葉 軍 王 崢
(1.東華機(jī)械有限公司,廣東 東莞 523118;2.東莞市環(huán)聯(lián)自動化設(shè)備有限公司,廣東 東莞 523000)
市場上存在生產(chǎn)周期在7s左右的高速聚酯瓶胚生產(chǎn)系統(tǒng),采用高速專用注塑機(jī),并配套高端模具及復(fù)雜的輔助設(shè)備,造價非常昂貴,但并不是每個公司都有能力來購買這類高速生產(chǎn)系統(tǒng)。對成本較低的成型設(shè)備,生產(chǎn)者如采取一些恰當(dāng)?shù)拇胧部梢苑浅S行У乜s短周期。
聚酯是聚對苯二甲酸乙二酯的簡稱,是性能優(yōu)異、用途廣泛的工程塑料,可用來制作纖維、薄膜及包裝瓶等。聚酯包裝瓶有以下特點:1) 具有透明度高及表面光澤、剛性好、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、重量輕,耐折、耐磨、抗撕裂和無嗅、無味、無毒等物理特點;2) 具有良好的耐化學(xué)品性和耐油性,食品衛(wèi)生性高;3) 氣體和水蒸氣滲透率低,有優(yōu)良的阻氣、阻水性能。
日常生活中,聚酯瓶被廣泛應(yīng)用于礦泉水、飲料、食用油、調(diào)味品、藥品、洗護(hù)用品、休閑食品等的包裝,需求量巨大。
聚酯瓶通常由兩步法制作而成,步驟一為注塑成型瓶胚,步驟二將瓶胚吹塑成瓶子。如圖1所示。
圖1 聚酯瓶的生產(chǎn)流程
聚酯瓶胚由注塑機(jī)生產(chǎn)完成,需求量日益增長,但競爭也日益激烈,生產(chǎn)廠家為了確保效率與效益的最大化,即使是零點幾秒的生產(chǎn)時間也想要去壓縮,但很多操作者缺少一些專業(yè)知識,很難正確了解一些工藝過程,他們僅憑個人習(xí)慣或者以往累積的經(jīng)驗來操作機(jī)器,工藝設(shè)定上存在一些不恰當(dāng)?shù)牡胤?,在瓶胚生產(chǎn)的周期時間上存在可以提升的空間。該文的目的是幫助縮短聚酯瓶胚的生產(chǎn)周期。
除濕干燥的聚酯顆粒被輸送至注塑機(jī)后,經(jīng)過加熱、塑化、注射、冷卻等過程后,便成為瓶胚。通常在這個生產(chǎn)過程中,由于瓶胚的規(guī)格不同,生產(chǎn)周期可以達(dá)到7s左右,也有慢的需要2min。根據(jù)不同的注塑機(jī)及生產(chǎn)工藝、輔助設(shè)備等,可以從中做出一些優(yōu)化,以縮短生產(chǎn)周期。而圖2的注塑工藝流程中,射膠、保壓、熔膠、冷卻以及取件等均是壓縮周期時間的重點環(huán)節(jié)。
圖2 瓶胚注塑工藝流程
大部分操作者難以界定射膠與保壓,尤其無法定義射膠與保壓的位置切換點,在參數(shù)設(shè)定上將射膠與保壓混淆在一起,導(dǎo)致一定長度的快速的射膠行程變成慢速的保壓行程,拖慢了整體周期時間,甚至影響制品合格率。
射膠動作的目的是讓熔融膠料快速填滿型腔,而保壓動作是在型腔基本填滿、膠料開始從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)換時(如圖3所示),補(bǔ)充熔融膠料直到完全凝固,避免瓶胚內(nèi)壁或外部產(chǎn)生縮水或不平整。假如瓶胚的體積為100cm3,則理論上其射膠填充完成時,處于液態(tài)的重量為115g,保壓完成后成為固態(tài)的最終重量為133g,則其需要保壓的重量為133-115=18g,約等于最終重量的13%。實際上,當(dāng)射膠一開始,便有部分熱熔融膠料接觸冷的模具內(nèi)壁而凝固,射膠填充完成時,有一部分膠料已固化,這樣實際需要保壓的重量大約是6%~8%。假如總的注射行程需要100mm時,則真正保壓的行程大約是 6mm~8mm,射膠與保壓的精確位置切換點應(yīng)該在射膠開始后92mm~94mm的位置。這樣從理論上清晰地界定了射膠和保壓,從而可分別控制其速度、壓力及時間,有助于縮短周期時間。通過實際驗證,根據(jù)不同的瓶胚,可縮短時間約1s~10s,這個時間是很可觀的。
圖3 瓶胚的兩種狀態(tài)示意圖
聚酯瓶胚射膠速度太快會導(dǎo)致瓶胚飛邊或者內(nèi)應(yīng)力太大導(dǎo)致無法吹瓶,也有可能由于模具排氣不足而產(chǎn)生氣泡或表面燒灼現(xiàn)象,射膠太慢則會導(dǎo)致注射不滿、部分結(jié)晶或瓶胚縮水,射膠速度慢也會加長整體生產(chǎn)周期,因此合理的射膠速度至關(guān)重要。一般推薦射膠速度:8g/s~12g/s(每個瓶胚),隨著原料性能的改進(jìn)及模具流道的改進(jìn),瓶胚壁厚在4mm以內(nèi)時,每個瓶胚理想射膠速度建議為9g/s~14g/s,壁厚更大時射膠速度還可加大,最大可達(dá)到18g/s~22g/s。當(dāng)然,射膠起步階段,膠料開始進(jìn)入模具內(nèi),主要為排除模具內(nèi)空氣,速度還可以適當(dāng)加快。如8腔360g壁厚7mm的瓶胚,每腔穩(wěn)定的射膠速度可達(dá)22g/s(總的射膠速度為8×22=176g/s),總的射膠時間可快至13s,根據(jù)不同情況設(shè)定射膠速度,射膠時間差異可達(dá)10s以上。因此設(shè)定合理的射膠速度,有助于在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,縮短周期時間。
射膠過程應(yīng)該受速度控制,不應(yīng)該受壓力控制,射膠壓力能保證射膠過程的速度,設(shè)定壓力大于實際需要壓力10bar~20bar即可。聚酯瓶胚射膠工藝上最常見的一個誤區(qū)是,射膠壓力不能大,否則型芯會被打偏,瓶胚會偏心或者內(nèi)應(yīng)力太大不好吹瓶,所以操作者不敢輕易將壓力設(shè)大。聚酯材料在受熱及充分塑化后,流動性會比較好,相比其他工程塑料,不需要太大的射膠壓力,所以大部分的PET瓶胚注塑機(jī)本身射膠壓力是不高的,而且這樣最大的好處是可以選擇大直徑的螺桿來確保熔膠速度。常規(guī)注塑機(jī)標(biāo)準(zhǔn)螺桿直徑注射壓力基本在1800bar,PET瓶胚注塑機(jī)的注射壓力一般只在1100bar~1300bar,所以設(shè)定偏低的壓力無法保證熔膠速度,導(dǎo)致機(jī)器提前進(jìn)入保壓模式,影響周期時間。尤其是壁厚在3mm以下的瓶胚,需要更大一些的壓力??茖W(xué)的做法是結(jié)合射膠曲線來看,首先結(jié)合上文設(shè)定合適的射膠速度,初始時可將射膠壓力設(shè)定為較大的保證速度,然后根據(jù)實際射膠過程的壓力曲線,提取到實際的壓力,再將射膠壓力設(shè)定為大于實際壓力10bar~20bar即可。
聚酯瓶胚的注塑進(jìn)入保壓過程,補(bǔ)充熔融膠料彌補(bǔ)固化過程的收縮,保壓時間長短取決于熔體溫度、冷卻固化速度及瓶胚壁厚。溫度越高、冷卻固化越慢、瓶胚越厚都會導(dǎo)致保壓時間加長。保壓的最終目的是保證瓶胚的重量及外觀效果等合格,在保壓壓力和時間的設(shè)定上,可以在達(dá)到最終位置的前提下,反復(fù)優(yōu)化。同時,瓶胚固化成型后進(jìn)入冷卻時間,此時仍保持保壓也不會改變瓶胚效果,但會壓縮冷卻時間,而塑化與冷卻是同步進(jìn)行的,冷卻時間縮短了,留給塑化時間則會不足,導(dǎo)致整體生產(chǎn)周期的加長。所以通過優(yōu)化保壓工藝參數(shù),在取得較好的制品效果前提下,得到盡可能短的保壓時間及整體生產(chǎn)周期時間。
理想的塑化時間,不應(yīng)大于冷卻時間,否則會影響整體周期時間。而冷卻時間可以通過一些辦法來壓縮,則塑化時間也要盡量縮短。塑化時間主要取決于注塑機(jī)螺桿直徑、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速及料溫等,好的螺桿設(shè)計還可以降低料溫及剪切溫升,更有助于縮短保壓時間及冷卻時間。當(dāng)冷卻足夠快,塑化時間大于冷卻時間時,注塑機(jī)則需要采取一些特殊的配置,如同步開模功能,在冷卻結(jié)束后,可以一邊熔膠一邊開模、頂出及合模;甚至同步保壓功能,在射膠結(jié)束后就開始熔膠,爭取更多的熔膠時間。當(dāng)然這些特殊的配置需要增加額外的成本,客戶需要評估成本與收益。
冷卻的作用是讓瓶胚略微收縮及變硬,容易從模腔拔出及頂出,縮短瓶胚生產(chǎn)周期時,快速冷卻也是最直接的方法。冷卻需要將瓶胚在模具內(nèi)300℃左右的熔體,降低至不高于60℃的固體。為使瓶胚得到完全的非結(jié)晶狀態(tài),冷卻速度至少需要達(dá)到每分鐘100℃,而為取得快速的冷卻效果,一般需要冷卻速度達(dá)到每分鐘300℃~400℃。模具方面需要良好的冷卻流道設(shè)計,盡量允許大的流道,允許流通更大流量的冷卻水,更快速地帶走熱量。
冷水機(jī)是必備的,前提是保證流量大小充足,一般情況下當(dāng)進(jìn)出水的壓差為0.4MPa時,冷卻水的流量便達(dá)到一個理想的狀態(tài)。冷卻水的溫度通常是設(shè)定低于環(huán)境溫度8℃~10℃,如果環(huán)境溫度在26℃,則冷卻水的溫度可設(shè)定在17℃左右,太高則會冷卻得比較慢,太低雖然會使冷卻時間更短,但會使模具表面結(jié)露,使瓶胚產(chǎn)生水痕,這是不允許的。如果使用低溫追求更快的冷卻效果,又不讓模具結(jié)露,可以通過增加除濕機(jī)的方式保持模具區(qū)域的空氣干燥。
表1為2種不同的瓶胚,在只改變冷水溫度情況下,做的一個對比試驗??梢钥闯鐾瑯釉?3℃和23℃時的水溫時,壁厚2.5mm的瓶胚,保壓冷卻時間相差只有1.4s,而4mm壁厚瓶胚時間差為3.8s。
表1 不同壁厚瓶胚在兩種溫度下冷卻時間對比
可以看出,冷卻水溫度對厚壁的瓶胚作用更為明顯,而12℃時一般需要配模具除濕機(jī),這個時候客戶需要考慮投入及使用除濕機(jī)的成本與生產(chǎn)效率之間的對比,對2.5mm厚的瓶胚,有可能從其他地方節(jié)約時間產(chǎn)生的成本更低,如提快開合模、取件動作速度等。
取件方式可以分為自由頂落及機(jī)械手取件,選擇不同方式也會影響模內(nèi)冷卻時間及周期時間。機(jī)械手(含治具及吸胚筒)可以將仍處于高溫的瓶胚取出,放置在治具內(nèi)冷卻,可以帶2~4個冷卻工位(圖4所示為96腔瓶胚的三工位治具),讓瓶胚充分冷卻。機(jī)械手可以采用伺服電機(jī)驅(qū)動,直線移動的速度可達(dá)1.5m/s,好的機(jī)械手模內(nèi)取件時間可以達(dá)到1.8s以內(nèi),可以快于自由頂落。自由頂落的方式,瓶胚脫模溫度一般不能高于50℃,否則瓶胚會產(chǎn)生劃痕、碰傷或相互黏連在一起。而采用機(jī)械手及吸胚筒取件,瓶胚在150℃時脫模,也不會變形或劃傷,且沒有黏連。采用機(jī)械手吸取的方式可以節(jié)省模內(nèi)近100℃的冷卻時間,是相當(dāng)直接與可觀的時間。
圖4 取胚治具及吸胚筒
機(jī)器干周期時間包括合模、起高壓及卸壓、開模,以300t左右的注塑機(jī)為例,不同的機(jī)器一般干周期時間在1.8s~5s,基本取決于機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、油路設(shè)計及控制等,固定的條件下可優(yōu)化的空間不多。如配置性能優(yōu)異的伺服閥,可以快速平穩(wěn)地切換動作,相對普通的開關(guān)閥,有助于縮短干周期時間,通常達(dá)1.5s~2.5s。接近合模時,需要判斷模具內(nèi)有無異物,避免模具被壓壞,如果機(jī)械上增加包括靈敏的應(yīng)變檢測儀的低壓護(hù)模系統(tǒng)[1],可以在快速合模過程中迅速地做出判斷及報警,縮短了不裝應(yīng)變儀僅依靠電腦判斷的低速運行時間,有助于縮短合模時間約0.2s~0.6s。計算合理而不多余的開模位置,則不會浪費干周期時間。
傳統(tǒng)工藝都是順序動作,一個動作完成后執(zhí)行下一個動作,而如果采取一些并行動作,則可以壓縮一些生產(chǎn)時間。注塑機(jī)的并行動作主要有同步開模、同步保壓、同步頂針、同步射膠等。同步開模及同步保壓在4.1章節(jié)中已有說明。同步頂針是指采取自由頂落的方式時,開模過程沒有結(jié)束時,提前頂出,讓頂出動作與開模同步,一般可以節(jié)省0.4s~0.8s的時間。同步射膠指的是,模具剛剛合上還沒有起高壓時,提前啟動射膠動作,同時進(jìn)行合模起高壓動作,熔體提前進(jìn)入模具及排氣而確保不會溢出,這種方式也可以節(jié)省0.4s~0.7s的時間。這些并行動作,都需要注塑機(jī)增加這些功能,會產(chǎn)生額外的成本。此外,當(dāng)冷卻還未結(jié)束時,電腦可以設(shè)置提前開模卸壓,僅微開1mm~2mm,冷卻完成再開模到位,這種方式也是簡單經(jīng)濟(jì)的,只需要電腦程序做出調(diào)整及改變設(shè)定,可以縮短開模卸壓的時間約0.2s~0.4s。各個環(huán)節(jié)都去爭取的話,累計起來節(jié)省的時間也是很可觀的。
在現(xiàn)有的機(jī)器條件下,通過正確合理地設(shè)定,大約可以節(jié)省10%~20%的周期時間,再通過適當(dāng)?shù)嘏渲脵C(jī)器或調(diào)整輔助設(shè)備,總共可以節(jié)省約20%~40%的周期時間,這對連續(xù)不斷、大量的生產(chǎn),是非常有幫助的。需要科學(xué)、正確地理解瓶胚的生產(chǎn)過程,該文從聚酯瓶胚的整個注塑工藝過程出發(fā),針對操作者容易忽視或錯誤理解的方面,做出了詳細(xì)地分析與闡述,提出如何優(yōu)化或設(shè)定參數(shù)、增加機(jī)器功能或配置及匹配輔助設(shè)備的解決方法,對縮短瓶胚的生產(chǎn)周期有直接幫助。