注塑包装设备绿色技术科学发展的分析研究(中)
[ 宁波市塑料机械行业协会 ] 发表于 2012-04-05 15:00:58 浏览量：0
张友根
5 注塑包装设备成型高速化
高速成型是指制品成型高速，而不是指注射速度高速。注塑包装设备实现高速成型，机构、回路等整体技术不同于普通注塑机。
5.1 高速塑化注射机构
高速是注塑包装机的成型特点和性能，高速的塑化注射机构是实现高速成型的关键。传统的塑化注射机构，塑化时间占到成型周期的30~40%，实现高速成型的关键是缩短塑化和注射的总时间。复合塑化注射机构是唯一的高速塑化注射机构。
5.1.1双阶复合塑化注射机构
双阶复合塑化注射机构是把螺杆塑化和柱塞射出两者组合起来的一种新型的塑化注射机构。整个双阶复合系统采用卧式结构形式，主要由螺杆塑化、塑化储料腔、柱塞注射缸、注射缸、熔融料流道开关、注射储料腔等组成。根据制品成型的不同要求，采用不同的双阶复合塑化注射机构。
1）双阶挤注复合塑化注射机构
独立挤出塑化的注射储料，有利于大容量塑化熔融料的比容均一性，增加成型腔数，达到高产量。国内瓶盖注塑成型，最高只能达到一模24腔，而国际上已达到一模96腔，其中很大的因数是塑化熔融料的比容差别大，塑化熔融料达不到群腔成型的要求。
5.1.2 三阶挤注复合塑化注射机构
5.1.3 单阶独立塑化机构
5.2 高速注射成型平行回路
本节讨论中，研究制品不需要冷却、保压的高速成型回路。
5.2.1传统注塑成型回路
传统注塑成型回路，各个成型工序按顺序独立运行，占用成型周期的时间，达不到高速注塑成型。系统的动态反映时间在传统注射成型周期中占极小的比例，所以提高系统的动态反映性能，不能实现高速注塑成型。对提高成型速度的实用性意义不大，不能实现高速注塑成型。
5.2.2高速注塑成型回路
由上节讨论，采用多回路设计，使有关工序达到同步动作，各个工序尽量做到覆盖，提高成型速度，达到缩短成型周期。高速成型回路要充分考虑到成型制品的特性，采用不同的高速成型回路达到最佳的成型性能。
1）双阶挤出塑化及注射储料与开模和脱模、合模平行高速注塑成型回路
2） 三阶独立挤出塑化的注射储料与开模和脱模、合模平行高速注塑成型回路
3）双阶独立注射塑化的注射储料与开模和脱模、合模平行高速注塑成型回路
4）单阶独立螺杆塑化与开模和脱模、合模平行高速注塑成型回路
5.2.3高速注塑成型回路的动力驱动系统
注塑包装设备的高速注塑成型回路的主要特点是各平行回路的动力驱动各自独立，达到运行中互不干涉。
1）开模和脱模平行回路的液压动力驱动泵源
5.2节对高速注射成型回路分析中，高速成型都采用了开模和脱模两者组成平行回路，达到缩短成型周期。
2）全电动驱动
全电动驱动，各执行单元的动力驱动各自独立，提高了平行回路组合的灵活性和成型加工能力。发挥伺服电机的高动态响应的性能，开发高动态响应性能的伺服电机驱动执行机构系统，是进一步研发的课题。
Krauss Maffei公司EX 系列全电动注塑成型机，塑化和注射的两个装置安装在不带齿轮带传动装置的同一轴上的两台相联直接驱动器驱动，每根轴分别由单独的电机驱动，保证了运行方向直接将力传递给螺杆，减少了运动链和横向力，伺服电机直接驱动滚珠丝杆，提高了传动精度及传动效率。
日精树脂工业株式会社ELJECT NEX系列全电动注塑机控制系统，射出扫描时间100μ秒(新控制装置TACT)的超高速控制,从而实现了高精度、稳定成形，提高了工艺控制、V-P切换控制的应答性能、再现性能, 发挥高速成形的威力。通过直接检测螺杆反作用力的测力传感器的配置以及提高控制性能, 实现了高精度背压控制。
3）蓄能器辅佐动力高速注射与高速成型
蓄能器是达到提高注射速度、降低系统装载功率的有效的节能的方法。蓄能器蓄能需要时间，在无需冷却、保压的成型情况下，蓄能器蓄能必然占用一定的成型周期，而且动态反映需要约0.5s，对高速成型是不利的。蓄能器辅佐动力高速注射对制品需要模内冷却成型是显而现见的，特别是提高了薄壁产品的注射能力。
蓄能器高速注射性能取决于回路中的伺服阀性能。联塑（杭州）机械有限公司研发伺服电机驱动螺杆挤出塑化、蓄能器驱动柱塞注射的挤注复合系统，自主开发500Hz高速动态反映伺服阀，实现了2000mm/s的超高注射速度。
合理配备注射参数，采用大直径注射柱塞/螺杆，适当增加动力驱动装载功率，实现高速率注塑成型。例如，Husky公司的高速瓶坯注塑机，一模72腔，成型周期仅7.5s，动力驱动系统中没有采用蓄能器辅佐高速注射，而是增大注射柱塞直径，减短注射行程，高速率注射，缩短成型周期。
5.3 高速节能外差动合模油缸
高速合模油缸是指在系统装载功率不变情况下、提高合模速度，缩短合模时间。高速合模油缸的类型较多，主要有以下几种[7]：液压外（内）差动合模油缸；回油外（内）循环合模油缸；全液压自吸式合模油缸；全液压充液式回合模油缸；回油充液式及蓄能器辅佐动力的复合合模油缸。本节重点分析应用较为普遍的液压外差动合模油缸。
注塑包装设备肘杆合模机构合模运行特点为低压高速，合模为油缸无杆腔，开模为油缸有杆腔。根据合模油缸的工作特性，以及缩短成型周期的发展方向，合模采用油压外差动回路，达到提高速度、缩减生产时间、提高生产效率的目的。液压外差动合模油缸是把有杆腔的回油引入无杆腔，利用两腔的工作面积差小于无杆腔的工作面积，在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现活塞快速运动，达到快速合模，能使合模速度提高30%以上，缩短了成型周期，在高速注塑包装设备上得到广泛应用，如何达到稳态高速合模，仍需进一步研究。。
外差动合模油缸稳态速度ν：
式中：
p2: 无杆腔压力；
p1: 有杆腔工作压力；
Ad: 差动连接管路通流面积；
A2: 有杆腔工作面积；
ξ1：外差动阀的局部阻力系数；
ξ2：外差动的弯头、管接头及出入口综合局部阻力系数；
λ：外差动管路的沿程阻力系数；
ρ：工作油密度；
l、d: 外差动管路长度及管径。
从稳态速度公式可看出，外差动稳态速度在压力和负载一定的情况下，管路阻力是制约活塞运动速度的决定因素。设计及安装中，必须最大限度地减少管路损失，实现希望的快速动作。增大活塞杆的直径对提高速度稳定性有利，同时又可以降低换向阀的阻尼系数，这也有利于提高速度稳定性；减小液压缸的泄漏也对提高稳定性有利。增大活塞杆的有效面、增加液压油的体积弹性模量，减小油缸的泄漏、换向阀的阻尼系数,降低活塞的质量等，能提高无阻自然频率，达到提高动态响应性能。
5.4 提高成型速度的制品冷却先进技术
5.4.1制品冷却与成型周期平行回路
制品冷却与高速成型是一对矛盾，常规的注射成型，制品冷却处在成型周期之中。把制品冷却独立于成型周期之外，以达到高速成型的要求。
制品模外冷却，就是制品注射成型后，取出制品，并放在快速冷却定型模上，给予充足的冷却时间。Husky公司的PET瓶坯群腔注射成型，瓶坯成型后，自动把瓶坯和凸模一起移出注塑机，同时另一凸模移入注塑机进行下一成型循环，瓶坯得到了一个成型周期的冷却，缩短了成型周期。
5.4.2 模内快速冷却
采用冷水机快速冷却薄壁制品，缩短成型周期。例如成型一次性快餐碗，冷水机冷却时间仅需0.2s。
苏州纬吉精机有限公司WMCH系列水循环急冷急热模具温度控制系统，具备热水回收功能，能够有效回收热水能量，节水省电；并可用于洁净室注塑。OTH模具油温控制系统，采用多段加热的特殊设计，可避免在传热油时发生氧化，不产生对环境的污染。