何建領(lǐng) 張 萍 肖志林 賈 輝

(蘇州同大機(jī)械有限公司)

前言

目前，擠出中空吹塑成型技術(shù)已得到高速的發(fā)展，生產(chǎn)出的制品已應(yīng)用到各行各業(yè)。擠出中空成型可加工的塑料種類也很多，制品更是多種多樣。本文將簡(jiǎn)要介紹一下擠出成型的工藝過程和原理。《塑料包裝》上篇連載文章簡(jiǎn)要介紹了中空成型機(jī)的幾個(gè)主要組成部件的基礎(chǔ)知識(shí)，本文將再介紹擠出中空成型機(jī)的一些輔助設(shè)備的基礎(chǔ)知識(shí)。

擠出中空吹塑行業(yè)中通常有一些設(shè)備的習(xí)慣名詞，因?yàn)橹圃鞆S家不同，故對(duì)同一物品以及一些工序或是其動(dòng)作過程等稱呼的名稱會(huì)有較大的差別。

1 擠出中空成型工藝過程與原理

擠出中空吹塑成型是將塑料原料由料斗經(jīng)帶有加熱功能的擠出機(jī)擠出到機(jī)頭，經(jīng)機(jī)頭將熔融狀態(tài)下的塑料型坯擠出后，合模系統(tǒng)帶動(dòng)模具合模，然后由氣嘴或氣針向塑料型坯內(nèi)注入壓縮空氣，從而使塑料型坯在熱狀態(tài)下快速吹漲，經(jīng)過冷卻定型后再將制品四周的飛邊手動(dòng)或自動(dòng)切割掉即可得到與模具模腔形狀相同的塑料中空制品。

擠出中空成型機(jī)可用于成型:PC、PE、PVC、PA、ABS等多種塑料原料，這些原料一般采用吹塑級(jí)的原料。

1.1 原料的塑化和擠出

原料的塑化效果直接與擠出機(jī)的螺桿有關(guān)，擠出機(jī)的螺桿在結(jié)構(gòu)上可以分為加料段、過渡段和計(jì)量段三段，這三個(gè)結(jié)構(gòu)段是獨(dú)立而不相互重疊的，如圖1所示。

圖1 螺桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

a.加料段螺桿的加料段起到聚合物固體輸送的作用。當(dāng)原料進(jìn)入擠出機(jī)螺桿后，首先進(jìn)入加料段，加料段再將原料壓實(shí)，再輸送到過渡段。在螺桿的加料段上形成固體輸送區(qū)。為了提高固體輸送效率可采取以下措施:

1)降低螺桿表面粗糙度，從而減小原料與螺桿之間的摩擦系數(shù);

2)提高螺桿轉(zhuǎn)速;

3)在進(jìn)料段對(duì)應(yīng)的機(jī)筒段通冷卻水，降低原料與螺桿之間的摩擦系數(shù);

4)在機(jī)筒內(nèi)孔開縱向槽，增加原料與機(jī)筒之間的摩擦系數(shù);

5)增加加料段的螺槽深度。

可根據(jù)具體的設(shè)計(jì)情況采用以上措施中的某幾條來實(shí)現(xiàn)提高螺桿輸送原料的效率。

b.過渡段螺桿過渡段也稱壓縮段，過渡段的螺槽深度逐漸減小，從而使聚合物熔融、混煉、壓實(shí)。聚合物的熔融主要發(fā)生在過渡段。由加料段輸送的固體原料，在擠出機(jī)過渡段通過機(jī)筒外加熱器的加熱及螺桿與原料剪切熱的共同作用下升溫，本身逐漸融化，最后變成熔體。增加過渡段的長(zhǎng)度可以明顯的提高擠出量，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，另外改變螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)也可以提高螺桿的熔融性能和擠出量，比如采用多螺棱、減少螺棱間隙、增加螺棱升角和減小螺棱寬度等。

c.計(jì)量段螺桿的計(jì)量段確定了擠出機(jī)的產(chǎn)量。計(jì)量段較長(zhǎng)或是此段的螺槽較淺可以提高擠出穩(wěn)定性和混煉性能，但是會(huì)降低擠出產(chǎn)量。通常計(jì)量段采用多螺棱結(jié)構(gòu)的螺桿來有效改善擠出穩(wěn)定性。在計(jì)量段完全熔融的原料進(jìn)一步進(jìn)行均化，并且定溫定壓定量的擠入擠出機(jī)機(jī)頭，從而使機(jī)頭獲得穩(wěn)定質(zhì)量的熔融聚合物。

1.2 機(jī)頭口模成型

塑料原料從擠出機(jī)螺桿的進(jìn)料段進(jìn)入，經(jīng)過過渡段和計(jì)量段后從螺桿頭部進(jìn)入機(jī)頭，在經(jīng)過機(jī)頭的流道和口模從而擠出型坯。機(jī)頭的基本功能就是形成所需要形狀的料坯，而料坯的大小由口模來決定，機(jī)頭和口模共同完成了塑料型坯的成型過程。機(jī)頭設(shè)計(jì)的好壞直接影響到質(zhì)量的質(zhì)量，其設(shè)計(jì)可依照以下幾點(diǎn):

a.機(jī)頭應(yīng)具有可調(diào)性，可以調(diào)節(jié)口模和模芯之間的間隙從而可調(diào)節(jié)型坯的厚度;

b.機(jī)頭內(nèi)部流道設(shè)計(jì)應(yīng)流暢，要有對(duì)稱型;

c.流道應(yīng)能形成壓力并有足夠的強(qiáng)度;

d.機(jī)頭零部件材料設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合理。

1.3 型坯的定型與冷卻

從機(jī)頭的口模擠出來的型坯仍然處于高溫熔融狀態(tài)，還具有很大的塑性變形能力，定型與冷卻的目的是使型坯通過降溫將形狀及時(shí)固定下來。中空成型機(jī)頭出來的型坯一般進(jìn)入合模系統(tǒng)，當(dāng)料坯的長(zhǎng)度超過模具的長(zhǎng)度時(shí)快速合模通過吹漲，使料坯短時(shí)間內(nèi)冷卻并定型于模具中。若料坯定型與冷卻不及時(shí)，由于料坯的自身重量的作用會(huì)使其本身發(fā)生變形，導(dǎo)致制品截面形狀和尺寸發(fā)生變化。一般中空成型機(jī)都是定型與冷卻同時(shí)進(jìn)行，冷卻方式有水冷也有風(fēng)冷。

2 中空成型機(jī)輔助設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)

一臺(tái)中空成型機(jī)的生產(chǎn)效率不僅僅與主機(jī)的效率有關(guān)，輔助設(shè)備也起到至關(guān)重要的作用，輔助設(shè)備的使用可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是隨著時(shí)代的發(fā)展，人力在生產(chǎn)中的主導(dǎo)作用越來越小，輔助設(shè)備在中空成型機(jī)生產(chǎn)中扮演著不可缺少的角色。中空成型機(jī)的主要輔助設(shè)備有:原料上料系統(tǒng)與混合系統(tǒng)以及除濕系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)及深低溫壓縮空氣的處理、設(shè)備與模具的冷卻水系統(tǒng)、回料粉碎系統(tǒng)等。目前，中空成型機(jī)的各類輔助設(shè)備已經(jīng)與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，組成高速吹塑生產(chǎn)線，并已實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制。

2.1 原料上料系統(tǒng)與混合系統(tǒng)以及除濕系統(tǒng)

一般塑料制品的原材料由兩種或兩種以上的原料按比例進(jìn)行混合后而成，由混拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆蚝筝斔偷絻?chǔ)料罐中，然后再由上料機(jī)將料罐中的原料輸送到設(shè)備的料斗中。一些設(shè)備的料斗上裝有除濕干燥設(shè)備，以保證原材料的干燥，防止機(jī)頭擠出的料坯中含有氣泡。

2.1.1 上料系統(tǒng)

上料機(jī)采用最多的有兩種:一是真空吸料式自動(dòng)上料機(jī)，二是螺旋式上料機(jī)。

真空吸料式自動(dòng)上料機(jī)的工作原理是:真空吸料式自動(dòng)上料機(jī)采用漩渦氣泵，將上料機(jī)料斗進(jìn)行抽真空形成負(fù)壓。再利用空氣流動(dòng)的特性實(shí)現(xiàn)塑料原料的流動(dòng)而進(jìn)行上料的。當(dāng)擠出機(jī)上料斗內(nèi)原料料位下降時(shí)，料斗中的料位傳感器或料位開關(guān)發(fā)出上料信號(hào)，漩渦氣泵開始工作抽空料斗中的空氣形成負(fù)壓，塑料原料在大氣壓力的作用下通過輸送管道將塑料抽進(jìn)料斗，當(dāng)其達(dá)到預(yù)設(shè)料位時(shí)，漩渦氣泵得到料滿的信號(hào)并停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)負(fù)壓消失，上料動(dòng)作停止。當(dāng)擠出機(jī)上料斗中的塑料原料料位又下降到需要上料時(shí)，上料機(jī)又開始啟動(dòng)并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。使用的原料中難免有塑料粉末的現(xiàn)象，為了防止粉末狀塑料影響上料一般的上料機(jī)都應(yīng)安裝有自動(dòng)脈沖除塵裝置，蘇州同大機(jī)械有限公司研發(fā)制造的脈沖式真空上料機(jī)設(shè)置有空氣自動(dòng)脈沖除塵裝置，能在每個(gè)上料周期里進(jìn)行自動(dòng)脈沖除塵。自動(dòng)脈沖除塵不僅能提高上料速度還能降低能耗。另外上料機(jī)的管道材料應(yīng)選用內(nèi)部光滑的金屬材料，管道拐角處的彎管半徑盡量大一些，從而提高上料速度。

螺旋式上料機(jī)是采用安放在擠出機(jī)料斗上的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)不銹鋼絲螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)，將塑料原料提帶到料斗的辦法來實(shí)現(xiàn)塑料原料上料的。這種上料機(jī)的工作原理:當(dāng)擠出機(jī)上料斗中塑料原料料位下降時(shí)，料位傳感器或料位開關(guān)發(fā)出上料信號(hào)，上料電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋彈簧運(yùn)轉(zhuǎn)，將塑料原料帶到擠出機(jī)的料斗中。當(dāng)塑料原料達(dá)到預(yù)設(shè)料位時(shí)料位傳感器發(fā)出停止上料信號(hào)，電動(dòng)機(jī)得到指令后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并重新進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這種上料機(jī)的上料垂直高度一般不大于6米，而真空上料機(jī)可以達(dá)到8米，該機(jī)具有上料穩(wěn)定、產(chǎn)生的粉塵少、對(duì)原料顆粒大小要求不嚴(yán)格等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是:上料時(shí)容易分層，造成原料配方的不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量容易產(chǎn)生波動(dòng)，另外不銹鋼絲彈簧容易將塑料軟管磨破，需要定期的更換。

具體根據(jù)實(shí)際情況選用合適的上料機(jī)以提高中空成型機(jī)的生產(chǎn)效率。

2.1.2 混合系統(tǒng)

混合系統(tǒng)主要包括混拌機(jī)、送料風(fēng)機(jī)、輸送管道、儲(chǔ)料罐。混拌機(jī)是通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)混拌機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將原料由上而下帶進(jìn)混拌機(jī)的料倉(cāng)中進(jìn)行均勻攪拌。主軸一般為螺旋葉片狀。送料風(fēng)機(jī)是利用氣體流動(dòng)的原理將原料輸送到料罐中。使用混拌機(jī)時(shí)一定要注意不能將大塊的塑料(例如沒有破碎的廢品料塊)進(jìn)入混拌機(jī)中，否則會(huì)卡住主軸，維修起來相當(dāng)麻煩費(fèi)時(shí)。送料風(fēng)機(jī)送料時(shí)放料閘刀開關(guān)不能開的過大，否則會(huì)將原料堵在輸送管道中，從而使送料風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)將線圈燒掉。

2.1.2 除濕系統(tǒng)

塑料原料有吸濕性塑料和非吸濕性原料之分，對(duì)于非吸濕性原料，水分和濕氣只會(huì)黏附在顆粒表面上，PE、PP、PS等塑料是非吸濕性塑料。而吸濕性塑料會(huì)把水分和濕氣吸到顆粒內(nèi)部，若不干燥會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品中會(huì)出現(xiàn)泡孔、斑紋、條紋等表面缺陷。PET、PC、ABS、PA是吸濕性塑料。

除濕干燥設(shè)備主要有熱風(fēng)干燥機(jī)、高速混合機(jī)、除濕干燥機(jī)等。

熱風(fēng)干燥機(jī)是將空氣由鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)空氣過濾器吸入到機(jī)器之中后，被壓入加熱的管道后而升溫，再將高溫空氣送入到裝有塑料原料的干燥料斗中，使高溫空氣在塑料原料中擴(kuò)散以除去水分和濕氣。

高速混合機(jī)不僅可以混合塑料原料也可在PVC制品加工中來干燥原料。由于電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，可以使攪拌葉片很快自身產(chǎn)生熱量從而使塑料顆粒中的水分和濕氣很快蒸發(fā)掉。

除濕干燥機(jī)的工作原理是:除濕機(jī)有一個(gè)蜂巢轉(zhuǎn)輪，其采用高密度、高性能汰硅與分子篩復(fù)合而成，整個(gè)轉(zhuǎn)輪是一個(gè)高效吸濕體，可以處理潮濕的空氣，轉(zhuǎn)輪分為吸濕區(qū)、再除區(qū)、再生區(qū)。空氣中的水分在吸濕區(qū)被吸附在轉(zhuǎn)輪后，將干燥后的空氣連續(xù)不斷的送進(jìn)干燥料斗中。同時(shí)吸收了水分的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)到再生區(qū)，從逆方向送入的再生空氣完全去除吸附在轉(zhuǎn)輪上的水分，經(jīng)過不斷循環(huán)可以去除塑料原料中的水分。

2.2 壓縮空氣系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)及深低溫壓縮空氣的處理

在中空成型機(jī)組中，壓縮空氣是必不可少的，吹漲制品時(shí)需要通過吹氣桿對(duì)型坯進(jìn)行吹漲成型，設(shè)備中的一些汽缸和氣動(dòng)元件都要用到壓縮空氣。當(dāng)然壓縮空氣也需要干燥，空氣的水分太多會(huì)降低氣動(dòng)元件的使用壽命，會(huì)影響制品的質(zhì)量。對(duì)于某些特殊制品，還需要用到深低溫壓縮空氣，以加快制品在模具中的冷卻速度，使制品快速定型。

壓縮空氣的干燥可以采用吸附式干燥機(jī)、潮解式壓縮空氣干燥機(jī)、冷凍室壓縮空氣干燥機(jī)。

壓縮空氣的制冷可以采用冷干機(jī)，有風(fēng)冷式冷干機(jī)和水冷式冷干機(jī)。

2.3 設(shè)備與模具的冷卻水系統(tǒng)

中空成型機(jī)中有多處要用到冷卻水進(jìn)行冷卻，比如機(jī)頭中射料油缸與儲(chǔ)料缸之間、減速箱、機(jī)筒螺桿進(jìn)料口、液壓站、模具等。

冷卻的方式有三種:一是利用自然水直接冷卻，二是利用冷卻水塔對(duì)循環(huán)水進(jìn)行散熱后，再用水泵對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加壓從而冷卻設(shè)備和模具。三是采用冷水機(jī)對(duì)循環(huán)水制冷后再冷卻設(shè)備和模具。冷水機(jī)也有風(fēng)冷式和水冷式兩種形式。

冷水機(jī)與一般采用水冷卻的設(shè)備不同，因?yàn)槔渌畽C(jī)具有完全獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，不會(huì)受到氣溫及環(huán)境的影響，水的溫度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制，可以對(duì)設(shè)備和模具提供恒定溫度的冷卻水，這樣對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性起到很大的作用，制品的質(zhì)量就會(huì)比較穩(wěn)定。

冷卻水系統(tǒng)中由于各地的水質(zhì)不同，長(zhǎng)時(shí)間后在設(shè)備管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水垢，可以采用在管道內(nèi)安裝磁化水處理器對(duì)水進(jìn)行磁化，這樣就可以大大減少設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生水垢。

2.4 回料粉碎系統(tǒng)

在中空成型機(jī)組生產(chǎn)中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生制品邊料和廢品，這樣就需要塑料粉碎設(shè)備將它們粉碎成小的顆粒再回收利用。

圖2為一種高強(qiáng)度塑料粉碎機(jī)示意圖。

目前蘇州同大機(jī)械有限公司已成功研制出高強(qiáng)度塑料粉碎機(jī)，可破碎厚度達(dá)5cm厚的高強(qiáng)度塑料料塊。圖2為這種粉碎機(jī)的示意圖。這種粉碎機(jī)可以配套自動(dòng)輸送料塊的輸送機(jī)和自動(dòng)收集粉碎料的風(fēng)送系統(tǒng)以及冷卻水系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)。

對(duì)于25～100L系列的塑料桶可以直接放進(jìn)粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，避免麻煩的鋸割過程，減低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

目前大型塑料撕碎機(jī)也發(fā)展較快，與粉碎機(jī)連成生產(chǎn)線對(duì)大型塑料制品進(jìn)行撕碎和粉碎。

圖2 一種高強(qiáng)度塑料粉碎機(jī)示意圖

3 擠出中空成型機(jī)名詞介紹

在中空成型機(jī)的發(fā)展過程中，人們對(duì)機(jī)器的相關(guān)名詞的叫法有較大的差別，下面就四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3.1 設(shè)備類的名詞

3.2 模具類的名詞

3.3 動(dòng)作類的名詞

3.4 材料類的名詞

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這些名詞的不同稱呼，有可能會(huì)產(chǎn)生大家交流時(shí)理解上的分歧，在設(shè)備的調(diào)試和修理過程中因?yàn)槔斫獾牟町惗斐蓵r(shí)間上的耽擱，所以，大家盡量采用普遍采用的術(shù)語(yǔ)來進(jìn)行技術(shù)方面的交流。