新型注塑机合模机构内循环工作机理研究#
焦志伟，杨卫民**
基金项目：国家科技支撑计划项目(2007BAF13B01)；国家自然基金项目(50973009)；博士点基金项目
(20090010110005)
作者简介：焦志伟，（1985-），男，在读博士，主要研究方向为：机械设计及理论、聚合物成型加工机械。
通信联系人：杨卫民，（1965-），男，教授/博导，主要研究方向：高分子材料先进制造. E-mail:
wuselangzi@gmail.com
（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）
5 摘要：注塑机是航天航空、汽车、家电等国民经济支柱产业的关键制造设备，现代制造业中
80%以上的塑料制品采用注射成型。针对注塑机精密、高效和节能的要求，提出了一种新型
的二板式注塑机结构型式，创新之处在于其合模机构中的内循环锁模油缸。本研究建立了内
循环锁模油缸内部三维流动的数学模型及边界条件，利用计算流体动力学(CFD)原理，采用
有限体积法与动网格技术，并选取FLUENT 中的分离式求解器进行求解，得到了移模过程中
10 内循环油缸内部液压油压力场及速度场分布，并对不同移模速度对它们的影响做了研究。研
究结果能够充分反映内循环油缸内部液压油的流动情况，并为内循环合模机构的设计提供理
论指导，实现注塑机快速、精确和节能运转。
关键词：机械设计及理论；注塑机；合模机构；内循环油缸；动网格；数值模拟
 0 引言
注塑机是集机械、电子、液压、控制等多方面技术于一体的先进制造装备，是塑料制品
40 的生产母机，在汽车、家电、通讯、电子等国民经济支柱行业中有80%以上的塑料制品是
采用注射成型装备加工制造的(如图1 所示)。注塑机主要由注塑机构、合模机构、动力系统
和控制系统四部分组成。注塑成型的基本原理是：用注塑机将固态的物料经过注塑机构塑化
后，定量地注入到由合模机构夹持的模具型腔内，然后型腔内的物料通过冷却或反应固化而
 得到模塑制品 [1]。
45
图1 注塑机及其应用
当今，在一些高新尖端应用领域，对各种塑料制品的性能要求越来越高，壁厚超薄、外
形尺寸超精密、重量超轻，以及生产加工时的超高速循环、对价格昂贵的模具有很好的模保
50 功能等要求，不但对注射成型加工工艺方法提出新的要求，对注射机的合模机构的要求也越
来越高。
合模机构的基本功能是实现模具的开启与闭合，在注射成型过程中提供足够的锁模力并
在制品冷却后顶出制品。
具有代表性的五点斜排肘杆式注塑机合模机构，凭借其节能、高效及低成本的优势，长
55 期以来作为标准型式在国内外得到广泛的应用。90 年代初以德国为首的欧洲推出了许多新
的全液压式注塑机合模机构，其中二板直压式是这类结构的代表[2]。
常见的二板直压式合模机构主要有无循环式、外循环式和内循环式三种[3]。
无循环式合模机构的模具启闭和锁紧都依靠同一个合模油缸，合模油缸直径较大，无法
较好地协调力与速度的关系。因此，快速开合模需要大功率的油泵，液压油循环量大，能耗
60 极高。
对于外循环式合模机构，模具启闭通过移模油缸来进行，移模油缸直径小，能满足快速
移模的要求；模具锁紧则通过直径较大的锁模油缸来进行。在启闭模过程中，其锁模油缸活
塞要随移模油缸做随动，因此，锁模油缸两油腔之间会出现大量的油液循环，能量消耗大。
Krauss Maffei 二板式合模机构为较典型的内循环型式。该合模装置是四缸直锁型的，在
65 一组对角的锁模油缸的活塞杆(即拉杆)里设置移模油缸，该锁模油缸为普通油缸；而另一组
对角的锁模油缸为内循环油缸，四个锁模油缸的锁模侧彼此相通。工作时，通过对角设置的
移模油缸来实现移模动作，锁模油缸活塞两侧的液压油通过连通通道和内循环油缸来实现合
模机构液压油的内部循环；锁模时，内循环油缸阀芯关闭，四个锁模油缸同时作用实现额定
锁模力。其特点是移模速度快，锁模稳定，节能效果明显；但该合模机构的拉杆结构复杂，
70 不仅加工制造精度要求高、难度大，而且由于在拉杆里开设移模油缸，大大地降低了拉杆的
强度和刚度[4]。
针对现有二板式合模机构存在的以上问题，本文提出了一种新型的内循环合模机构[5]。
本文以计算流体力学软件FLUENT 为平台，对该新型合模机构移模过程中内循环油缸的内
部流场进行了数值模拟，得到了不同工况条件下油缸内部压力场与速度场的变化规律，为内
75 循环合模机构的合理设计与内循环机理研究提供理论指导。
1 新型内循环合模机构的结构及工作原理
如图2 为新型内循环二板式注塑机物理样机，其合模机构的三维造型如图3 所示，主要
 包含两个移模油缸、四个锁模油缸、四条拉杆和两块模板，锁模油缸为本合模机构的创新部
件，其特点是具备液压油的内循环功能。移模油缸与锁模油缸的缸筒分别与定模板连接，活
80 塞杆分别与动模板连接，锁模油缸的活塞杆同时也是合模机构的拉杆。锁模油缸的结构原理
如图4 所示，由具备通断功能的活塞组件实现其内循环功能，主要由设置12 个孔的活塞、
滑阀、旋紧螺母、挡圈和弹簧组成，当控制油腔压力驱动滑阀向左运动时，滑阀与活塞分离，
锁模油缸左右腔连通；当控制油腔压力卸去、弹簧驱动滑阀向右运动时，滑阀与活塞接触密
封，阻断锁模油缸左右腔连通通道。
85 移模时，移模油缸驱动动模板移动，动模板带动拉杆及锁模油缸活塞组件移动，此时，
锁模油缸的左右腔处于连通状态，液压油从一端置换至另一端；移模到达设定位置时，锁模
油缸的活塞组件切换为阻断状态，油缸一侧施加高压压力，实现模具的锁紧。
图2 新型内循环二板式注塑机物理样机
90
图3 内循环合模机构
1-拉杆 2-内循环锁模油缸 3-调模机构 4-顶出机构
5-动模板 6-模具 7-定模板 8-移模油缸
95
图4 内循环式油缸结构示意图
1-油缸前盖 2-弹簧 3-活塞 4-油缸缸筒 5-油缸后盖
6-回油口 7-旋紧螺母 8-设置于活塞上的孔 9-滑阀
100 10-控制油腔 11-挡圈 12-入油口 13-拉杆
内循环油缸在塑料注射成型机中的应用使合模机构具有如下优异性能：
 (1) 在移模阶段，锁模油缸中液压油可实现内部置换，消除了传统油缸大量油液由于回
油箱后再返回油缸的外循环过程所产生的无功能耗，也省去了外循环所需的阀与管路，节能
105 效果明显。
(2) 在移模阶段，系统动力系统只需为移模油缸提供动力，这可达到更高的移模速度，
提高工作效率。
(3) 内循环油缸结构紧凑，核心零件均为回转体，制造精度和装配精度可以有效保证，
提高其工作性能
110 2 数学模型及仿真建模
2.1 数学描述
2.1.1 动网格计算模型[6]
由于内循环油缸在活塞运动过程中流体形状会发生变化，要对其运动过程进行流场模
拟，需要用到三维动网格技术。动网格守恒方程为：
( )s
V v V V
d dV u u d A d A S dV
dt φ ρφ ρφ φ
∂ ∂
∫ +∫ − ⋅ =∫Γ∇ ⋅ +∫ v uuv uv uv
115
式中：ρ 是液体的密度；u
v
是液体的速度矢量； s uuuv
是动网格的变形速度； Γ 为扩散系
数， Sφ 为通量的源项φ ； ∂V 代表控制体V 的边界。
2.1.2 控制方程[7]
内循环油缸内流体的流动为等温定常粘性流动，按照质量守恒定律和动量守恒定律，流
120 体流动的连续行方程的微分形式为：
u v w 0
x y z
∂ ∂ ∂
+ + =
∂ ∂ ∂
(1)
动量守恒方程的微分形式为：
2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2
x
y
z
u u u v u wu F
t x y z
p u u u
x x y z
v u v v v wv F
t x y z
p v v v
y x y z
z u z v z wz F
t x y z
p w w w
z x y z
ρ ρ
μ
ρ ρ
μ
ρ ρ
μ
⎛∂ ∂ ∂ ∂ ⎞
⎜⎝∂ + ∂ + ∂ + ∂ ⎟⎠=
∂ ⎛∂ ∂ ∂ ⎞
−∂ + ⎜⎝∂ +∂ +∂ ⎟⎠
⎛∂ ∂ ∂ ∂⎞
⎜⎝∂ + ∂ + ∂ + ∂⎟⎠=
∂ ⎛∂ ∂ ∂ ⎞
−∂ + ⎜⎝∂ +∂ +∂ ⎟⎠
⎛∂ ∂ ∂ ∂⎞
⎜⎝∂ + ∂ + ∂ + ∂⎟⎠=
∂ ⎛∂ ∂ ∂ ⎞
−∂ + ⎜⎝∂ +∂ +∂ ⎟⎠
(2)
采用标准 κ-ε 模型，其湍流动能κ 和耗散率ε 方程为如下形式：
 2
2
( )
( ) ( )
t
k b M
i k i
t
k b
i i
dk k G G Y
dt x x
d C G CG
dt x x k
C
ε ε
ε
ε
μ
ρ μ ρε
σ
ε μ ε ε
ρ μ
σ
ε
ρ
κ
∂ ⎡ ∂ ⎤
=∂ ⎢⎣ + ∂ ⎥⎦+ + − −
∂ ⎡ ∂ ⎤
=∂ ⎢⎣ + ∂ ⎥⎦+ +
−
125 (3)
式中： k G 表示由于平均速度梯度产生的湍流能产生； b G 表示由于浮力影响引起的湍流
能产生； M Y 表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；湍流粘性系数
2
t C
k μ
ε
μ =ρ 。
在FLUENT 中，作为默认常数， 1 C ε =1.44， 2 C ε =1.92， 3 C ε =0.09，湍流能k 和耗散率ε 的
湍流普朗特数分别为k σ =1.0， ε σ =1.3[6]。
130 2.1.3 数值解法
采用有限体积法求解，压力项用PRESTO 格式离散，其余项用二阶迎风格式离散，压
力速度耦合方程采用PISO 算法求解。
2.2 网格的划分和边界类型、边界条件设置
对内循环油缸流体部分进行适当简化，并在CAD 三维建模软件中建模（如图5 所示为
135 模型全剖视图）。由于模型具有对称性，为减少计算量，取模型的1/12 导入FLUENT 前处
理软件GAMBIT中进行网格划分[8-9]。内循环油缸活塞运动过程中流体区域会发生较大变形，
为保证变形后网格质量，本文采用结构化网格。为更好地适应模型的复杂结构，采用分区划
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