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内容摘要： 本文分析了注塑机的锁模原理，根据其结构特点提出了一种用百分表确定注塑机锁模力的简单实用的测量方法，对此方法的应用前景进行了探讨，并据此方法对某型注塑机的实际锁模力进行了测量，获得了较为理想的结果。
关键词：注塑机 锁模力 测量方法
【中图分类号】TQ320.5
一、前言
注塑机是一种专用的塑料成型机械，其锁模力是主要性能指标之一，作用是使模具保持足够的合模力，以消除高压注射时的模具离缝，避免塑料产品产生飞边现象。
注塑机的锁模力是通过拉杆材料的弹性变形来获得的，机铰式注塑机的锁模结构如下图所示。
图1 机铰式注塑机锁模结构图
图中上部为机铰完全收起（开模），下部为机铰完全伸出（锁模）
机铰式注塑机的锁模力利用了机铰结构的力的放大和自锁作用，因而可使锁模油缸结构较小，系统压力较低，锁模动作完成后可通过机铰的自锁作用而使锁模液压系统卸荷，有利于节省能量，因此在注塑机的设计制造中获得了广泛的应用。但该锁模方式其受力和结构较为复杂，有可能由于摩擦的原因而使得机铰无法打开，因此其固定于二板与尾板之间的铰座一般不是水平的，而是与水平线成某一角度，这使得该型注塑机的锁模力的理论计算较为困难，因此有必要提出一种在工厂条件下简便易行的锁模力的测量和计算方法。
二、锁模力的产生
锁模力是指注塑机锁模机构对模具所能施加的夹紧力，其作用是抵抗熔融胶料在注射压力下充填模具型腔时所产生的分模力。注塑机的锁模力必须大于分模力，为了安全起见，锁模力通常需大于分模力的1.2倍以上。
当熔融胶料以高压注入模腔内时会产生一个使模具分开的力，称为分模力，注塑机的锁模单元所提供的锁模力必须大于注射时产生的分模力，使注射时模具不被撑开。
注塑机的锁模力是其重要性能指标之一，锁模力不足将导致注射时模具分离，使塑料产品产生飞边，增加后续处理成本，或者导致产品报废，更有甚者可能使高温熔融的塑料飞出模腔伤人，发生生产事故。因此，在生产实际中确定注塑机的锁模力具有重要的实际意义。
机铰式注塑机的锁模力是通过其液压系统的锁模油缸推动机铰结构实现力的放大、自锁，经过机铰、拉杆材料的弹性变形来获得。实际上，锁模力就是施加于模具两端面的夹紧力，它是拉杆内力通过头板、尾板、二板及机铰结构的传递施加于模具上的，其大小取决于拉杆材料的弹性变形量，测量拉杆的应变即可根据材料弹性理论的公式计算出拉杆的内力，从而确定注塑机的锁模力。
三、锁模力的计算
注塑机在工作时，其锁模机构必须能够提供足够的锁模力量使注射时模具不被分离。不论是液压式锁模结构亦或是机铰式锁模结构，锁模力都是通过拉杆的弹性变形所产生的内拉力获得的。因此，测得拉杆的内拉力，也就获得了注塑机的锁模力。
根据材料弹性力学理论，我们知道：
（1）
式中σ为材料的内应力， ε为材料的应变，E为材料的弹性模量，对于注塑机的拉杆，其横截面为圆形，因此有：
（2）
（3）
上述二式中，F为拉杆内力，d为拉杆直径，L为拉杆有效长度，△L为拉杆在内力F作用下的伸长量。将（2）、（3）式代入（1）式可知单个拉杆的内拉力为：
（4）
对于具体的注塑机，其拉杆直径d为已知，其材料的弹性模量E可根据拉杆材料由有关手册查得。拉杆有效长度L（头板和尾板外侧之间的距离）及其在内力F作用下的伸长量△L需要测量获得。按上式计算获得的是单根拉杆的内力。注塑机一般有四根拉杆，因此其锁模力为单根拉杆拉力的四倍，考虑到可能由于模具安装的不均衡，可分别测量和计算每根拉杆的拉力，将其求和即可获得注塑机的锁模力：
四、锁模力的测量方法
本测量方法所需测量工具仅为钢卷尺和百分表，不需要其他特殊的测量工具，在工厂条件下易于实现。
注塑机的锁模结构有头板、二板、尾板、机铰及拉杆等结构，头板固定于机架之上，二板和尾板浮动于机架上，当锁模时，拉杆伸长，尾板可在机架上滑动，其滑动量即为拉杆的伸长量，也即本文需要测量的伸长量。
本测量方法以工厂条件易于获得的百分表测量拉杆的实际变形量。测量时将百分表固定于机架上，表头置于拉杆末端，使百分表具有一定的压缩量。根据材料的弹性力学公式计算拉杆的拉力，从而获得注塑机的锁模力。
具体测量过程如下：
1、按实际生产过程安装注塑模具，调整注塑机尾板位置，使其达到实际工作状态；
2、测量拉杆的有效长度，拉杆在工作时受拉，其有效长度应为头板和尾板外侧之间的距离；
3、测量拉杆直径d，有图纸时，可直接按图纸获得；
4、在停机状态下将百分表的磁性底座安装于注塑机机架尾板附近的适当位置，使百分表的表头平行抵住拉杆的端头，然后开机锁模，读取百分表数据，即为拉杆的伸长量。
5、拉杆材料一般为结构钢，可按有关机械设计手册查得其材料弹性模量E。
通过测量获得拉杆的伸长量及拉杆的有效长度后，可依据前述公式计算出单个拉杆的内拉力，将所有拉杆的内拉力求和，即可获得注塑机的实际锁模力。
五、锁模力的测量数据
根据前述方法，对某型标定锁模力为150吨的注塑机的拉杆伸长量测量了三次，实测数据如下表所示：
拉杆编号 1# 2# 3# 4#
拉杆有效长度L（mm） 1530 1530 1530 1530
拉杆直径d（mm） 90 90 90 90
拉杆伸长量
△L（mm） 第1次 0.47 0.39 0.39 0.47 第2次 0.48 0.40 0.39 0.47
第3次 0.48 0.40 0.40 0.48
平均 0.477 0.397 0.393 0.473
说明：拉杆编号中，1#为前侧下拉杆，2#为前侧上拉杆，3#为后侧上拉杆，4#为后侧下拉杆。
测量时百分表的安装位置如下图所示。
测量百分表安装位置图
根据《机械设计手册》查得结构钢的弹性模量E=206Gpa
根据实测数据计算拉杆平均伸长量△L，和 以及 计算各根拉杆的内拉力及应变量如下表：
拉杆编号 1# 2# 3# 4#
拉杆内拉力（KN） 408.4 339.9 336.5 404.9
拉杆内应变（%） 0.031 0.026 0.027 0.031
从而获得注塑机的实际锁模力为：
F=408.4+339.9+336.5+404.9=1489.7（KN）≈152（吨）
从上述数据可见，计算所得数据与标定数据是非常接近的，最大拉力（前侧下拉杆）与最小拉力（后侧上拉杆）相差7.4吨，说明拉杆内力并不均衡，而测量头板与二板的平行度在机器许可的范围内，造成各拉杆内力不均衡的原因可能是模具安装不对中心或模具两端面不平行引起的。
六、本测量方法的应用
塑料制品的生产，其生产准备阶段的调模是关键因素之一。通常的做法是：①将模具的前后部分夹紧并固定在头版上；②选择低压、慢速、手动操作移动二板向前，直至机铰完全伸直；③启动调模机构，缓慢移动二板并使其与模具接触；④启动开模动作打开二板；⑤再次启动调模机构，使锁模机构向前移动“适当”的距离；⑥锁模并将模具后半部分固定在二板上，完成调模动作。
这里的第五步，使锁模机构向前移动“适当”的距离是调模的关键，完全依靠操作者的经验，有可能获得合适的锁模力，也有可能使锁模力不足或过度，后者将导致严重的后果。
采用本文提出的方法将可解决此问题，具体的操作过程如下：
1、确定模腔的投影面积和注射压力并计算分模力；
2、取安全系数为1.2，确定需要的锁模力（锁模力=分模力×1.2）；
3、根据拉杆的数量确定单根拉杆的拉力F（F=锁模力/拉杆数量）；
4、根据拉杆拉力F、拉杆直径d以及拉杆材料的弹性模量E，计算拉杆所需产生的应变量ε
5、根据拉杆的有效长度L和所需应变量ε，计算达到所需锁模力时拉杆的伸长量△L
6、安装百分表，调模，使拉杆的伸长量达到计算所得的数值。
上述调模过程虽然有比较复杂的计算过程，但可保证注塑机能够产生“合适”的锁模力，对于生产过程的安全是有实际意义的。
实际上，上述方法可集成于注塑机的设计阶段，即在拉杆上安装应变传感器，根据应变传感器直接测量拉杆的应变，再经过控制电脑获得所需的结果。
七、结论
锁模力是注塑机的重要性能指标之一，锁模力不足或者过大都将产生严重的后果。合理调模以获得“合适”的锁模力是生产准备的关键因素之一。本文提出的锁模力的验算测量方法，简便实用，不需要特别的专用量夹工具，仅需一把钢卷尺和一个百分表，这些工具在工厂条件下都易于获得，计算数据能够满足实际生产的需要，对于保证安全正常生产过程有一定的实际意义。
若在注塑机的设计过程中即考虑采用本方法，在拉杆的适当位置安装拉杆应变传感器，将计算参数直接固定于电脑中，则可简化手工计算量，提高效率，达到保证安全生产的目的。
参考文献：
陈金伟 注塑机锁模力测量新技术 《工程塑料应用》 2010年第2期
李德群 《现代塑料注射成型的原理、方法与应用》 上海交大出版社
关键词：注塑机 锁模力 测量方法
【中图分类号】TQ320.5
一、前言
注塑机是一种专用的塑料成型机械，其锁模力是主要性能指标之一，作用是使模具保持足够的合模力，以消除高压注射时的模具离缝，避免塑料产品产生飞边现象。
注塑机的锁模力是通过拉杆材料的弹性变形来获得的，机铰式注塑机的锁模结构如下图所示。
图1 机铰式注塑机锁模结构图
图中上部为机铰完全收起（开模），下部为机铰完全伸出（锁模）
机铰式注塑机的锁模力利用了机铰结构的力的放大和自锁作用，因而可使锁模油缸结构较小，系统压力较低，锁模动作完成后可通过机铰的自锁作用而使锁模液压系统卸荷，有利于节省能量，因此在注塑机的设计制造中获得了广泛的应用。但该锁模方式其受力和结构较为复杂，有可能由于摩擦的原因而使得机铰无法打开，因此其固定于二板与尾板之间的铰座一般不是水平的，而是与水平线成某一角度，这使得该型注塑机的锁模力的理论计算较为困难，因此有必要提出一种在工厂条件下简便易行的锁模力的测量和计算方法。
二、锁模力的产生
锁模力是指注塑机锁模机构对模具所能施加的夹紧力，其作用是抵抗熔融胶料在注射压力下充填模具型腔时所产生的分模力。注塑机的锁模力必须大于分模力，为了安全起见，锁模力通常需大于分模力的1.2倍以上。
当熔融胶料以高压注入模腔内时会产生一个使模具分开的力，称为分模力，注塑机的锁模单元所提供的锁模力必须大于注射时产生的分模力，使注射时模具不被撑开。
注塑机的锁模力是其重要性能指标之一，锁模力不足将导致注射时模具分离，使塑料产品产生飞边，增加后续处理成本，或者导致产品报废，更有甚者可能使高温熔融的塑料飞出模腔伤人，发生生产事故。因此，在生产实际中确定注塑机的锁模力具有重要的实际意义。
机铰式注塑机的锁模力是通过其液压系统的锁模油缸推动机铰结构实现力的放大、自锁，经过机铰、拉杆材料的弹性变形来获得。实际上，锁模力就是施加于模具两端面的夹紧力，它是拉杆内力通过头板、尾板、二板及机铰结构的传递施加于模具上的，其大小取决于拉杆材料的弹性变形量，测量拉杆的应变即可根据材料弹性理论的公式计算出拉杆的内力，从而确定注塑机的锁模力。
三、锁模力的计算
注塑机在工作时，其锁模机构必须能够提供足够的锁模力量使注射时模具不被分离。不论是液压式锁模结构亦或是机铰式锁模结构，锁模力都是通过拉杆的弹性变形所产生的内拉力获得的。因此，测得拉杆的内拉力，也就获得了注塑机的锁模力。
根据材料弹性力学理论，我们知道：
（1）
式中σ为材料的内应力， ε为材料的应变，E为材料的弹性模量，对于注塑机的拉杆，其横截面为圆形，因此有：
（2）
（3）
上述二式中，F为拉杆内力，d为拉杆直径，L为拉杆有效长度，△L为拉杆在内力F作用下的伸长量。将（2）、（3）式代入（1）式可知单个拉杆的内拉力为：
（4）
对于具体的注塑机，其拉杆直径d为已知，其材料的弹性模量E可根据拉杆材料由有关手册查得。拉杆有效长度L（头板和尾板外侧之间的距离）及其在内力F作用下的伸长量△L需要测量获得。按上式计算获得的是单根拉杆的内力。注塑机一般有四根拉杆，因此其锁模力为单根拉杆拉力的四倍，考虑到可能由于模具安装的不均衡，可分别测量和计算每根拉杆的拉力，将其求和即可获得注塑机的锁模力：
四、锁模力的测量方法
本测量方法所需测量工具仅为钢卷尺和百分表，不需要其他特殊的测量工具，在工厂条件下易于实现。
注塑机的锁模结构有头板、二板、尾板、机铰及拉杆等结构，头板固定于机架之上，二板和尾板浮动于机架上，当锁模时，拉杆伸长，尾板可在机架上滑动，其滑动量即为拉杆的伸长量，也即本文需要测量的伸长量。
本测量方法以工厂条件易于获得的百分表测量拉杆的实际变形量。测量时将百分表固定于机架上，表头置于拉杆末端，使百分表具有一定的压缩量。根据材料的弹性力学公式计算拉杆的拉力，从而获得注塑机的锁模力。
具体测量过程如下：
1、按实际生产过程安装注塑模具，调整注塑机尾板位置，使其达到实际工作状态；
2、测量拉杆的有效长度，拉杆在工作时受拉，其有效长度应为头板和尾板外侧之间的距离；
3、测量拉杆直径d，有图纸时，可直接按图纸获得；
4、在停机状态下将百分表的磁性底座安装于注塑机机架尾板附近的适当位置，使百分表的表头平行抵住拉杆的端头，然后开机锁模，读取百分表数据，即为拉杆的伸长量。
5、拉杆材料一般为结构钢，可按有关机械设计手册查得其材料弹性模量E。
通过测量获得拉杆的伸长量及拉杆的有效长度后，可依据前述公式计算出单个拉杆的内拉力，将所有拉杆的内拉力求和，即可获得注塑机的实际锁模力。
五、锁模力的测量数据
根据前述方法，对某型标定锁模力为150吨的注塑机的拉杆伸长量测量了三次，实测数据如下表所示：
拉杆编号 1# 2# 3# 4#
拉杆有效长度L（mm） 1530 1530 1530 1530
拉杆直径d（mm） 90 90 90 90
拉杆伸长量
△L（mm） 第1次 0.47 0.39 0.39 0.47 第2次 0.48 0.40 0.39 0.47
第3次 0.48 0.40 0.40 0.48
平均 0.477 0.397 0.393 0.473
说明：拉杆编号中，1#为前侧下拉杆，2#为前侧上拉杆，3#为后侧上拉杆，4#为后侧下拉杆。
测量时百分表的安装位置如下图所示。
测量百分表安装位置图
根据《机械设计手册》查得结构钢的弹性模量E=206Gpa
根据实测数据计算拉杆平均伸长量△L，和 以及 计算各根拉杆的内拉力及应变量如下表：
拉杆编号 1# 2# 3# 4#
拉杆内拉力（KN） 408.4 339.9 336.5 404.9
拉杆内应变（%） 0.031 0.026 0.027 0.031
从而获得注塑机的实际锁模力为：
F=408.4+339.9+336.5+404.9=1489.7（KN）≈152（吨）
从上述数据可见，计算所得数据与标定数据是非常接近的，最大拉力（前侧下拉杆）与最小拉力（后侧上拉杆）相差7.4吨，说明拉杆内力并不均衡，而测量头板与二板的平行度在机器许可的范围内，造成各拉杆内力不均衡的原因可能是模具安装不对中心或模具两端面不平行引起的。
六、本测量方法的应用
塑料制品的生产，其生产准备阶段的调模是关键因素之一。通常的做法是：①将模具的前后部分夹紧并固定在头版上；②选择低压、慢速、手动操作移动二板向前，直至机铰完全伸直；③启动调模机构，缓慢移动二板并使其与模具接触；④启动开模动作打开二板；⑤再次启动调模机构，使锁模机构向前移动“适当”的距离；⑥锁模并将模具后半部分固定在二板上，完成调模动作。
这里的第五步，使锁模机构向前移动“适当”的距离是调模的关键，完全依靠操作者的经验，有可能获得合适的锁模力，也有可能使锁模力不足或过度，后者将导致严重的后果。
采用本文提出的方法将可解决此问题，具体的操作过程如下：
1、确定模腔的投影面积和注射压力并计算分模力；
2、取安全系数为1.2，确定需要的锁模力（锁模力=分模力×1.2）；
3、根据拉杆的数量确定单根拉杆的拉力F（F=锁模力/拉杆数量）；
4、根据拉杆拉力F、拉杆直径d以及拉杆材料的弹性模量E，计算拉杆所需产生的应变量ε
5、根据拉杆的有效长度L和所需应变量ε，计算达到所需锁模力时拉杆的伸长量△L
6、安装百分表，调模，使拉杆的伸长量达到计算所得的数值。
上述调模过程虽然有比较复杂的计算过程，但可保证注塑机能够产生“合适”的锁模力，对于生产过程的安全是有实际意义的。
实际上，上述方法可集成于注塑机的设计阶段，即在拉杆上安装应变传感器，根据应变传感器直接测量拉杆的应变，再经过控制电脑获得所需的结果。
七、结论
锁模力是注塑机的重要性能指标之一，锁模力不足或者过大都将产生严重的后果。合理调模以获得“合适”的锁模力是生产准备的关键因素之一。本文提出的锁模力的验算测量方法，简便实用，不需要特别的专用量夹工具，仅需一把钢卷尺和一个百分表，这些工具在工厂条件下都易于获得，计算数据能够满足实际生产的需要，对于保证安全正常生产过程有一定的实际意义。
若在注塑机的设计过程中即考虑采用本方法，在拉杆的适当位置安装拉杆应变传感器，将计算参数直接固定于电脑中，则可简化手工计算量，提高效率，达到保证安全生产的目的。
参考文献：
陈金伟 注塑机锁模力测量新技术 《工程塑料应用》 2010年第2期
李德群 《现代塑料注射成型的原理、方法与应用》 上海交大出版社