1简介

背景

合模装置一般主要由前、后固定模板、移动模板、拉杆及动模板驱动装置等组成，它是注塑机合模系统的主要组成部件。注塑机合模装置通常按其工作原理可分为机械式、液压式和液压-机械组合式三种类型。 

注塑机合模技术是注塑工艺的关键环节，其合模机构是注塑机的关键设备。自1956年世界上出现台现代意义上的注塑机开始，合模机构作为重要的单元伴随着注塑机不断发展。20世纪70年代末陆续出现了曲肘式、单缸充液式等结构，80年代五点双曲肘式结构的出现更是合模机构的重大进展，90年代以德国为代表的欧洲厂家推出了许多新的全液压式合模机构，其中二板复合式是其典型代表，日本厂家则将重点放在了全电动式注塑机上，并取得了相当大的成果。由加拿大Engel公司推出的无拉杆式结构及德国Krauss Maffei公司推出的电动Z形结构，表明合模机构依然在创新中不断前进。但是对于注塑机合模机构的分析研究，无论是国内还是国外所涉及的文献资料均较少，因此在合模机构方面的研究仍然有许多工作可以做。

良好的合模技术保证了在合模过程中模板平稳迅速启闭。因此良好的合模机构需要满足以下基本要求：

（1）能够提供足够的合模力，这是合模机构的功能要求。足够大的合模力能够保证模板锁紧，避免模腔内熔料在压力作用下打开模具而影响制品品质；

（2）能够提供足够的模板强度及系统刚性，这是合模机构的结构要求。足够的模板强度及系统刚性能够保证在反复的运动过程中合模部件不致因频繁受力而引起变形或损坏；

（3）能够提供高速、平稳、低噪声等优异特性的模板运动，这是合模机构的性能要求。高速意味着高生产率，平稳及低噪声意味着避免合模动作时出现波动。

合模机构简介

合模装置主要由模板、拉杆、肘杆、制品顶出装置和安全门、调模装置等组成。模板的作用是固定模具和作为运动导向的定位基准，主要由后模板、动模板、前模板组成，三者以拉杆相连，模具固定在动模板与前模板上。前模板固定于床身上，动模板则在床身导轨上来回运动，调模时后模板在床身上滑动。

合模机构是保证模具可靠闭紧和实现模具启闭动作的部件。一个好的合模机构必须具备如下三方面的特性：
1、能提供足够的合紧模具力，保证模具在熔料的压力下，不产生开缝溢料现象。因为在注射时，进入膜腔的熔料还具有一定的压力，这就要求合模装置给予模具足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打开，而导致制品溢边或使制品精度下降；
2、足够的安装模具的空间及开启模具的行程；
3、快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢—快—慢的运动特性。保证在提高生产效率的同时，有效地保护模具。
合模机构种类较多，各种不同的合模机构其运动特性的侧重点也不同。根据油液油缸的分布以及肘杆结构的不同，合模机构可分为很多种不同的结构，目前使用广泛的合模机构主要有油压直压式、油压肘杆式和电动肘杆式。油压直压式合模机构直接通过锁模油缸的推力或拉力来锁紧模具，锁模力与油缸作用力相等。

这种合模结构的特点有：
1、由于高压合模油缸处于模板中间，所以不会出现由于模板弯曲而引起的制品飞边；
2、开模行程大且开模力稳定，可以成型深孔制品；
3、由于闸门板旋转及其动作切换以及高压开模油缸与移模油缸在开模时的动作切换耗时较多，难以实现高速开闭模循环。
油压肘杆式合模机构由合模油缸推动连杆机构，再通过连杆机构的力放大作用推动模板运动和合紧模具。油压肘杆式合模机构主要分为五点斜排式和四点斜排式两种结构，是目前成熟的合模结构。在移模中，连杆机构具有较大的行程比系数（即行程放大倍数）和较小的力的放大倍数，在模具即将合紧时，连杆机构力的扩大倍数急剧增大，而行程比系数减少，这样，即使用一个较小较短的合模推力油缸，也能达到较大的合模力和移模行程。在油压肘杆式合模机构中，油压驱动不可避免的存在浪费能源、污染环境、噪音大等缺点，而且由于联结连杆的销轴需要在旋转运动的同时承受较大的表面压力和剪切力，所以对其材质、强度、表面硬度以及润滑性能都有较高要求。相对于油压直压式合模装置，油压肘杆式具有速度快、变速平稳、节省电力、超载性能好等优点，但同时也有调模较复杂、合模力重复精度不高、对模具平行度要求较高等局限。电动肘杆式合模机构与油压肘杆式工作原理及特性相似，与油压肘杆式相比，电动肘杆式由于动力装置全部用电马达，所以具有节约能源、净化环境和噪音较低等优点。但同时由于电动肘杆式注塑机是用滚珠丝杠传递动力的，滚珠丝杠的磨损必然会影响到机器的性能，所以寿命较低，成本较高。

目前，多数注塑机合模机构都是油压肘杆式，而液压系统不但能量损耗大，而且噪音大，油路存在渗漏问题，对环境产生污染，维护费用高。电动式合模机构以其相对于液压式的节能、环保、控制精度高等优势正逐步蓬勃发展起来。 

2注塑机合模机构的分类

合模机构可以根据不同标准进行分类,主要可从模板数目、驱动源、传动形式、合模架构、模位数目等方面进行分类。如按照模板数目进行分类,可分为三板式及二板式,如图1所示;按照传动形式进行分类，可分为全机械式（已淘汰）、机械连杆式、全液压直压式及液压机械式。 

3典型合模机构分析

目前世界范围内应用广泛、具有代表性的合模机构主要有曲肘式、全液压直压式、无拉杆式以及二板式。

曲肘式

五点双曲肘内翻式。五点双曲肘内翻式结构具有低成本、低维护、刚性及运动特性好等显著特点,成为目前注塑机中应用为广泛的合模机构。

五点双曲肘内翻式在注塑机中得到较为普遍的应用,原因是其充分体现了肘杆机构的3个显著特点：（1）曲肘连杆机构力的放大功能;（2）曲肘连杆改善运动特性功能;（3）曲肘连杆自锁功能。但曲肘式合模机构也有许多缺点,如由于采用拉杆形变进行锁模,因此锁模力不稳定、铰链较多易磨损、调模困难、开模冲击大、机身庞大等。

电动曲肘连杆式。20世纪80年代末推出了采用电机作为驱动源的全电动式注塑机,电动式合模机构随之一起发展起来。相比于液压式,电动式具有节能、降低噪声、清洁环保、高精度、速度控制范围宽、响应性好等特点,使其在能源日益匮乏、生态环境日益恶化及对塑料制品要求越来越高的今天迅速成为市场热点。

目前电动式合模机构主要采用五点双曲肘内翻式结构,依然属于动力源-机械式结构,不同之处在于其动力源采用伺服电机及滚珠丝杆代替液压油缸驱动肘杆机构带动模板运动。由于其采用的依然是五点双曲肘合模机构,相应地保留了肘杆式机构的缺点,并且又出现滚珠丝杆易磨损导致合模精度下降、伺服电机超载、价格成本较高等新问题。

全液压直压式

充液式是全液压直压式的典型应用,又称增速式。一般是由一个大活塞式油缸（锁模油缸）和一个小作用油缸（快速移模油缸）组成。以小直径油缸实现快速移模,以大直径油缸获得所需合模力,而在快速移模过程中,合模油缸能自动充液。

这种机构的原理是在油压一定的情况下,以直径大小不同的主辅油缸分别满足较大的合模力和较快的移模速度的要求。此机构虽然可以实现较快的移模速度,达到相当大的合模力,因而目前在大中小型注塑机上均有使用。但这种机构缸体长、直径大,因此机构笨重、用油量大,能耗也高。

无拉杆式

无拉杆式于1990年一推出便引起了人们的关注，它打破传统的四拉杆机构的合模力学形变概念，取消拉杆而利用基础架构来进行力的传递，因此其设计关键就是坚固的基础架构。无拉杆式采用稳定的C字形结构体，通过计算其结构体的有效截面是相同体积情况下普通四拉杆截面积之和的10倍，因此系统的刚性更好，产生的弹性变形更小。

相比于有拉杆式合模机构，无拉杆式具有以下特点：（1）定模板直接固定在C形架构上，很大程度上扩展了接触面积，降低了模板的挠度，保证模板的平行度；（2）没有了4根拉杆的限制，模具的安装和拆卸变得极为便利，模具可以自由地向上以及两个侧面移动，模板的面积可以得到充分利用；（3）对于多组分注射，安装多台注射单元非常方便，垂直式、水平式以及交叉式注射容易安装实现；并且易于插装一些外围自动化设备，提高生产过程的自动化和集成化程度。

对于无拉杆式合模机构的驱动结构，有采用液压缸作为驱动源，从整体结构上可以看出，由快速移模油缸进行移模，合模油缸进行直压锁模；也有采用伺服电机作为驱动源，Engle公司的技术人员将新兴起的电动技术与无拉杆技术结合，设计了高精密度以及高能源利用率的电动无拉杆式合模机构。

二板复合式

20世纪90年代初，欧洲厂商推出了许多新的全液压式注塑机，其中以二板复合式具代表。其结构特点是：有前模板、动模板，无后模板，锁模力直接作用于两模板上。其合模动作一般依靠小直径油缸进行快速移模，到达*位置后产生抱杆动作，然后装换到大直径油缸进行锁模。其动作共同点是在稳压前均会对动模板有一个止退的锁紧程序，由一个定位锁紧结构来完成。

二板复合式合模机构按稳压缸数量、位置及拉杆锁紧方式有多种不同形式相比于肘杆式合模机构，二板复合式具有以下优点：（1）机器容量大，特别适合大型注塑机；（2）受力状况理想。运动副不受合模力，磨损很小；机器没有关节摩擦副，所以避免了关节的润滑和磨损问题；（3）合模机构刚性好。二板式注塑机由于无需靠拉杆变形提供锁模力，拉杆直径可以粗很多，并且长度只有二板与头板的距离，锁模封闭力线短；（4）与同吨位机型相比，整机的长度短，结构紧凑简洁，所需空间和占地空间小。

二板复合式合模机构由于动模板运动时只是沿着底座，不再受肘杆或液压缸的支撑，也意味着导杆处于悬浮状态，因此怎样保证模板的对准是其大问题，并且锁模力由4个油缸提供，当4个锁模油缸施加的力不均衡时会导致动板倾斜。

4合模机构特性分析及应用情况

通过以上对典型合模机构的分析，可总结归纳不同合模机构的结构特性。五点双曲肘内翻式充分利用肘杆特性大大降低了系统对于液压及电控的依赖，基本上*注塑机厂商均有应用。但是随着塑料产业的升级换代，其弱点及局限性也越来越突出，因此大部分厂商逐渐将研发重点转移到其他合模机构上。

而对于全电动式来说，近年来得到了长足发展，但近期内取代液压式注塑机成为主导型产品的可能性不大。作为塑机行业的产品，全电动式注塑机以其优异特性，已获得越来越多生产厂家的青睐，近几年在国际市场上的*逐年提升，随着高精度塑件的普遍应用和制造成本的降低，其未来发展空间巨大。世界上主要厂商基本都投入到全电动式注塑机的研发中。日本厂商作为传统的电动式推动者，如住友重工、名机、日精、东芝、三菱重工等，不断创新发展，进一步加强自己的优势。而欧洲注塑机厂商也不断凭借雄厚的技术背景加入到电动式注塑机的行列中来，如Krauss Maffei、Demag、Engel、Arburg、Netstal等厂商相继推出了自己的全电动式注塑机品牌。而中国的全电动式注塑机研发才刚刚起步，只有如震雄、台中精机等几家企业推出了自己的品牌。

全液压直压式早以单缸充液式为代表，但它难以解决力与速度之间的矛盾，促使在单缸式的基础上发展成其他形式，如增压式、充液式、充液增压式、增量式等。虽然其有着显著的缺点，如油液泄露和污染、能耗较大等，但受益于近年来液压技术的不断进步，利用比例流量、比例方向技术可以大大简化注塑机结构，降低能耗，使其有了新的发展。由于其主要依赖液压系统，因此推出的全液压直压式注塑机多为拥有雄厚液压技术的欧洲及日本注塑机厂商，如欧洲的Battenfeld、Milacron、Demag、Aburg等，日本的名机、东芝、日精、三菱重工等技术雄厚公司。作为早研究开发无拉杆式的公司，Engel公司相继推出了世界上台液压驱动以及台伺服电机驱动的无拉杆式注塑机。经过多年的发展，无拉杆式注塑机在复合成型领域，如立式双工位嵌件注射成型、模内装饰注射成型、多组分注射成型等，在欧美确立了稳固的市场地位。目前，在无拉杆式领域Engel公司依然是*。

二板复合式作为20世纪90年代新推出的革新性合模机构，相比其他合模机构，其在大、超大型领域具有得天独厚的优势，但相应地其机械、控制、液压技术也较难掌握。由于其在大型、超大型领域的巨大潜力使得各大厂商趋之若鹜，欧洲厂商作为传统的注塑机企业，在液压及控制方面有着雄厚的技术积累，因此二板复合式的发展趋势一直有欧美厂商主导，各大厂商如Krauss Maffei、Battenfeld、Demag、Engel、Milacron等分别推出了不同形式、不同结构的二板复合式注塑机。日本及其他国家地区的厂商虽然也有推出，但总体相比与欧洲厂商依然有着一定的差距。

5设计中需要解决的关键技术

编辑
合模机构必须能提供足够大的合模力，以防止制品溢边，因此，在设计中必须考虑合模过程力放大的作用。另一方面，注塑机是一种间歇式工作的设备，前人的研究已经意识到它的成型周期是决定注塑机生产效率的重要因素，而合模过程通常占用了相当长的时间。因此，提高开合模过程中的速度，是提高注塑机效率行之有效的方法，但是当模具接近闭合时，过快的合模速度可能导致模具损坏。由此可以看出，对于注塑机合模机构可分为三个过程：快速合模——提率；低速合模——保护模具；高压锁模——实现力的放大。

在对机构进行理论分析时，由于合模机构整体结构和受力状态十分复杂，考虑所有因素的影响是十分困难的，这就需要找出影响精度的主要因素，忽略次要因素，对整体结构做出必要的简化，以使分析顺利进行。 

6合模机构误差分析

机构可靠性研究概况

目前，可靠性工程引起了各国的关注，越来越多的工业部门认识到可靠性问题的重要性，把产品的可靠性看得与产品的性能同样重要。当今，提高产品的可靠性，己经成为提高产品质量的关键。机械可靠性包括结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性从本世纪 60 年代起步，到 80 年代己较为成熟。目前，结构可靠性研究工作主要涉及到结构系统主要失效模式的确定以及提高失效模式失效概率的计算精度等问题。机构可靠性是机械可靠性中的一大新的分支，与结构可靠性不同，它主要研究运动副或机构系统在规定的条件下和规定的时间内，完成预定运动功能（轨迹、速度、精度、定位、性态等）的能力。与结构可靠性相比，机构可靠性的研究起步较晚，直到 20 世纪 70 年代才开始，到了 80 年代才有了一定的基础。

机构磨损可以说是机构中为突出的问题。在飞机构造及一般机械中，机构运动副及其零件的磨损失效，在总失效率中占相当大的比例，对于不同种类的运动副零件，磨损失效约占 30%－80%，如机床的导轨需要大修或更换的重要原因是为了防止由于磨损而引起的表面刮伤所导致的加工质量不能满足要求。在工程实际中，出现了许多因磨损失效而引起的事故。因此这促使机构磨损可靠性的专门研究变的更加重要。 

机构精度可靠性分析的基本原理

1、机构从动件的位置误差、位移误差和原始误差 能地实现预期
运动的机构称为理想机构，在实际中这类机构是不存在的。因为组成机构的各构件不可避免地存在着误差，因而实际机构的运动总是与相应的理想机构的运动有差别。这种由于机构的不准确及主动件位置不准确而引起的实际机构与理想机构的从动件位置之间的差别称为机构从动件的位置误差。若引起的是机构位移上的差别则称为机构从动件位移误差；若实际机构与相应的理想机构的主动件处在相同的位置，引起两者从动件位置之差的机构中各构件的误差称为机构的原始误差。
2、影响机构运动精度的主要因素 由于在设计、制造及使用过程中会产生各种误差，所以理想机构在实际上几乎是不存在的。产生误差影响机构精度的主要因素有下列几方面：
（1）机构的原理误差；
（2）机构零部件的制造和装配误差及构件间的间隙；
（3）由于作用力、重力、内应力所产生的变形；
（4）由于温度变化引起零部件的尺寸变化和变形；
（5）机构的振动、摩擦和磨损。
综合上述各种影响因素，可以从理论上对机构的运动精度得到一个比较准确、全面的分析结论，以便采取相应措施，提高机构的运动精度。
3、机构运动精度可靠性分析的基本原理 机构运动精度可靠性分析就是将影响机构输出位置误差或位移误差的诸原始误差作为随机变量，用多种简化的线性方法或非线性方法对机构的各输出量的运动精度进行概率分析。从理论上得到一个较为全面、准确的分析结论，以便指导实践采取相应措施，提高机构运动精度可靠性。 [4] 

7展望

双曲肘式作为成熟的合模机构，是注塑机应用的基本合模单元，且电动式以双曲肘为合模单元的应用，更加体现肘杆式机构的*优势，但电动式的研究焦点已转移到伺服电机及滚珠丝杆优化等方面。全液压直压式能够长期保持模板平行度、移模行程长、容模量大，适应深孔形制件及精密件的注射成型，其优势是其他形式的合模机构不能取代的。而由于其液压系统应用较多，更多的是依靠液压技术的进步带来自身的发展。

无拉杆式作为合模机构的一次革新，但在保证机器刚性和制品成型精度方面，具有一定的难度，尤其大规格无拉杆式注塑机的制造，技术难度更大。因此，无论是液压驱动还是电机驱动的无拉杆式合模机构更多的是应用于中小领域，大型化是其发展瓶颈。二板复合式合模机构作为全液压式注塑机的典型

应用，解决全液压直压式在特大型注塑领域应用的瓶颈。经过多年的发展，其在大、超大型领域的巨大优势越来越明显。作为机械、电气、液压高度一体化的设备，其技术要求相比其他合模机构要高出不少。随着塑料产业的更新换代以及塑料制品要求的不断提高，对注塑机合模机构也提出了更高要求。经过多年发展，注塑机主流合模机构逐渐稳定下来。对合模单元的研究更多集中到合模过程及合模工艺上，高精度、高重复性、高速、节能、特种定制等一系列技术要求成为合模机构发展的焦点。值得一提的是，配置如机械手等外围自动化设备也逐渐成为合模单元的重要组成部分。毫无疑问，合模机构及合模技术将会得到进一步发展，新的工程技术也将会应用到注塑机领域形成新的合模机构及合模技术。