探討全自動(dòng)注射吹瓶模氣道的改進(jìn)設(shè)計(jì)

高世凡

【摘 要】在現(xiàn)行全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)中，經(jīng)常出現(xiàn)吹模氣道損壞以及出現(xiàn)堵塞等故障，本文主要就這一問題對(duì)全自動(dòng)注射吹瓶模氣道進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保氣隙能夠在注射過程中自行關(guān)閉，并在吹瓶時(shí)打開。該設(shè)計(jì)有利于塑料瓶的合格率，提高機(jī)器的工作效率。

【關(guān)鍵詞】全自動(dòng)注射吹瓶；模氣道；改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.前言

一般情況下，全自動(dòng)注射吹瓶的生產(chǎn)速度大約在每小時(shí)5000瓶，由該設(shè)備生產(chǎn)的塑料瓶具有無夾邊余料的特點(diǎn)，且生產(chǎn)過程全自動(dòng)化，并不需要進(jìn)行人工操作，很大程度上減少了操作人員的工作量，并減少成品的污染，相較于其他吹瓶機(jī)而言，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了清潔化、自動(dòng)化生產(chǎn)。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)部分產(chǎn)品不對(duì)稱、不飽滿、歪斜等的質(zhì)量問題，經(jīng)過不斷地實(shí)驗(yàn)與檢查后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這些質(zhì)量問題的原因在于壓縮空氣通道異常，因此為了解決這一問題有必要改進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，以提高塑料瓶合格率，以下就氣道改進(jìn)設(shè)計(jì)的具體情況進(jìn)行分析。

2.全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)中的模具系統(tǒng)在生產(chǎn)100mL酸奶瓶時(shí)能夠做到15支瓶同時(shí)成型，且吹瓶與制坯可同時(shí)實(shí)施。塑料瓶的注吹時(shí)間最長(zhǎng)不過8秒，但是因?yàn)橹鳈C(jī)性能的限制，其模具開合的速度不能過快，所以生產(chǎn)周期只能限制在11～12秒左右，因此該設(shè)備的生產(chǎn)率約為每小時(shí)5000瓶，其模具結(jié)構(gòu)見如下圖1。

因?yàn)樵撛O(shè)備的吹瓶和制坯是同步進(jìn)行，因此將芯棒（2）安裝在模具的翻轉(zhuǎn)體（1）上，并由芯模座（3）固定，芯模座（3）用兩個(gè)螺釘固定在翻轉(zhuǎn)體（1）上。另外，翻轉(zhuǎn)體（1）的內(nèi)部還設(shè)有氣道及油道，利用油道來完成高溫油的循環(huán)，保證芯模座（3）和芯棒（2）溫度的穩(wěn)定，以免管坯出現(xiàn)固化。把兩個(gè)半軸安裝在翻轉(zhuǎn)體（1）的左右兩側(cè)，便能夠通過利用液壓—齒條結(jié)構(gòu)來翻轉(zhuǎn)模具框架。這一框架在隨著導(dǎo)柱完成軸向移動(dòng)之后，便實(shí)現(xiàn)模具的開模及合模。[1]

開始制瓶之前，利用注射機(jī)在150MPa的壓力下通過噴嘴（4）將熔融塑料到制坯模具中，模具空腔全部充實(shí)之后即成坯管。接著，按照設(shè)備程序的設(shè)定把中空成型以及翻轉(zhuǎn)體的開合模脫離出來后再將管坯拔出，而開合模自動(dòng)打開并完成180°的翻轉(zhuǎn)。直至成型模和翻轉(zhuǎn)體同時(shí)到位之后，開合模則自動(dòng)關(guān)閉，在模具鎖緊后便可同時(shí)進(jìn)行第1次吹瓶以及第2次注坯。經(jīng)過以上工序的循環(huán)之后，便可制成成品，該設(shè)備的最大特點(diǎn)在于全自動(dòng)吹瓶，塑料瓶的制作過程中不需要任何操作人員的參與，另外制成后的成品無夾邊余料。在該設(shè)備上添加包括空氣輸送管道在內(nèi)的輔助裝置便可實(shí)現(xiàn)成品到封裝工位的直接運(yùn)輸，大大提高了塑料瓶生產(chǎn)的清潔衛(wèi)生。

3.導(dǎo)致廢瓶形成的主要原因

導(dǎo)致廢瓶的主要原因在于吹氣的不均勻，或者管坯注射初步成型之后，在翻轉(zhuǎn)過程中管坯頭部與開合模瓶底模未能完全壓緊，使管坯局部在吹脹之后而坯端移位，導(dǎo)致瓶體失去平衡[2]。由此可見，產(chǎn)生廢瓶的主要原因與氣道堵塞有著密切的關(guān)系。

4.導(dǎo)致全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)氣道堵塞的主要原因

由圖2可見，壓縮空氣從芯棒和芯模座之間的軸向溝滲進(jìn)徑向槽中，再?gòu)陌藗€(gè)方向?qū)⒐芘鞔甸_，使其迅速吹瓶成功。但是，由于該全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)中的氣槽深度受到限制，若深度過大會(huì)導(dǎo)致大量的高壓溶膠進(jìn)入氣槽中，使得氣槽堵死，所以該吹瓶機(jī)氣槽的深度一般在0.06mm以內(nèi)。除此之外，由于注射壓力達(dá)到150MPa，再加上芯模座的環(huán)形面支承面積有限，導(dǎo)致芯棒所承受的軸向壓力較大。根據(jù)對(duì)芯模座的環(huán)形面支承面擠壓應(yīng)力計(jì)算得出，其擠壓應(yīng)力高達(dá)590MPa，進(jìn)而使得支承面變形，氣道變窄。若在實(shí)際運(yùn)行過程中遇到偏載的狀況，還會(huì)引起個(gè)別氣槽堵塞的狀況。由此可見，引起廢瓶產(chǎn)生的主要原因之一為該吹瓶機(jī)氣道結(jié)構(gòu)不合理。

5.全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)氣道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于該全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)氣道結(jié)構(gòu)中存在缺陷，因此針對(duì)這一問題本文做出了如下改進(jìn)設(shè)計(jì)，詳見圖3。

如圖3所示，件1和件5使用的是耐熱性強(qiáng)的膠密封圈，而件4螺紋的規(guī)格為M30×1，并與芯模座（2）的螺紋擰緊，而將芯模座中的徑向氣槽剔除，從而增強(qiáng)芯模座的承載能力。件7的螺母選用特制M16×1型，用于芯棒（3）的軸向固定。另外螺母（7）以及螺環(huán)（4）的安裝與卸載配有專用的工具。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)將芯棒（3）的軸段長(zhǎng)度控制在大于芯模座（2）座孔長(zhǎng)度0.5mm左右，使芯模座的支承環(huán)面與芯棒肩部之間留有0.5mm左右的縫隙，以便氣流流通的通暢。

經(jīng)過對(duì)還吹瓶機(jī)的反復(fù)研究得出，在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)熔融塑料注進(jìn)管坯凹模之后，芯棒所受到的軸向壓力大約為200kN，彈簧（6）被壓縮，芯模座的支承環(huán)面與芯棒肩部之間的縫隙消失，阻止熔融塑料的進(jìn)入。

新的氣道在使用過程中能夠有效避免堵塞、氣流不順等問題，減少?gòu)U品。相較于設(shè)備的舊氣道結(jié)構(gòu)，并未改變芯模組件的實(shí)際尺寸，而只是對(duì)芯棒螺紋方位做出改變。而芯模座結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)而言較大，將原本長(zhǎng)為12mm的氣室改為只有5mm長(zhǎng)，且把密封槽前后兩個(gè)部分的出氣孔由原本的3.5mm增加為4.2mm，而翻轉(zhuǎn)體和芯模座結(jié)合處的內(nèi)孔中添加內(nèi)螺紋，將原本長(zhǎng)度為16mm的螺紋底孔加大為25mm。該設(shè)計(jì)不僅提高了成品的合格率，還在一定程度上節(jié)約了制作成本。

6.全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)氣道彈簧的改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)于全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)芯棒組件的改進(jìn)設(shè)計(jì)而言，彈簧這一零部件的改進(jìn)十分關(guān)鍵，在注坯過程中，是否會(huì)閉合芯模座的支承環(huán)面與芯棒肩部之間的縫隙以及縫隙能夠自行打開，都與氣道彈簧有著不可分割的聯(lián)系。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮的因素有：彈簧剛度、強(qiáng)度、空間位置以及制作材料等。氣道彈簧的主要參數(shù)計(jì)算可見表1 ，其中n指的是有效圈數(shù)、D2指的是彈簧中徑、d指的是簧絲直徑，并將這三者作為設(shè)計(jì)變量。

選用65Si2MnWA作為氣道彈簧的材料，以此來滿足彈簧長(zhǎng)時(shí)間、高溫度的工作條件。由上表可知，選用圓整值圓柱螺旋壓縮彈簧，能夠有效控制彈簧的重量。另外，根據(jù)彈簧鋼絲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算可知，計(jì)算出的圓整值可以滿足使用。因此，針對(duì)氣道彈簧這一改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

7.全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)氣溝承壓面的強(qiáng)度值與模具用料的選擇

該全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)芯模座環(huán)形端面對(duì)芯棒環(huán)形肩部起著支撐作用，能夠承受由注射塑料而引起的軸向壓力，根據(jù)下列算式對(duì)其環(huán)形端面進(jìn)行計(jì)算：

上述算式中[4]的f指的是載荷系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)f取1.2；K指的是壓力受損的實(shí)際系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)K取0.7；另外 A指的是該設(shè)備芯棒投影的具體面積，設(shè)計(jì)時(shí)A取π/ 4×232；而P則指的是注射壓力，設(shè)計(jì)時(shí)P取150MPa。

由此得出，芯模座環(huán)形端面支承面面積為：

上述算式中的δs徑向氣溝的實(shí)際投影面積，在設(shè)計(jì)時(shí)δs取11.2mm2。

由此得出，該環(huán)形端面擠壓應(yīng)力[5]是：

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，該吹瓶機(jī)芯模座制作時(shí)選用45Mn2材料。

在過去的研究中，曾經(jīng)對(duì)芯模座環(huán)形端面支承面實(shí)施激光熱處理，所選用的激光光斑大約有4mm粗，和該環(huán)形面的寬度相近，使用激光光斑對(duì)其進(jìn)行淬火處理，便可增強(qiáng)其表面硬度。若在設(shè)計(jì)過程中不對(duì)其表面進(jìn)行硬化處理或者不考慮其制作材料的選擇，就會(huì)導(dǎo)致芯模座的環(huán)形端面在每小時(shí)400次、擠壓應(yīng)力達(dá)到580MPa的注射開模作用下，受到損害甚至是被被壓潰，進(jìn)而改變吹氣溝的深度，加重氣道的堵塞，廢品率加大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起設(shè)備的癱瘓，影響吹瓶的正常生產(chǎn)。

8.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于全自動(dòng)注射吹瓶機(jī)的設(shè)計(jì)而言，模具氣道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的重中之重。由于該設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)廢品率高的狀況，本文針對(duì)這一情況進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)模具的氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得氣道在注射壓力時(shí)充分閉合，而在完成注射之后氣道自動(dòng)開啟，很大程度上避免了由于吹氣不均勻、氣道堵塞而引起的故障。除了對(duì)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之外，還改善了氣道的彈簧。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高中庸，翁鑄，高尚晗，王沖.全自動(dòng)注射吹塑模具的氣道設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2001，14（10）.

[2] 高中庸，黃鶴輝，翁鑄，黃位健.全自動(dòng)注射吹瓶模氣道的改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].中國(guó)塑料，2001，15（11）.