此减速机的特点是体积小，工作性能稳定，对外界的条件的要求不高，可以正、反两向运转。同时选择直联式，可以提高对中度，减小安装空间。
设计计算及说明
功率选择
P ＝载荷功率×工况系数∕摆线减速器效率 ＝5.11×1.5∕0.97
效率
η＝0.97
工况系数 K ＝1.5 试选择XWD3-5-59
输入功率 N ＝10kw 减速机输出转矩 T ＝9550×P/ n 许用 转矩 [T]＝29210.90333Nm
T=17166.81818Nm
5.4 轴的设计及计算
5.4.1 轴上的结构设计
轴上零件的周向固定：齿轮的周向固定用平键联接。
轴上零件的轴向固定：轴承的轴向固定用套筒和轴承盖固定。 轴材料选用45钢调质 5.4.2 轴的形状设计
我们选用的是阶梯齿轮轴。如图4-3所示。
图5-3 注射装置齿轮 5.4.3 轴的尺寸计算