吳裕農(nóng),王樹輝,許中明

塑料擠出吹塑中空成型壁厚均勻性的控制

吳裕農(nóng)1,王樹輝2,許中明1

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,廣東佛山 528333;2.樂善機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司,廣東佛山 528306)

通過對(duì)擠出吹塑中空成型設(shè)備增設(shè)壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、對(duì)型坯擠出模頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以及對(duì)全工作過程采用閉環(huán)自動(dòng)控制,大大提高了中空成型制品的壁厚均勻性。改進(jìn)后設(shè)備的生產(chǎn)效率提高,成型制品的單件質(zhì)量、質(zhì)量偏差及平均能耗降低,實(shí)現(xiàn)了塑料擠出吹塑中空成型技術(shù)的重點(diǎn)突破,達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先并接近國際先進(jìn)水平。

擠出吹塑中空成型;壁厚;擠出模頭;閉環(huán)控制

Abstract:In order to improve the uniformity of wall thickness of extrusion-blow-molded parts,several improvements were made,including an automatic control device of wall thickness,the structure of parison extrusion die was improved,and automatic close-loop control was used during the whole working process.The efficiency of the improved machine was greatly improved,and at the same time the weight deviation of the extrusion-blow-molded parts and the average energy consumption was decreased.

Key words:extrusion blow molding;wall thickness;extrusion die;close-loop control

0 前言

塑料擠出中空吹塑制品制造過程中螺桿擠壓熔融塑料經(jīng)模頭形成管狀毛坯,然后借助氣體壓力使閉合在模具中的熱溶型坯吹脹形成中空制品[1],此過程中管狀毛坯料懸掛在模頭上,由于重力作用毛坯被拉長(zhǎng)而變成上薄下厚,最后造成制品壁厚分布不均;同時(shí)制品截面尺寸不一致、拉伸比不一也造成拉伸比大的部位壁薄(反之則厚)。新國標(biāo) GB/T 13508—200X《聚乙烯吹塑容器》參照國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),以力學(xué)性能(如跌落性能)為制品主要驗(yàn)收指標(biāo)。為了保證制品力學(xué)性能,目前國內(nèi)普遍采用整體增加制品壁厚的方法,使塑料原料消耗加大;同時(shí),成型制品壁厚大,冷卻時(shí)間長(zhǎng),生產(chǎn)效率下降。國內(nèi)設(shè)備的能耗大致為國外同類型設(shè)備的1.5～2倍,速度一般為50%～70%,塑化能力為60%～70%左右,制品的正品率也低于國外先進(jìn)水平[2]。因此,優(yōu)化制品的壁厚,在保證力學(xué)性能要求的前提下盡量降低單件制品質(zhì)量是本行業(yè)技術(shù)重點(diǎn)之一。

1 壁厚均勻性控制措施

1.1 壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

模頭能否及時(shí)提供足夠塑料至需要加厚的部位,或及時(shí)按要求減少,對(duì)塑料制品的壁厚均勻性控制很重要?，F(xiàn)有的技術(shù)一般采用手動(dòng)調(diào)節(jié)來控制,其生產(chǎn)效率和控制的精度都存在很大不足,采用壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置能有效彌補(bǔ)這些缺陷。

壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械部分是模頭,如圖1所示,它包括活動(dòng)模芯和定模,活動(dòng)模芯的上端延伸出模腔外與液壓油缸的活塞連接,彈簧可使活塞復(fù)位?？刂撇糠质菈毫刂蒲b置,它由液壓閥體(包括比例壓力閥和調(diào)壓閥)、控制液壓閥體的電腦、油箱和油泵,液壓閥體與液壓油缸之間由高壓油管和回油管連接,并與油箱和油泵連接。液壓閥體上的比例壓力閥的高壓端和低壓端分別連接高壓油管和回油管,控制端與電腦連接,調(diào)壓閥連接油泵與比例壓力閥,液壓油缸是單流向的。

圖1 壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置Fig.1 Automatic control device for wall thickness

工作時(shí),將產(chǎn)品的數(shù)值輸入電腦,電腦接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理,調(diào)節(jié)比例壓力閥的壓力差,調(diào)壓閥根據(jù)壓力差控制油壓,當(dāng)油量不足時(shí),調(diào)壓閥使油泵泵油到液壓閥,當(dāng)油量過剩時(shí),調(diào)壓閥回油到油箱,因此有效控制比例壓力閥的壓力差。比例壓力閥中的油壓經(jīng)高壓油管和回油管輸入/輸出液壓油缸,實(shí)現(xiàn)油壓控制,液壓油缸中活塞帶動(dòng)模芯的向下運(yùn)動(dòng),壓力差即為活動(dòng)模芯的行程大小,從而使模頭出料口的開合大小得到控制,實(shí)現(xiàn)塑料制品厚度的自動(dòng)控制。

1.2 型坯擠出模頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

型坯擠出模頭工作時(shí)模芯不能偏移,否則會(huì)出現(xiàn)型坯橫向厚薄不均勻。圖2為改進(jìn)前的型坯擠出模頭,它主要由拉桿組件(包括抽芯桿和模芯)、芯套、模套和口模組成;模芯與口模構(gòu)成型坯出料口;抽芯桿與模套形成的空隙構(gòu)成塑膠通道;模套上開有塑膠入口。工作時(shí),抽芯桿旋轉(zhuǎn),塑膠料從入口進(jìn)入,經(jīng)過塑膠通道從出料口擠出。該結(jié)構(gòu)存在的缺陷是：(1)由于塑膠料從入口單側(cè)進(jìn)入,塑膠通道靠近入口這一側(cè)先充滿,料流單邊沖擊擠壓拉桿組件,使拉桿組件偏移,模芯偏移,出料口各向大小不一,型坯橫向厚薄不均勻;(2)模套與芯套是直孔配合,會(huì)形成夾縫,塑膠容易經(jīng)此泄漏。

圖3為改進(jìn)后的型坯擠出模頭,采用的技術(shù)改進(jìn)措施是：組合芯套由內(nèi)層套和外層套組成;內(nèi)層套包裹住拉桿組件(包含抽芯桿和模芯)插入外層套,外層套的下部至內(nèi)層套的裙部;外層套與內(nèi)層套之間開設(shè)內(nèi)層塑膠通道,與模套之間開設(shè)外層塑膠通道;內(nèi)外層塑膠通道與出料口貫通;模套上開設(shè)內(nèi)塑膠入口和外塑膠入口,分別與內(nèi)層塑膠通道和外層塑膠通道連通。模套與外層套、外層套與內(nèi)層套均為錐度配合。

圖2 改進(jìn)前的型坯擠出模頭Fig.2 Structure of parison extrusion die before improvement

圖3 改進(jìn)后的型坯擠出模頭Fig.3 Structure of parison extrusion die after improvement

該結(jié)構(gòu)由于塑膠是由組合芯套對(duì)稱進(jìn)出,且塑膠射料不直接射壓沖擊抽芯桿;組合芯套與模套錐度配合,受重力的作用,組合芯套定位穩(wěn)固,且塑膠是雙向?qū)ΨQ進(jìn)出,受力均勻,避免拉桿受擠壓力作用,造成模芯偏心。其二,組合芯套與模套錐度配合密封效果好,避免了塑膠經(jīng)模套與芯套之間泄漏。

內(nèi)外層塑膠通道上均有小孔徑段和大孔徑段,該設(shè)置有利于塑料均勻流料。內(nèi)層套下部與模芯上部之間有空隙,使模芯可在該空隙范圍內(nèi)上下活動(dòng),實(shí)現(xiàn)塑料擠出量的控制。

1.3 自動(dòng)閉環(huán)控制

塑料擠出吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)過程是處于高速的運(yùn)行狀態(tài)之中,循環(huán)周期不超過10 s,鎖模架運(yùn)行速度超過0.8 m/s,型坯速度超過20 mm/s,因此制品的型坯壁厚均勻性及精度控制還需要綜合考慮到下述因素：

(1)擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性;

(2)溫度穩(wěn)定性;

(3)模頭控制毛坯厚度的閥門不斷開閉工作,會(huì)引起擠出機(jī)壓力變化;

(4)按電腦設(shè)定的控制曲線控制模頭閥門開閉時(shí),所需反應(yīng)時(shí)間低至0.02 s,伺服系統(tǒng)要瞬間提供動(dòng)力給閥門開閉。電腦運(yùn)算速度、伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度及精度直接影響控制精度;

(5)模頭工作溫度高達(dá)250℃,相關(guān)零件要克服高溫變形和強(qiáng)度、硬度下降的問題;

(6)新料和水口料配比影響擠出機(jī)出料長(zhǎng)度及出料穩(wěn)定性。

這些因素若無法很好的控制及平衡,將造成型坯長(zhǎng)短、對(duì)應(yīng)位置壁厚不一致,最終導(dǎo)致制品質(zhì)量波動(dòng)、關(guān)鍵位置壁厚達(dá)不到要求,形成不合格產(chǎn)品。為此,需要采用型坯自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù)。

目前,國產(chǎn)塑料擠出吹塑中空成型機(jī)大多數(shù)不具有型坯自動(dòng)閉環(huán)控制功能,其余也只是簡(jiǎn)單疊加了進(jìn)口型坯壁厚伺服控制器,對(duì)擠出、機(jī)械動(dòng)作等的波動(dòng)無抑制作用,無法對(duì)型坯生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行閉環(huán)控制,導(dǎo)致制品壁厚控制位置偏差較大(高達(dá)15 mm),制品質(zhì)量偏差大(4%),合格率低。

由電子控制器、比例放大器、高頻響比例伺服閥、位移傳感器、高精度油缸、旋轉(zhuǎn)編碼器、高精度高溫熔體壓力傳感器、溫度傳感器、高精度專用溫控模塊等組成位置、速度及溫度反饋系統(tǒng)。采用型坯自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù),對(duì)影響塑料制品質(zhì)量的各種因素如擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、成型周期時(shí)間波動(dòng)、模頭動(dòng)態(tài)精度、制品壁厚及其控制位置等進(jìn)行精確控制,保持最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4所示。通過閉環(huán)控制系統(tǒng)的改進(jìn),制品壁厚控制位置偏差不超過5 mm;制品質(zhì)量波動(dòng)不超過±1.5%。

2 改進(jìn)后產(chǎn)品的性能

通過采用以上擠出吹塑中空成型壁厚均勻性控制的改進(jìn)措施后,生產(chǎn)280 mL營(yíng)養(yǎng)快線瓶并與國內(nèi)外同類典型產(chǎn)品的綜合技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。從表1可以看出,改進(jìn)后的設(shè)備比國產(chǎn)同類設(shè)備生產(chǎn)速度提高了50%、節(jié)能12%、節(jié)省塑料原料16%,制品質(zhì)量偏差縮小了40%,具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能省料、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),所生產(chǎn)產(chǎn)品的綜合性能指標(biāo)比國內(nèi)產(chǎn)品大幅提高,已接近國外先進(jìn)水平,售價(jià)只是國外設(shè)備20%,性價(jià)比相當(dāng)突出。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.4 The close-loop control system

表1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能指標(biāo)Tab.1 Performances of the same products at home and aboard

3 結(jié)論

(1)采用壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,實(shí)現(xiàn)塑料擠出吹塑中空成型時(shí)制品厚度的自動(dòng)控制;

(2)對(duì)型坯擠出模頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),避免擠出型坯橫向厚薄不均勻和塑膠經(jīng)模套與芯套之間泄漏;

(3)采用型坯自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù),對(duì)影響塑料制品質(zhì)量的各種因素進(jìn)行精確控制,使制品壁厚位置控制偏差不超過 5 mm,制品質(zhì)量波動(dòng)不超過±1.5%。

[1] 李海梅,高 峰,申長(zhǎng)雨.吹塑成型發(fā)展現(xiàn)狀[J].橡膠技術(shù)與裝備,2006,(3)：15-19.

[2] 劉 學(xué),張玉霞.塑料中空吹塑成型用原料、工藝及設(shè)備的發(fā)展[J].中國塑料,2010,24(3)：83-91.

Control Method for Wall Thickness of Extrusion-blow-molded Parts

WU Yunong1,WAN G Shuhui2,XU Zhongming1
(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Shunde Polytechnic,Foshan 528333,China;2.Leshan Machinery Co,Ltd,Foshan 528306,China)

TQ320.66+4

B

1001-9278(2011)01-0106-04

2010-10-13

粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(2009Z018)

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