大容量中空吹塑機(jī)機(jī)頭的關(guān)鍵技術(shù)研究

李衛(wèi)民，黃 建，盧廣亮

(遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001)

0 引言

中空薄壁塑料制品的加工采用的是中空吹塑的方法。一般而言，容積大于50L的中空制品就稱為大容量吹塑制品。對(duì)于大容量吹塑制品的吹塑，需采用在很短時(shí)間內(nèi)擠出大容量熔體的儲(chǔ)料式機(jī)頭來(lái)形成型坯。目前，我國(guó)現(xiàn)有的中空吹塑設(shè)備多為中小型吹塑機(jī)，大容量中空吹塑設(shè)備很少，且存在很多問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)低于國(guó)外。本文針對(duì)200L以上大容量中空吹塑設(shè)備機(jī)頭的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。

1 大容量中空吹塑機(jī)頭的結(jié)構(gòu)研究[1]

儲(chǔ)料式機(jī)頭分為中心入料式和側(cè)向入料式。側(cè)向入料式是應(yīng)用非常廣泛的一種方式。在儲(chǔ)料式側(cè)向入料中空吹塑機(jī)中，機(jī)頭所起的作用是融合融料，并形成型坯。融料融合的關(guān)鍵是機(jī)頭中的流道。目前我國(guó)一些企業(yè)研究出了雙層心形包絡(luò)流道，但雙層心形包絡(luò)流道流道長(zhǎng)度較短，壓降較大，熔料融合后周向均勻性較差。本文參考國(guó)外資料研究出了雙層雙螺旋流道，如圖1所示。

圖1 雙層雙螺旋流道機(jī)頭

圖1中，外芯設(shè)有兩條呈180o對(duì)稱纏繞的外螺旋流道，內(nèi)芯設(shè)有兩條呈180o對(duì)稱纏繞的內(nèi)螺旋流道，內(nèi)螺旋流道與外螺旋流道呈180o對(duì)稱布置，外芯和內(nèi)芯上的每條螺旋流道（內(nèi)螺旋流道與外螺旋流道）的纏繞角度均為360o，以使外芯和內(nèi)芯的360o的外壁面上的熔料充分均勻地融合。工作時(shí)，熔料從入料口進(jìn)入機(jī)頭外筒，經(jīng)過(guò)分流芯套的分流孔，由外芯上的分流錐順利完成分流，熔料向分流錐兩側(cè)流動(dòng)，并經(jīng)導(dǎo)向流道轉(zhuǎn)向90o后，引流到內(nèi)、外芯分流處，一部分熔料由外芯上的外螺旋流道向下螺旋流動(dòng)，另一部分則通過(guò)導(dǎo)流通孔流入到內(nèi)芯的內(nèi)螺旋流道中，熔料在內(nèi)、外螺旋流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，一部分熔料隨著內(nèi)、外螺旋流道向下流動(dòng)，另一部分熔料順著內(nèi)、外芯壁向下流向儲(chǔ)料腔，這樣可以保證360o都有熔料下流，使得熔料均勻融合。

2 大容量中空吹塑機(jī)頭工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸的研究[1～3]

本文以吹塑200L塑料（高分子高密度聚乙烯)桶為例，研究了大容量機(jī)頭工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的確定方法。桶的參數(shù)為：直徑580mm，最小壁厚6mm，桶重13Kg。

1）機(jī)頭口模直徑D

機(jī)頭的口模直徑與制品直徑、吹脹比有關(guān)，需按式（1）公式計(jì)算?？紤]離模熔體膨脹效應(yīng)、流道末端效應(yīng)、冷卻收縮效應(yīng)和自重下垂效應(yīng)，引入修正系數(shù)α。α的大小與熔融物料的流速、溫度，口模定型物料的相對(duì)分子質(zhì)量等有關(guān)。

式中：D為口模直徑；α為修正系數(shù)，一般為0.5～1.0，本文取0.7；Dz為制品直徑，本文為580mm；b為吹脹比，對(duì)于大型或薄壁制品b取為1.5～3.0，通常為1.5，本文取1.5。由此得口模直徑為260mm。

2）機(jī)頭口模間隙h1

機(jī)頭口模問(wèn)隙與制品厚度、吹脹比有關(guān)。由于熔融物從口模間隙中擠出成為型坯時(shí)，存在著熔體膨脹效應(yīng)等現(xiàn)象，因此在口模間隙設(shè)計(jì)時(shí)引入修正系數(shù)β。

式中：h1為口模間隙；β為修正系數(shù)，一般為0.5～1.0，對(duì)于粘度大的塑料取小值，本文取為1.0；t為制品壁厚，本文為6mm；b為吹脹比，本文取1.5。由此得口模間隙應(yīng)大于9mm。

3）機(jī)頭口模閉合間隙h2

機(jī)頭閉合時(shí)要把管坯切斷，還要保證不漏料。機(jī)頭閉合時(shí)口模與芯模之間會(huì)產(chǎn)生不良影響。實(shí)踐證明最佳間隙為0.4mm＜h2＜0.8mm。

4）儲(chǔ)料腔長(zhǎng)度

儲(chǔ)料腔能使融合后的熔料進(jìn)一步地融合，并能使型坯形狀更規(guī)則。但過(guò)長(zhǎng)的儲(chǔ)料腔會(huì)使生產(chǎn)效率低，并會(huì)使型坯產(chǎn)生由溫差引起的分層現(xiàn)象。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取儲(chǔ)料腔長(zhǎng)度為560mm。

5）儲(chǔ)料室容積V

儲(chǔ)料室的容積要大于制品熔料、夾口料及余料等體積之和。通常夾口料及余料等體積之和為制品體積的1/3。儲(chǔ)料室容積的計(jì)算公式為：

式中：V為儲(chǔ)料室容積；γ為修正系數(shù)，一般為1.4～1.5，本文為1.45；G為制品質(zhì)量，本文為13Kg。ρ為熔料密度，本文制品材料為0.953×10-3kg/cm3。由此得儲(chǔ)料室容積為20L。

限于篇幅，其他結(jié)構(gòu)尺寸略。

3 大容量中空吹塑機(jī)頭型坯壁厚控制系統(tǒng)的研究

型坯壁厚的自動(dòng)控制有軸向控制和徑向控制兩種。對(duì)于徑向控制技術(shù)，我國(guó)還處于研究階段，相對(duì)而言，軸向控制的研究成熟一些。本文針對(duì)200L以上的大容量中空吹塑機(jī)進(jìn)行了型坯壁厚的軸向控制研究。

型坯壁厚的軸向控制采用的是閉環(huán)控制技術(shù)。用戶在壁厚控制器的觸摸屏面板上設(shè)定型坯壁厚軸向變化曲線，PLC控制器根據(jù)曲線把相應(yīng)的電壓或者電流信號(hào)傳至電液伺服閥，由電液伺服驅(qū)動(dòng)伺服油缸控制中心桿的上下移動(dòng)，從而改變機(jī)頭口模間隙。同時(shí)，連接中心桿的伺服油缸活塞桿上安有傳感器(磁懸浮電子尺)，電子尺可感知機(jī)頭口模間隙的大小并反饋給PLC控制器，在PLC控制器內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，然后經(jīng)伺服功率放大器傳送給電液伺服閥，再通過(guò)伺服閥驅(qū)動(dòng)伺服油缸，油缸帶動(dòng)中心桿移動(dòng)，最終控制口模的開(kāi)度，完成對(duì)型坯壁厚的控制。型坯壁厚控制的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

本文研究的型坯壁厚控制系統(tǒng)是一個(gè)位置控制系統(tǒng)，由電液伺服系統(tǒng)組成。控制的核心部分是中心桿的位置，其中中心桿位置控制精度是決定型坯壁厚控制效果的關(guān)鍵。因此本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)為中心桿位置控制精度，即型坯壁厚的控制精度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖2 壁厚控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

型坯壁厚的控制方法是：將每一個(gè)型坯形成過(guò)程分成數(shù)個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)這些點(diǎn)的壁厚進(jìn)行控制?？刂泣c(diǎn)數(shù)越少，響應(yīng)速度越快，但是點(diǎn)數(shù)太少，達(dá)不到所要的壁厚控制精度，且在型坯周圍形成了熔接縫（環(huán)紋）；點(diǎn)數(shù)太多，會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，伺服油缸來(lái)不及對(duì)接收的信號(hào)做出反映，型坯就已經(jīng)出來(lái)了。傳統(tǒng)的200L塑料桶壁厚控制器都是64點(diǎn)或者128點(diǎn)的。本文針對(duì)200 L雙L環(huán)桶進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在滿足壁厚控制精度為±1mm，每點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間為0.3～0.4秒的前提下選用256點(diǎn)壁厚控制更為合適。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)200L以上的大容量中空吹塑機(jī)機(jī)頭的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。所設(shè)計(jì)的雙層雙螺旋流道形式相比于其它結(jié)構(gòu)形式。其使熔料融合更加均勻，熔體的流動(dòng)更加順暢，消除了理論接縫，提高了制品強(qiáng)度；根據(jù)功能要求，采用優(yōu)化方法確定了工藝參數(shù)和尺寸，為200L以上大容量中空吹塑機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；在已有的型坯壁厚控制的基礎(chǔ)上，研究了200L雙L環(huán)桶最優(yōu)的控制點(diǎn)數(shù)和控制點(diǎn)的連接方法，提高了壁厚的均勻性、精度和制品的強(qiáng)度。

[1]李衛(wèi)民,周琳,孫宏哲.大型中空吹塑擠出系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].塑料工業(yè),2013,41(2)：70-73.

[2]辛業(yè)波,馮連勛.螺旋中心桿吹膜機(jī)頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].橡塑技術(shù)與裝備,2007,33(3)：1-4.

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