30L三層中空成型機共擠機頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

梁寬強 蘇建文 劉軍強

(陜西秦川機械發(fā)展股份有限公司)

1 概述

在國家包裝行業(yè)相關(guān)政策的推動下，符合低能耗、低污染、低排放、可循環(huán)利用的塑料包裝容器在各領(lǐng)域得到廣泛使用。為滿足市場需要，有必要研發(fā)中小型多層塑料容器的生產(chǎn)設(shè)備。

30L三層中空成型機主要用于生產(chǎn)20～30L三層帶液位線包裝用塑料桶，該桶主要用于液體及固體化工危險品及非危險品包裝、食品包裝、日用化工產(chǎn)品包裝。制品采用三層結(jié)構(gòu)，三層可各自采用不同的配方，可減輕被包裝物的污染，并減少生產(chǎn)過程中各種塑料添加劑(如色母料)的用量，在內(nèi)外兩層用新料，保證制品外觀和包裝衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的前提下，中間層完全用回收料，增加回收料的用量，降低生產(chǎn)成本，提高制品循環(huán)回收利用率。

本文主要論述30L三層中空成型機的關(guān)鍵部件—機頭的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計的過程與思路，以此為大家提供多層共擠機頭的設(shè)計參考。

2 三層共擠機頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

要設(shè)計出符合要求的中空機頭，首先要明確整機的配置與要求。機頭只是整機一部分，因此不能獨立于整機去設(shè)計。在設(shè)計過程中，注意以系統(tǒng)的觀點去分析出現(xiàn)的問題。整機的設(shè)計思路應(yīng)該是先整機，再機頭，而對于機頭應(yīng)該是先結(jié)構(gòu)設(shè)計，再流道體設(shè)計。

2.1 多層共擠機頭的吹塑過程

多層共擠機頭擠出吹塑的過程是:原料由擠出機料斗進(jìn)入擠出機，再由擠出機的出口以高壓熔融體的狀態(tài)進(jìn)入機頭相應(yīng)層的流道，在機頭流道中形成完整的料坯，各層料坯在熔體壓力的作用下繼續(xù)下行，在機頭內(nèi)的特定位置融合成多層料坯后，通過口芯模的壁厚控制而形成最終的多層料坯，進(jìn)入成型機模具吹制成制品。

2.2 機頭的設(shè)計要求

多層共擠機頭是多層中空成型機的關(guān)鍵部件，機頭在整機中的功能決定了機頭結(jié)構(gòu)設(shè)計要求如下:

能控制每一層熔融塑料達(dá)到最佳狀態(tài)和完美的圓周及側(cè)向分布;能適應(yīng)各種常用的中空高分子材料;以滿足不同制品對料坯形狀的要求;機頭壓力不能太高;伺服壓力足夠;保證型坯質(zhì)量及制品質(zhì)量，熔體在流道中的停留時間應(yīng)盡可能短，且停留時間相等;在徑向上，熔體在流道唇口處及口模出口處的流量、壓力平衡;流道不能有死角;保證熔體在機頭內(nèi)流動符合“先進(jìn)先出”原則。

對于多層機頭還有一些特殊的要求:

達(dá)到機頭的工作性能不受生產(chǎn)率和原料粘度的影響;在低擠出量下具有良好的自清潔功能和高擠出量下的最小剪切熱，使每一層料坯都具有良好的圓周分布;多層組合料坯各層分布層厚比穩(wěn)定，料坯經(jīng)過機頭的調(diào)節(jié)和控制，符合設(shè)計的要求。

2.3 三層共擠機頭整體設(shè)計方案

根據(jù)原有技術(shù)積累與經(jīng)驗，初步確定三層共擠機頭結(jié)構(gòu)如下圖所示:

圖2-1 機頭結(jié)構(gòu)方案

三個流道體嵌套式布置，內(nèi)層流道體外表面上分布的導(dǎo)槽與緊鄰的外層流道體的內(nèi)孔組成該層的完整流道。熔融料由三個進(jìn)料口進(jìn)入機頭流道，每個進(jìn)料口對應(yīng)一層機頭流道，高壓熔融料通過流道的分配和導(dǎo)向而行成圓筒狀料壞，各層料坯沿流道體外壁下沿下行，內(nèi)層料坯與中間層料坯在中間流道體下沿位置初步形成雙層料坯后，在熔體壓力的作用下繼續(xù)下行，在外層流道體的下沿位置再與外層料坯熔合而形成三層料坯，對于有液位線要求的制品，可在三層料坯下行通道上設(shè)計特殊的加料口，強行劈開料坯，加入與料坯材料親合力強的透明高分子材料，形成貫通料坯的透明線。

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便，易于拆卸清理。

2.4 壁厚控制

中空機機頭的型坯壁厚控制也是中空機機頭的一項關(guān)鍵技術(shù)。型坯壁厚控制分為軸向控制(AWDS)和徑向控制(PWDS)兩種形式。軸向壁厚控制系統(tǒng)通過機頭芯模在料坯注出的過程中，按程序控制作軸向運動，實時改變芯模的開口量，使料坯在不同的位置獲得不同的壁厚，以適應(yīng)制品形狀的實際需要，從而基本保證最終制品有比較均勻的壁厚分布。目前國內(nèi)生產(chǎn)的中空機上一般都具有軸向型坯控制功能，在整個料坯長度范圍內(nèi)，厚度控制點從24點到256點不等。30升機頭根據(jù)制品大小采用64點壁厚控制技術(shù)。

在徑向壁厚控制方面，設(shè)計時，采用了芯模修形技術(shù)，以部分改善料坯的徑向壁厚分布情況。最終能較好地解決制品徑向分布不均勻的問題。

3 三層共擠機頭流道體分析

3.1 流動分析

中空吹塑制品成型，首先是需要合格的型坯，型坯厚度要滿足制品的要求，型坯長度要合適，型坯直徑尺寸要滿足制品尺寸的要求，而合格的型坯主要取決于機頭設(shè)計。機頭的關(guān)鍵之一是流道設(shè)計。

由于流體內(nèi)部粘滯力和管壁摩擦力的存在，塑料熔體沿管隙的流動會引起壓力降和速度的變化。機頭流道的截面形狀和尺寸變化會引起流體壓力、流速分布和流量的變化，這些因素將對料坯的形成和中空制品性能產(chǎn)生重要影響。

流道設(shè)計要求塑料原料在機頭中的停留時間短，壓力降小，進(jìn)入儲料缸時的速度、壓力在徑向方向上波動小，機頭換色時間短，熔接痕強度好。儲料機頭一般采用圓柱包絡(luò)式流道，展開后為“衣架式”流道。

3.2 機頭流道體設(shè)計

機頭流道結(jié)構(gòu)直接決定型坯和制品的質(zhì)量。在設(shè)計三層共擠機頭時，采用設(shè)計分析軟件FLOW2000，模擬顯示熔體在流道內(nèi)流動時各處的溫度分布、壓力分布、剪應(yīng)力分布、流率分布、滯留時間等，并據(jù)此對流道的設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，尋求最佳設(shè)計方案。

圖3-1 為內(nèi)層流量和壓力分布圖。

在模擬分析基礎(chǔ)上，基于熔融體在機頭中形成完整的料坯，并使料坯在口模出口處的徑向方向壓力、速度相等，熔體在機頭中停留時間短的設(shè)計目標(biāo)，初步確定出三層流道體的流道形狀如下圖所示:

圖3-2 內(nèi)層流道體

3.3 流道體的材料選擇

根據(jù)流道體零件特點，材料需滿足易加工;耐壓、耐溫、耐磨損;具有足夠的強度與剛度。具有足夠的表面硬度，便于拋光至滿意的表面質(zhì)量。能經(jīng)受適當(dāng)?shù)臒崽幚?，變形小、尺寸變化不明顯。具有良好的導(dǎo)熱性，且無內(nèi)應(yīng)力。選擇合適材料，為后序零件加工、熱處理提供保證。常用的零件材料有40Cr、35CrMo、38CrMoAlA等。本機頭采用38CrMoAlA。

4 總結(jié)

根據(jù)制品對型坯的要求，設(shè)計出的三層共擠機頭經(jīng)試驗有以下特點:

a.機頭流道合理控制了熔體在面頭內(nèi)的流向和流速，與設(shè)備的生產(chǎn)效率相匹配;

b.三層料坯，流動速度基本一致，在機頭內(nèi)部復(fù)合良好，三層復(fù)合料坯在出口處平整、分層清晰;

c.組成流道的零件材料采用較硬的優(yōu)質(zhì)合金鋼38CrMoAlA，氮化處理，流道硬度高，光潔度好，使用壽命長;

d.伺服油缸面積與口模尺寸等參數(shù)匹配合理，保證了芯模開閉動作響應(yīng)及時。

機頭的設(shè)計成敗直接關(guān)乎整臺機床的成敗，所以在設(shè)計時，必須理論聯(lián)系實際。本文通過對30L三層共擠機頭的設(shè)計過程的論述，為設(shè)計者提供一些參考。本文所提30L三層機頭已成功應(yīng)用于秦川發(fā)展SCJC30×3中空成型機上。

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