多层共挤中空塑料成型机绿色技术的分析研究(二）
[ 宁波市塑料机械行业协会 ] 发表于 2013-10-31 14:11:30 浏览量：0
3 多层共挤中空机头绿色技术的分析研究
多层共挤中空机头是多层共挤中空成型机的核心部件，是设备性能、功能的标志。本节从多层共挤中空机头的型式、结构、型坯壁厚控制技术及设计理论等方面论述绿色技术体系。
多层共挤中空机头绿色技术主要体现：提高塑料原料的利用率，降低挤出型坯的重量，实现资源节约型轻量化成型；降低能量损失及提高能量利用率，实现能量节约型成型；提高挤出型坯的质量，高速型坯挤出，实现高产率成型。
3.1 多层共挤中空机头型式绿色技术的发展及研发要点
多层共挤中空机头型式分为连续挤出式和储料缸式两个大类。
多层共挤中空机头型式的绿色技术：实现中空容器资源节约型、节能化加工。
3.1.1连续挤出式多层共挤中空机头绿色技术
连续挤出式多层共挤中空机头由于型坯的挤出力依懒挤出力，不能实现灵活调节，成型领域、制品范围受到限制。适用于加工流动性好的、较低粘度的塑料，不能加工流动性差的、含有较高比例回料的混合塑料。为达到能加工较高比例回料的混合塑料，往往增大容器的壁厚，塑料原料得不到充分应用。
3.1.2 储料缸式多层共挤中空机头绿色技术
储料缸式多层共挤中空机头应用于大型多层共挤中空机，也是多层共挤中空机头的绿色化技术的主要研究和应用的对象。储料缸式多层共挤中空机头包含了多层连续式共挤机头的功能，但功能更多、性能更复杂，所以储料缸式多层共挤中空机头的绿色化技术可应用于多层连续式共挤机头的绿色技术。
储料缸式多层共挤中空机头，储料室由多个储料器组成，每个储料器与塑化挤出部件相连接。主料层熔融料存于主储料器头端的环口，功能层及粘结层（副料）的熔融料存于各个副储料器。各储料器的熔融料达到定量后，与主料挤出相协调的存于各副料储料器的辅料同时挤出机头，合流形成多层型坯。机头采用带有同心环形活塞结构型式，储料被各自液压缸驱动高速挤出。例如，多层燃料汽车油箱共挤吹塑成型，采用带储料缸的型坯共挤机头，与其他的储料缸共挤机头不同之处,在于其基层（HDPE)熔体流道中央，设有环状的模芯环，由环形活塞压出的HDPE熔体，经模芯环分为两股，在模芯环的下部汇合；在模芯环的内部，从外侧起按粘结层/PA/粘结层的次序成三层汇合，然后再从HDPE的中间挤出，形成五层结构的型坯。
储料器的布置形式有多种：外置式；内置式；内外置混合式。国内也取得了多层储料缸中空机头结构方面的专利：
1）混合内外置式多层储料缸机头(Z L 03255618.7)，其采用技术方案是，在机头体的本体内腔设置一组内储料缸，各缸的环形腔同轴一环一环相互套设，各内储料缸分别连接各层的供料接头和各层流道，在模头体本体上还设置一组外储料缸，各外储料缸分别连接对应的挤出机，各外储料缸分别连接各供料接头，适用于各式大规格多层塑料制品的生产。
2）外置式多层储料缸机头(Z L 03255617.9)，其采用的技术方案是：机头体上设置有一组外储料缸，各外储料器分别连接有对应的挤出机，同时又分别连接有各层流道连通的各供料接头。
绿色化技术性能。上述分析，表征储料式多层共挤中空机头型坯的挤出力由独立的液压系统控制，挤出速度实现伺服精密控制，扩大了成型加工能力、领域。能加工高粘度的MEHMHW-PE塑料、较高比例回料的混合塑料，降低各层壁厚，加工壁厚较薄的中空容器，实现资源节约型的绿色技术成型加工。
徐州东宏机械制造有限公司与国外技术合作开发的LH75D-3/4三层、四层的复合式多层储料缸中空机头，每层厚度均匀，质量好且换色快，根据制品的需求每层的厚度可以调整，通过精确的控制在不影响制品阻渗性能的条件下最大限度减小中层及内层厚度，从而大幅度降低塑料原料的用量，用于生产以PE、PP为原料的容积15升-1500升各种包装农药、化学品等对阻渗透要求较高的大中型塑料中空制品，接近玻璃瓶的制造成本。
3.2 多层共挤中空机头结构的绿色技术的发展及研发要点
机头结构型式分为螺旋芯棒式和叠加式。
机头结构型式是机头绿色技术的核心。每一层达到完满的均匀圆周分布，节省原料。各层料的流动均匀、无漏料、混层，均匀稳定挤出。各层单元能独立加热和控制温度，节省电耗。。
3.2.1 螺旋芯棒式结构的绿色技术
螺旋芯棒式结构共挤中空模头是由一组圆柱形的中心对称的柱体组合而成，每一层的柱体上有螺旋线形状的流道，故称之谓螺旋芯棒式结构，其存在绿色技术的缺陷：
1）塑料耗费量大。熔体在各层芯棒的汇料熔合处汇合形成“合料缝”，挤出型坯的内部分子取向及排序呈平行的树枝链，型坯被吹胀后“合料缝”区域强度得不到保证，为达到强度，必须增大制品的厚度，塑料耗费量大。停机重启动加热，机头里面的积料容易受热分解，恢复制品生产时要挤出大量的不能进入成型的原料，造成浪费；因流道长、内外层流道相差很大，外层使物料极易降解，造成经常拆卸清洗机头麻烦。分析表明达不到资源节约型的绿色技术的成型加工要求。
2）热能损耗大。机头的加热依靠机头外壁的加热器直接对多层套筒圆环状的机头流道进行加热，加热时间长；结构设计上，无法对各层原料的加工温度进行单独控制，热能损耗大。
3）加工性能受到限制。只能用于三层共挤，五层免强可用。随着共挤层数的增加，机头的外径将相应增大，从而熔体同机头内表面的接触面积（又称为熔融表面）相应增大，降低了熔体压力，延长了熔体停留时间，增大了降解的可能性。每层流道压力、流速不能调整，影响各层界面张力的吻合，容易产生剥离现象。整个机头体的温度按最高物料熔体温度设定，对低温物料极为不利。
3.2.2 叠加式结构的绿色技术
叠加式结构共挤中空机头由彼此叠加的片层组成，各层熔融流道具有各自独立的“分配盘”，各层相邻之间的熔体分配的螺旋流道的旋向相反。熔体以中心轴线对称的片层模具中进行分配，在环形流道中熔融体垂直地流向模口方向，熔融体从外侧层叠起来。多层共挤叠加机头最大特点层数可以任意组合,这样减少了浪费,避免了设备大量投资；流道短，物料不容易分解,大大减少了清洗机头的次数。叠加型共挤机头按平面叠加的方式，分为二种：
1）平面叠加式[3]
每层都是一个平面的圆柱体相互叠加，形成平面叠加。熔融料从每层分别侧进料，每层都有特定的平面流道，熔体在流道内分流几次达到机头的中央形成每层的结构。这种设计的局限在于流道的分流次数受到一定的限制，机头尺寸如要增加，机头的外径也要相应地增加，同时层层之间的紧固需按比例地采用螺栓来紧固，以便于防止溢料。
2） 斜面叠加式
斜面叠加式根据熔融料的进料类型分为上斜叠加式和下斜叠加式。每层斜面叠加，层之间相互吻合，从而不易溢料。熔融料从每层机头同一平面侧进料并流到相应的机头层进行一次分流，减少熔体的停滞，机头易于清洗，并得到良好的厚度分布。每层的熔体流道（螺旋线）数量不受限制，视直径不同，每层可设计为16条及以上数量的螺旋线，从而使每层的厚度均匀性提高、降低了物料的停留时间和压力降，因此减少了熔体的降解，并提高产量。
上述对叠加式模头结构的分析，表征叠加式结构克服了螺旋芯棒式结构绿色化技术的缺陷，推动了多层化技术的发展，其绿色技术特征：
（1）资源节约型成型加工。叠加式模头结构不存在汇料熔合的低压区域和“合料缝”，挤出型坯的内部分子取向呈左右螺旋方向纵横交错的树枝链复合，保证了制品在纵横各个方向具有均匀的机械强度、抗撕裂性能，所以在同等强度要求的情况下，制品可以相对地减薄、减轻质量，能节省原料。
（2）热能利用率高，能耗低。各分配盘间有隔热气体夹层，每层单元能独立加热和控制温度，降低了相邻层的温度干扰，实现对加工工艺温度相差很大的原料制造多层复合高阻隔容器，减少了热能损失。
（3）加工性能优异、领域广。机头层数可以任意组合，且每层温度可以单独控制，这样可以根据不同物料的需要分别控制每层的温度，有效地防止物料的分解。根据每一层物料粘度和熔点以及流动特性不同，设计流道，调整每一层物料流道的压力，即使是相邻两层的厚度比相差很大，也能够达到薄层均匀挤出。扩大了易分解的高阻隔性能的PVDC、EVOH等塑料在多层共挤中空应用领域。
平面叠加式结构的机头已在国内得到开发和应用，浙江鼎浩机械有限公司六层、七层连续共挤中空机头设计采用国际最新复合叠加式多层流道设计，低阻力流变学设计降低流动阻力光滑流到，达到换料换色快，降低能耗。各层熔融流道各自独立，保证了层间均匀性，各层独立控温，保证了重量的稳定。
斜面叠加式共挤中空机头在国内处于研发中，国际上也只有少数几家公司掌握。
3.3 流道结构的绿色技术的发展及研发要点
熔体挤入机头后，若在机头流道内受阻，或在某一部位出现滞留现象，塑料会因长时间受热而发生分解甚至碳化，使型坯表面毛糙，从而降低了制品质量。机头流道应设计成流线型，流道表面必须高度光洁，必须消除能存积物料的阻滞部位。
流道主要有3种型式：单层心型包络流道、双层心型包络流道和螺旋流道。单层心型包络流道挤出的型坯圆周上存在明显的熔合缝区，而双层心型包络流道挤出的型坯被完整的熔料层所覆盖，因此熔合缝区的强度得以提高。秦川机械发展股份有限公司SCJC500x6六层共挤中空成型机模头采用连续式共挤中空模头, 流道形式为双层心形包络曲线, 通过软件进行优化设计, 使各层熔体流速相对稳定一致，可分别挤出HDPE、粘接层、阻透层及再生料。
螺旋流道的优点是无论是单层还是多层，各层在圆周方向均不会出现明显的熔合缝区，双螺旋形流道彻底消除熔合缝区。但其主要问题是随着层数的增多，对中空机而言，由于空间上的限制，螺旋流道的设计会变得异常困难，因此，在较多层数的情况下，也采用心形包络流道设计，但各层的熔合缝的位置需错开分布，以提高型坯和制品的强度。德国 Mauser公司双工位BM202双层共挤中空机，连续式共挤模头采用低能耗的双层螺旋流道，达到熔体分配均匀，压力平衡、温度均匀一致，并控制合理的压力降，内外层分别有两台挤出机供料，用于制造双层200L塑料桶。
3.4 机头清洗的绿色技术的发展及研发要点
机头清洗（换料）速度是储料式机头性能的一个重要指标。机头拆卸清洗，要耗用大量的原料和时间排挤旧颜色和旧原料，而且耗费大量的电能。加快换料速度，首要任务是采用正确设计的流道，尽量减少滞留区域。
广东金明塑料有限公司经反复改进设计及试验，在熔料并合口处增加清洗通道。通道平时用螺塞旋合封闭，当改变制品颜色或更换配方时，只要旋下螺塞，大量的旧颜色、旧原料可通过该通道迅速地挤出模头外，整个清洗的挤出时间通常小于20min，减少模头清洗时间8～24h。，如果设备的最大挤出量为55kg／h，节约清洗原料400～1300kg。
3.5 CAD/CAE/CAPP/CAM多层共挤中空机头的开发科学化
先进的机头结构加上先进的研发手段才能取得最佳的效果。多层共挤中空机头绿色技术的设计、性能分析等方面，国内大多数生产厂家基本停留在经验设计的基础上，只有少数几个中空成型机制造厂家可以采用计算机模拟分析技术对机头的流道设计进行模拟分析，难以在多层共挤中空机头绿色化技术的发展方面取得创新创造，而且延缓了开发周期。
CAD/CAE/CAPP/CAM计算机应用技术在多层共挤中空机头设计中。运用现代的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，设计人员能迅速地了解、评估和修改设计方案，保证了结构合理性和可靠性达到完美结合，实现熔体分配的均匀性和积料清除的洁净性。
CAE设计多层共挤中空机头技术参数，实现优化机头内流道性能，使其浸料面积减少，降低原料在流道中的滞留时间和剪切速率；保证共挤多层型坯的层与层之间的比例精确性；实现基于参数化、模块化的模头系列化的快速设计；耦合模拟模头内流场和温度场，优化模具的加热系统，避免熔体过热分解产生晶点或焦料等不良现象；达到机头不依懒于生产率和原料分布有关的原料粘度；在低挤出量下具有良好的自清洁功能和高挤出量下的最小剪切热；每一层中具有良好的圆周分布；层组合原料分布均匀；能加工范围较宽的塑料原料、不同挤出量以及不同挤出量比。
秦川集团开发的多层共挤中空储料缸机头、六层共挤连续挤出中空机头，就引进了Futuresoft公司的大型计算机设计分析软件FLOW2000，该软件包括了从2D流动、3D流动、螺旋流道、心形包络流道，共挤流动等多种分析，能模拟显示熔体在流道内流动时各处的温度分布、压力分布、剪应力分布、流率分布、滞留时间，并可据此对流道的设计进行指导，寻求最佳方案。采用大型分析软件，不但解决了过去许多无法进行的分析计算，使得机头设计建立在可靠的理论基础之上，提高了大型机头的设计质量，减少了设计风险。应该说，此类大型软件的出现，是机头、口模设计和制造领域内最重要的技术进展。
4 型坯壁厚绿色技术的的分析研究
型坯壁厚控制分为轴向壁厚控制技术(AWDS)和径向壁厚控制技术(PWDS)两种形式。型坯壁厚控制技术不只是应用于储料缸式模头，也可以用于连续挤出式模头。轴向壁厚控制与径向壁厚控制的联合作用，可获得轴向和径向理想的制品壁厚分布,减轻了制品的质量，同时提高了制品的强度性能，特别是对于径向非圆截面类中空制品,明显提高了整体强度和刚度。
4.1 型坯壁厚绿色技术的发展及研发要点
创新控制理论，提高控制精度和动态响应性能，实现型坯壁厚更趋于科学化，达到节约塑料原料的消耗。
4.1.1型坯壁厚控制理论与技术的创新实现绿色技术发展科学化
美国的穆格(MOOG )、Barber—Colman、奥地利的贝加莱 (B & R)等公司型坯的壁厚控制技术处于国际领先地位。MOOG可提供独立的壁厚控制系统或整机控制方案。壁厚控制器 DIGIPACK ，根据储料缸电子尺的反馈信息控制口模间隙，可用于控制储料缸式和连续式吹塑机的型坯壁厚。
型坯壁厚伺服控制相关控制技术核心都被层层加密，根据自身特点开发控制技术，达到形成全方位的控制系统的自主知识产权。
陕西秦川机械发展股份有限公司针对线性插值、差商插值法和样条插值法都无法完整地满足壁厚图形的要求，在考虑到圆滑过渡和相互不影响的情况下，提出了采用B样条和贝塞尔曲线结合的插值法，这样既能满足曲线端点圆滑过渡的要求，又能克服样条插值法中因某点拉伸幅度过大而导致远处曲线变形的缺点。即使通过很少的控制点，也能画出理想的30~300点的任何壁厚曲线，而且操作较为方便。用此算法获得的壁厚曲线操作具有以下特点：
1）两设定点间用曲线拟和；
2）存在每点拉伸和区域曲线微调两种方式；
3）重量有3种方式调节：整体调节、高端方式和低端方式；
4）壁厚图形随调节范围变化而放大缩小，易于调节和观察；
5）每点可设定标记输出，并且在界面上显示；
6）壁厚图形修改有确认环节，可以避免误操作。
4.1.2型坯壁厚控制系统的创新实现科学化发展绿色技术
秦川机械发展股份有限公司自主开发64点径向壁厚伺服控制系统，该项技术的应用，可使制品局部在周围非对称形状位置获得更均匀的制品壁厚，可降低制品重量10~15%，填补了国内空白。
苏州同大机械有限公司[4]2010年国际上首创两种型坯壁厚控制控制系统：“动则灵”柔性曲环径向动态口模控制系统和静态芯模控制系统。这两项高新技术的控制系统的技术参数：口模柔性曲环径范围为150~850mm，口模的柔性曲环2~16点的调整控制，芯模柔性曲环控制系统的控制点数多达18~36个，控制精度0.1mm。两种控制系统适应不同产品机型、不同吹塑制品对不同口模直径的要求，可有效实现对挤出型坯的多方向控制，也为开发各种异型的吹塑制品创造了有利的条件。代表中国中空塑料吹塑成型机的型坯壁厚控制系统的综合创新能力已经达到国际先进水平。
4.1.3型坯壁厚伺服阀控油缸系统动态响应性能的研究
型坯壁厚控制整个过程要求伺服控制系统以毫秒级响应，这意味着不仅硬件的运算速度要高，同时在软件和数字控制理论方面要有新的突破，才能满足型坯壁厚控制系统响应快速、控制精确以及稳定可靠的要求。
液压缸的结构及其动态特性直接影响到系统控制性能。液压缸活塞直径、活塞杆活塞运动的阻尼对系统的性能有着直接而显著的影响。
液压缸活塞直径应该根据液压伺服系统的综合要求，结合多方因素全面考虑，确定液压缸的最小直径，使系统在满足各方面性能要求的前提下，技术指标达到最优。设计过程中，既要考虑系统的工作压力，又要考虑系统的输出功率和伺服阀的输出功率，满足驱动力的前提下，使伺服阀的输出功率和系统的输出功率达到最佳匹配，实现高性能的节能运行。
型坯壁厚伺服控制系统的动态响应性能是系统的主要性能。采用提高动态响应设计：降低活塞杆活塞运动的阻尼系数，降低带载起动摩擦力；达到提高响应速度。伺服阀与油缸直接无缝联接，提高系统固有频率；提高工作压力，减小油缸工作容积，提高自然频率。
伺服液压缸静动态性能仿真测试系统。国内制造中空成型及的厂家没有伺服液压缸静动态性能仿真测试系统，因此无法知道自己制造出来的伺服液压缸静动态性能。
上述这些对伺服阀控油缸系统的基本设计、制造的要求，没有引起国内设计者和制造者的应有的关注，设计者缺乏对自动控制理论和伺服控制理论的研究，更没有从型坯壁厚控制的实际中创新型坯壁厚的伺服阀控油缸系统的理论，更谈不上对伺服阀控油缸系统的优化设计。结果是，化高昂价格引进的国际上先进的型坯壁厚控制系统配套于自己设计制造的液压缸，其整套伺服驱动系统的型坯壁厚实际控制效果达不到理想的效果。
4.1.4 型坯离模（机头）膨胀机理的研究
坯离模膨胀机理是型坯壁厚控制理论的基础。多层共挤吹成型属于三维、瞬态、非等温多相分层流动的粘弹性成型过程，由于多相分层流动存在着个分层界面之间的相互耦合，使多层共挤吹塑过程具有特殊的流动输送规律和动力学特征，型坯离模膨胀产生机理极为复杂，至今还未有一套成熟的理论，因此现在的型坯壁厚控制软件编辑出的曲线与实际挤出的型坯有相当大的差距，仅作为主要的参考依据，不能作为实际加工的曲线，只能在实际加工中进行修正，达到完善。