0    前言

        注塑机筒的外径是由机筒的疲劳强度、加热功率的配置、结构设计等多种因素决定的。机筒头部裂纹是机筒失效的主要现象，表观的主要原因是机筒的外径不足以达到机筒的疲劳强度的性能，一般采取加大机筒的外径，以降低机筒的工作应力给以解决。注塑机筒的外径是机筒设计中的重点，目前还没有一套成熟的设计理论，涉及到的机筒疲劳强度的设计，传统的设计理论不能解释机筒疲劳强度的设计实际，往往采用类比法确定机筒外径，产生了设计机筒者不知机筒外径设计的理论根据。机筒的疲劳强度、加热功率的配置、机筒的结构设计等方面探讨机筒外径的设计理论，提出了符合实际的机筒外径的设计准则，并用实例加以论证。

1    注塑机筒疲劳强度设计

        超高压注射成形已成为注塑机的发展方向，注射压力从传统的140MPa发展到200MPa以上，甚至达到400MPa，全电动的精密注塑机的注射压力250MPa，已属正常。注塑机筒的工作性能如何满足高压、超高压注射已成为新的研究课题。传统的注塑机筒的疲劳强度理论，不能解释实际中出现的机筒疲劳强度的设计，不能圆满解释注塑机筒疲劳失效现象。分析注塑机筒的弹性力学性能，评述主要的几种厚壁圆通的疲劳强度设计准则，分析了影响机筒疲劳强度的因素，提出符合实际的注塑机筒疲劳强度的设计准则。

1.1    机筒疲劳强度特性

        注塑机筒是注射部件重要的塑化零件，对其超高压疲劳强度的研究一直是设计者重要的研究课题，但也是一个易忽略的问题。已有的注塑机筒的疲劳强度设计准则不能解释超高压机筒的疲劳强度。超高内压的注塑机筒的疲劳强度设计准则，需要从不同的厚壁圆筒的疲劳强度设计理论进行新的探索和论证，为实际中可行的但不符合传统设计准则的寻找理论依据，总结出新的注塑机筒疲劳强度设计理论，以解决设计中出现的新问题。注塑机筒是属于两端开口的厚壁圆筒，但又不同于普通的厚壁圆筒，因注塑机筒还要考虑到适应于塑化的加热功率的配置要求。注塑机筒与挤出机筒同样为厚壁圆筒，但两者的工作特性完全不同，前者是循环特征为“1”的超高压下工作，后者的循环特征为“0”的低压下工作，所以两者的疲劳强度的设计理论也不同。

1.2    机筒疲劳强度分析研究的对象

        额定注射压力产生在额定注射行程段，这是不同于普通厚壁圆筒内压的不同特点。注塑机筒在额定注射行程段为压力注射，注射至结束段为高压注射。注塑机筒疲劳失效主要现象是头部高压区的径向平面内产生径向裂纹，由里到外延伸，并在该平面内沿径向一直扩展至机筒外壁，裂纹1~2条、表观显示出机筒疲劳强度不足。额定注射行程段的机筒壁厚必须达到疲劳强度的设计要求，其余段的壁厚不以注塑机筒疲劳强度设计准则作设计准则。机筒的头部由于须联接喷嘴座，又处在高压段，是机筒疲劳强度的薄弱环节，疲劳强度的设计，实质上是对机筒头部疲劳强度薄弱部位的分析研究。

        机筒头部的结构形式不同，机筒疲劳强度设计分析研究的对象也不同。机筒头部与喷嘴座联接组成一体，两者之间联接的形式不同，结构形式主要有以下几种：螺纹联接式；螺钉联接式直筒型；螺钉联接式阶梯型；螺钉联接法兰分体式。机筒头部的结构不同，疲劳强度的薄弱部位也不同，计算的对象截面的位置也不同。各种机筒头部不同结构形式的疲劳强度薄弱部位、疲劳强度计算截面。r1为机筒疲劳强度计算截面内半径，r2计算截面外半径。

1.3    机筒弹性力学分析

        机筒为两端通孔的厚壁圆筒，设内半径为r1，外半径为r2，机筒任意点半径为r，受均匀工作内压力P作用，外压为0。这是一个轴对称的平面应变问题。

2    根据加热功率配置的表面积设计外径

        注塑机筒的疲劳强度设计所确定的机筒外径仅是满足机筒疲劳强度性能，是机筒外径性能的一个方面，机筒外径还须符合塑化所需的加热功率配置面积的要求。机筒的长度是一个设计已定的参数，外径是一个可变的参数，为达到加热功率的配置面积的要求，只能变化机筒外径。机筒加热功率的设计，首先要了解塑化的原理和塑化能量平衡的原理，塑化就是对塑料原料施加热能达到熔化的注射状态，塑化需要大量的热能，塑化需要能量根据塑化原料本身的特性而定，每种塑料塑化所需要的热能差异很大。塑化需要能量来自两个方面：一部份来自螺杆剪切和与机筒内壁摩擦生热而得到热能，大部份来自机筒加热功率提供的热能。在塑化过程中，有一部分热能损耗掉，同时得到加热功率热能的补偿。在此过程中，机筒加热功率必须达到保持恒定的塑化温度的要求，才能保证塑化质量和熔体流动的要求。机筒加热功率的设计必须使之设计的加热功率适合常用塑料塑化需要的热能，并使之有一定的余量。机筒外表面积即机筒外径与长度首先要满足加热功率设计的面积配置要求，即应根据塑化能力所需加热功率按（3.5~4）W/cm2配制加热功率来设计机筒外径。

3    综合因素确定机筒外径

        机筒疲劳强度的设计及机筒加热功率的设计，目的都是为了设计确定机筒的外径。注塑机筒外径应符合疲劳强度的要求、机筒加热功率配置的要求、结构设计要求，以三因素中机筒外径的最大值为机筒外径的最终设计值。如注塑机筒疲劳强度确定的机筒外径大于机筒加热功率配置要求的机筒外径，则以注塑机筒疲劳强度确定的机筒外径作机筒外径；如机筒加热功率配置要求的机筒外径大于注塑机筒疲劳强度确定的机筒外径，则以机筒加热功率配置要求的机筒外径作机筒。

3.1    机筒疲劳强度设计决定机筒外径

        机筒疲劳强度设计的机筒外径为8cm。机筒加热功率为3.4kW，机筒配置加热圈部分的长度为55cm，加热圈单位面积功率为3.5w/cm2，机筒外径达到配置加热功率须达到：D=(3.4·1000)/(π·3.5·55·0.95)=6cm，式中0.95为加热圈配置面积效率。机筒头部结构为螺纹式的直筒型。根据上述加热功率配置要求、机筒内压极限要求、头部结构等三方面的因素综合考虑，机筒外径以疲劳强度设计的直径为依据，取D=8cm。设计后的机筒外径大于加热圈配置所需的机筒外径，配置加热圈的单位功率可降低，有利于提高加热圈的使用寿命。实际中应用，达到性能要求。

3.2    机筒加热功率配置决定机筒外径

        注射压力213MPa，机筒内径60mm。根据额定注射力，用12-M16螺钉与喷嘴座联接，配置螺钉所需机筒外径为145mm。加热功率配置设计，机筒外径为150mm。机筒疲劳强度计算的截面外径为60×1.67=100mm。校核机筒疲劳强度：径比K为1.67，机筒可承受工作内压为241MPa，大于额定注射压力213MPa，疲劳强度安全。机筒的外径为：100+16+30=146mm。综合三方面的因素，机筒外径以加热功率配置要求的直径为依据，取D=150mm。实际中应用，达到性能要求。3.3机筒结构设计决定机筒外径例7：内径65mm，注射压力为180MPa，径比K为1.43，机筒疲劳强度设计的截面外径为65×1.43=93mm。机筒的加热功率配置段的长度为1330mm，机筒加热功率同例4，根据例2的加热功率配置设计准则，机筒外径为满足加热功率配置，外径为135mm。根据注射力，配置10-M16螺钉，螺孔中心圆直径为110mm，螺钉孔底部周向内圆直径为94mm，不小于机筒疲劳强度设计所需的截面外径93mm，配置螺钉所需机筒外径为：110+30=140mm。综合三方面因素，机筒外径以结构设计要求外直径为依据，取D=140mm。实际中应用，达到性能要求。

4    结语

        机筒疲劳强度的目的是确定机筒的外径，根据加热功率配置的表面积要求确定机筒外径，一般都能满足机筒疲劳强度要求。机筒与喷嘴座的联接部位是疲劳强度的薄弱区，应十分注意该部位的疲劳强度设计，特别是两者之间用螺钉联接形式的，因为螺钉孔对疲劳强度削弱较大，而螺纹联接形式对疲劳强度削弱较小，如由于两者之间由于螺钉联接而产生径向裂纹失效，可改成螺纹联接。

        额定注射压力低于150MPa，由于注塑机筒的结构特殊性，可不考虑机筒疲劳强度，但须掌握一个原则，疲劳强度薄弱区的径比控制在1.4，机筒外径根据加热功率配置表面积的要求来确定。超高压注射压力，必须要进行机筒疲劳强度的设计。

        注塑机筒外径设计涉及的高压厚壁机筒疲劳强度的研究是一个长期的课题，新工艺、新材料、新技术的工业化的应用为研究者又不断提出新的课题。尽管研究者的工程背景和目的性很强，由于机筒疲劳强度问题的复杂性，难以得出一个理论上比较完整且普遍适用的设计准则，也很难对目前的一些设计准则做出合理性、适用性、先进性的考核，难以得出一些定量的、普遍适用的结论，但对其设计、制造、加工及进一步研究均具有很大的实用价值。机筒的外径确定准则也可应用与挤出机筒外径的设计。