邱建成 何建領

（蘇州同大機械有限公司）

中空吹塑技術培訓連載（二十）

汽車塑料風管3D吹塑成型技術

邱建成 何建領

（蘇州同大機械有限公司）

本文主要介紹3D吹塑成型的原理和方法。

風管 3D 吹塑成型

前言

隨著汽車工業(yè)對復雜、曲折的輸送管道制件的需求，推動了偏軸擠出吹塑技術的開發(fā)，這種技術稱為3D吹塑或三維吹塑成型（也有的國家叫多維擠出吹塑MES）。由于利用三維吹塑在加工過程中產(chǎn)生的廢邊大為減少，甚至沒有廢邊產(chǎn)生，所以也稱為少廢料或無飛邊吹塑。

三維(3D)擠吹中空塑料的比較常用的一種成型方法是，塑料型坯被擠出后，被預吹漲并貼緊在一邊模具壁上，擠出頭或模具按成形編制的程序進行2軸或3軸的轉動，當類似腸形的型坯充滿模腔時，另一邊模具閉合并包緊型坯，使之與后續(xù)的型坯分離，這時整個型坯被吹脹并貼緊在模腔的壁上成型。用這種方式生產(chǎn)類似汽車上的空氣導管或輸油管，不但飛邊少，而且制品上無合模線并可順序擠出，使很多復雜形狀的制件很容易地用三維吹塑成型法來加工成型。第二種成型方法主要是采用了可以順序開合模，負壓成型工藝。它是將模具的上下端做成可以單獨開合模的滑動塊，生產(chǎn)時先合模，管狀型坯受到負壓空氣的吸引在模具內(nèi)部沿著內(nèi)腔的曲線移動，型坯到位后，模具上下的滑塊閉合并且吹塑成型；這種成型方法比較適合管道外形比較規(guī)則制品成型。第三種成型方法主要是采用機器人或是機械手夾持塑料型坯并且附在模具中，吹氣使之成型，也可以實現(xiàn)三維吹塑成型。

若用常規(guī)的吹塑生產(chǎn)工藝生產(chǎn)彎曲類管件，由于型坯的平折寬度遠遠大于制品的投影寬度，因此會產(chǎn)生大量的廢邊（有些高達50%以上），且夾坯縫較長，不僅影響外觀，而且影響制品的強度。如圖1所示，左邊為常規(guī)吹塑工藝生產(chǎn)得到的制品，右邊為三維吹塑工藝生產(chǎn)的制品。

由于三維吹塑的特殊工藝性，與常規(guī)有廢邊的吹塑工藝相比，其具有以下優(yōu)點：

（1）由合模力的選擇公式，合模力P合=1.2P，P=p×S，則可知三維吹塑的投影面積遠小于常規(guī)吹塑的平折寬度，其中P為漲模力，p為吹氣壓力，S為合模面上投影面積，故合模力遠小于常規(guī)吹塑工藝所需要的合模力；

（2） 切除邊料的工作量大大減少；

（3） 不必對成型物品的外徑重新修整；

（4） 成型物品的品質(zhì)有所提高，因為有壁厚分配設計，不減少合模強度；

（5） 由于邊角料的減少，擠出時間減少，使熱敏性材料的降解概率減少；

（6） 由于廢邊大量減少，可以采用更小的擠出機生產(chǎn)。

圖1

由于三維吹塑具有以上特點，使得這類方法成為制造汽車彎曲長導管和管道的理想技術。采用三維吹塑可制成的零部件包括：增壓柴油機的導氣管、特種冷卻介質(zhì)導管、燃料補充管。在一些發(fā)達國家，三維吹塑成型技術，已經(jīng)在某些應用領域內(nèi)替代了其他技術制成了注油管、無縫門把手等零部件。此外三維吹塑成型技術在越野車輛零部件、家具（椅子靠背和椅子腿）、大型水管裝置等領域也具有潛在應用價值，三維吹塑成型技術具有非常誘人的發(fā)展前景。

三維吹塑成型技術適合于制造復雜的塑料管道零件，制成的零件不會有易導致破壞的分型線，且無飛邊，還可提高中空吹塑部件的壁厚均勻性。三維吹塑成型技術可促進零件的整合，無需裝配零件，從而可降低成本。目前，該技術正在沿著制造具有順序（硬-軟）結構和夾層結構的零部件的方向發(fā)展。三維吹塑成型能較好的提高復雜中空制件的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，該成型技術將在我國有較大的應用與發(fā)展空間。

三維（3D）吹塑成型根據(jù)所提供的工藝和設備的不同，可分為可移動模頭模具成型方法、負壓成型方法、機械手柔性吹塑方法等。

1 可移動模頭（型坯）模具成型方法

根據(jù)獲得多維形狀的型胚的方式不同，則可以分為可動模頭式結構和可動模頭模具式結構兩種。前者通過移動模頭（或直接移動從模頭下方出來的型胚）的方位使已預吹脹的型坯按模具型腔的形狀放置并延續(xù)到型腔末端。在這過程中模具是不動的，當型坯完全填好型腔后，下半模在水平方向移動，與上半模閉合，然后完成吹氣過程。取出制品完成一次循環(huán)過程。見圖2。

圖2

模具移動方法

由于擠出機機頭與擠出機相連，要實現(xiàn)模頭繞模具執(zhí)行多維運動，機構所需動力大，且結構復雜，尤其當模具型腔復雜的時候。故在實際中使用不多，尤其是型腔復雜的情況下。故出現(xiàn)了移動模具的機構，通過模具在X和Y向移動，把機頭里的物料放在模具的型腔中，然后移動下半模到上半模正上方，合模吹氣完成制品的生產(chǎn)。有些廠家為實現(xiàn)更簡便快速的填模過程，則有使擠出的型坯同時繞模腔變化的機構，如下圖所示，通過模具表面的溝槽擺動107，拉動軟套109運動，形成復雜的多維型坯填滿型腔。是利用一個安裝成45°角或從45°調(diào)到90°的平面板裝置，或右旋板使模具在機頭下方沿X和Y方向移動，將型坯直接安放在型腔里。型坯頭處被預夾緊，并且當型坯擠出時模具在機頭下移動。這就使得多數(shù)型坯料都含在模具內(nèi)，僅在制品的尾部有飛邊。而對汽車導管來說，此飛邊區(qū)域常為邊角料，因塑料管兩頭部分將被修飾掉，使制品的兩頭為開口狀態(tài)。見下圖。

1）X-Y加工過程：

X-Y加工過程如下：底部或右板在X和Y面上移動，以使型坯能按照型腔的形狀進入模具的型腔。底板對準中心和頂部，或者左板接近底板，然后氣針插入進行吹氣成型，一個吹塑成型循環(huán)即可開始。上板打開，下板在Y方向?qū)χ僮髡咦鏊笫揭苿?，然后由人工或機械手取出，下板升到最高點而使循環(huán)再次開始。采用電氣自動控制移動裝置，模具能在傾斜模板上沿兩維方向隨意擺動。

2）X-Y成型機器的應用領域：

采用X-Y加工過程成型的制品主要用作汽車上的管道零件，這些管件用X-Y加工方法成型是較好的選擇，當采用常規(guī)的吹塑方法成型這類管件時，產(chǎn)生的飛邊可達制品質(zhì)量的2～3倍。采用模具移動方法成型的產(chǎn)品飛邊減少較多，可減少下一步的工作量，從而節(jié)省了輔助修飾設備。根據(jù)設備中擠出機的數(shù)量，加工時可同時使用兩種或三種不同的塑料材料。

3）X-Y加工的特點：

X-Y加工的一個特點是能生產(chǎn)連續(xù)的順序擠出制品，利用一臺擠出機生產(chǎn)制品上一個弧形，然后用另一臺擠出機生產(chǎn)制品上的第二個弧形?？捎脙煞N不同的熱塑性彈性聚烯烴材料結合起來生產(chǎn)制品，讓制品的兩端柔軟。硬材料可提供強度，中軟材料可防震及裝配方便。為增加產(chǎn)品的使用價值而把許多件組裝的產(chǎn)品合并成制品，消除了蛇形管端面的縮進和連接部件。X-Y吹塑的另一個特點是能得到均勻的壁厚。因為型坯在模具內(nèi)是連續(xù)的有夾坯縫。這減少了模塑殘余應力，增加了制品形體的完整性。制品可以有較好的外觀。如果X-Y制品上需要支架或鑲崁件，可采用注塑成型嵌件在吹塑循環(huán)期間進行埋件成型。因為大多數(shù)制品是用平板在傾斜位置中生產(chǎn)，所以嵌件在成型循環(huán)中能容易地留在模具中。同樣，因為模具底板是對著操作者移動的，也方便操作人員在模具中插入鑲崁件。通過程序化地移動型腔也可以在X-Y制品上形成壓塑法蘭，局部型坯在兩個之間被夾緊而形成法蘭，其他的應用包括農(nóng)業(yè)用管道、汽車用燃氣管、家具扶手。家具扶手體現(xiàn)了X-Y加工過程的變化，為了達到手感好和結構合理的要求，復雜形狀的制品可用內(nèi)層堅硬，外層柔軟的材料成型，還可以吹塑成型雙重壁塑料制品。

2 負壓牽引成型方法

三維負壓牽引成型方法也可以稱為吸入式吹塑成型方法，其工作原理是型坯直接從型坯模頭的口模中傳送（在大多數(shù)情況下是儲料缸式模頭）進入閉合的吹塑模具內(nèi)，然后通過吹塑模具中的“真空”氣流引導通過。這種氣流也防止了型坯同模具的過早接觸。一旦型坯底部露出吹塑模具，型坯就被上下兩個夾緊組件切斷，接著吹漲和冷卻過程開始啟動。吸入式吹塑只需要相對簡單和低價的吹塑模具。其工作原理如圖3所示。

圖3 負壓牽引吹塑成型方法原理圖

采用負壓牽引吹塑成型的加工方法時，塑料型坯被吸附在閉合的吹塑模具內(nèi)，同時需要型坯的頂出和在模具內(nèi)部形成負壓，吹塑模具由主要部件和水平滑動的弧形型芯塊組成。此加工過程可以分為以下幾個步驟：

（1） 吹塑模具閉合；

（2） 吸空裝置（負壓裝置）是底部的弧形零件，一旦模具閉合就準備開始工作；

（3）型坯頂出過程和負壓作用要同時發(fā)生；

（4） 采用壓縮空氣預吹塑型坯；

（5） 當擠出的型坯達到需要長度時，頂出和抽真空過程自動停止，同時，滑動弧形塊閉合；

（6） 用吹氣桿或吹針吹脹制品；

（7）當冷卻時間結束時模具打開取出制品。

負壓吹塑方法能生產(chǎn)出低溢料的三維彎曲制品，與其他加工過程相比，它具有以下特點：

（1） 設備和模具的投資相對較少，可縮短生產(chǎn)運行周期；

（2） 生產(chǎn)工藝簡單，操作方便；

（3） 當模具在循環(huán)期間閉合時，無擠壓力產(chǎn)生；

（4） 模具中的氣流防止了型坯和模具表面時間的過早接觸，成型的制品表面質(zhì)量好；

（5） 可以加工較低熔體強度的材料，例如尼龍；

（6） 此加工過程也適應于連續(xù)順序共擠。

見圖4，一種三維負壓牽引吹塑成型的設備與模具。

圖4 一種三維負壓牽引吹塑成型的設備與模具

3 機器人柔性吹塑成型方法

機械手柔性吹塑成型方法是隨著機器人在工業(yè)生產(chǎn)中普遍應用后發(fā)展起來的一項新型吹塑工藝，由于可移動模頭模具系統(tǒng)是靠移動機頭或模具來實現(xiàn)型坯的安放過程，中間過程帶著質(zhì)量龐大的模頭擠出系統(tǒng)或模具部件在運動，而且當型腔形狀復雜，尤其是當型腔出現(xiàn)突然90度轉彎的時候，簡單的X-Y系統(tǒng)很難實現(xiàn)其運動軌跡，而機器人超強的柔性單元，通過程序的編制，可以輕松的完成型坯的安放。而且可以完全不移動沉重的模具和模頭。

機器人柔性吹塑成型方法的工作原理如下，當型坯從模頭擠出時，由機械手夾持單元預封型坯，并進行預吹防止物料粘結，型坯在自重及擠出壓力下伸長，當達到一定的長度時，機器人夾持住型坯，由模頭模口切斷型坯，機器人則夾著一定長度的型坯按預先編寫的程序軌跡把型坯放到下方的模具中，完成后機器人復位，下模具半體在滾珠絲桿的作用下向合模部位移動，下半模到位后，在合模機構的作用下合模，吹針進行吹脹，開模取出制品，下半模移動到模頭下方位置，等待下一工序的到來，完成一次循環(huán)。見圖5。

圖5 機器人柔性吹塑成型方法示例

圖5左圖中是一種雙工位吹塑機采用機器人柔性吹塑成型方法的示意圖，右圖是一種采用機器人柔性吹塑成型方法的設備外觀圖。從圖中可以看出，為了提高吹塑設備的使用率，提高生產(chǎn)效率，可通過在模板擠出機擠出方向垂直的方位安裝兩個合模機構，成為雙工位機型，使雙工位設備的模具互換完全沒有問題。在型坯直徑完全一致的情況下，在兩個工位上可生產(chǎn)2種完全不同的制件。由于其緊湊的結構只需要一個機械手進行集中取出制件。這樣可以提高了設備的生產(chǎn)使用范圍。

4 三維中空吹塑設備實例

國內(nèi)金緯機械研發(fā)的生產(chǎn)異型管件制品的設備JWZ-BM3D-800三維中空吹塑成型機，其成型設備外觀圖見圖6-19。該設備對于三維旋轉形狀的管狀件，如汽車用的進氣管、或注油管等，能夠進行無飛邊（或僅有少許飛邊）的生產(chǎn)?？蔀橛脩粼谥破返纳a(chǎn)中較為顯著的節(jié)省原料、機器能耗、生產(chǎn)周期和人力消耗等，同時也能夠更好的保證制品的強度。

圖6 一種采用機器人操作的柔性吹塑成型設備

4.1 生產(chǎn)工藝過程

該三維吹塑成型機采用水平吹塑，合模鎖模機構在垂直方向開合，移動模具機構水平方向運動，成型模具下半部分移至邊位，則射料開始，直徑比直徑小的型胚通過機械手機構被直接放入模具型腔，然后成型模具下半部分移動到原位，合模機構閉合鎖模，吹塑和冷卻過程開始，達到設定時間后開始開模，為安全方便地把制品取出，要求制品留在上模體，待下模體移到邊位時，制品被頂出裝置頂出，接料盒接住制品，下一循環(huán)開始?，F(xiàn)介紹以PE為原料生產(chǎn)汽車風管的工序流程圖，如下圖所示：

原料→配料→加熱擠壓→機器人下封口→型胚壁厚控制，射料定長擠出→機器人夾持型胚→切斷型坯→機器人下放型坯至下半?！颇！夏！禋獗骸鋮s后開模→制品取出→下半模返回至模頭下相應部位，等待下一工序。

4.2 柔性三維中空吹塑成型機組成

1）擠出系統(tǒng)

根據(jù)物料的特性及加工工藝，合理的選擇適合生產(chǎn)的螺桿機筒結構，例如，當生產(chǎn)PE物料，且為粒料時，可適用IKV螺桿結構，已獲得穩(wěn)定而均勻的熔體型坯質(zhì)量。而生產(chǎn)PA物料，則需適用突變型結構螺桿結構。擠出機規(guī)格根據(jù)制品生產(chǎn)產(chǎn)量要求配置，JWZ-BM3D-800配65主機，產(chǎn)量為75Kg/h。

2）型坯模頭

為了獲得均勻穩(wěn)定的型坯物料，該機采用“先進先出”原則的螺旋機頭進行生產(chǎn)，為了制品壁厚均勻，消除型坯因自重引起拉伸而影響的壁厚，型坯的壁厚應根據(jù)制品的形狀進行優(yōu)化，通過壁厚的優(yōu)化，提高制品的質(zhì)量。壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進行控制的系統(tǒng)，即位置伺服系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，為了保證制品的質(zhì)量，要求被控量能夠準確地跟蹤設置值，同時還要求響應過程盡可能快速。要達到上述兩種要求的控制效果壁厚控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋設計，其組成部分包括壁厚控制器、電液伺服閥、動作執(zhí)行機構和作為信號反饋裝置的電子尺。操作人員在壁厚控制器的面板上設定型坯壁厚軸向變化曲線，控制器根據(jù)曲線輸出大小變化的電壓或者電流信號至電液伺服閥，由電液伺服閥驅(qū)動執(zhí)行機構控制模芯的上下移動，從而造成模芯縫隙的變化。電子尺通過測量縫隙的大小得出相應的電壓信號反饋給壁厚控制器。這就構成了閉環(huán)的壁厚控制系統(tǒng)，口模采用收斂式結構。

3）機器人部件

機器人部件執(zhí)行預封及夾住切好定長的型坯的安放工作，其要求具有良好的柔性，可以方便的根據(jù)型腔的變化編寫程序，完成相應的動作，其具有6軸運動副，可以到達允許活動區(qū)域范圍內(nèi)任何角落。為方便封口和夾持型坯，設計一個夾手與機械手臂相連。

4）移模部件

移模部件起著移動模具從放料位置到合模部件之間移動，其要求移動平穩(wěn)，噪聲小，在此采用伺服電機配滾珠絲桿結構來完成相關動作。

5）開合模機構

開合模其作用是驅(qū)動成型模具的開閉，保證承受、鎖緊壓縮空氣吹脹管胚為制品形狀的吹脹力，采用垂直方位壓機結構形式，利用大小油缸液壓方式進行鎖模，采用比例閥控制控制技術，具有鎖模力大，開合模速度快，運行平穩(wěn)，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

3D blow molding technology of automobile plastic air duct

Jiancheng Qiu Jianling He
（ Suzhou TongDa Machinery Co.,Ltd.）

This paper mainly introduces the principle and method of 3D blow molding.

air duct,3D,blow molding