注塑機(jī)生產(chǎn)效率的影響因素分析

羅廣恒　李志宏

摘 要：介紹了注塑機(jī)的生產(chǎn)流程，并且從生產(chǎn)效益及成型周期的角度上分析影響注塑機(jī)生產(chǎn)效率的因素。

關(guān)鍵詞：成型周期；注射時間；塑化時間；冷卻時間

0 引言

注塑是如今塑料生產(chǎn)中所占比例最大的生產(chǎn)方式。注塑機(jī)相對于其他塑料成型機(jī)械，具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品后加工量小、加工適應(yīng)性強(qiáng)等特點，隨著塑料制品的需求量日益增大，注塑機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，在塑料成型機(jī)械中所占的比重也不斷增大。在生產(chǎn)日益高效化的今天，提高注塑機(jī)生產(chǎn)效率已經(jīng)成為各注塑機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的重點研究方向。

1 注塑機(jī)的生產(chǎn)流程

注塑機(jī)的注射成型工藝流程主要分塑化過程、注射過程和冷卻過程。其具體流程如圖1：在塑料塑化完成后，模具快速合模。模具壓緊后，噴嘴向模具移動至兩者完全貼合后，將塑料熔體注入模具模腔內(nèi)。注射過程中，模壁與塑料熔體的溫差會使塑料熔體冷卻收縮。為保證制品的致密性，必須對塑料熔體進(jìn)行補(bǔ)縮。此時，塑料熔體會受到注射螺桿作用的壓力，這個過程叫保壓。當(dāng)保壓至熔料不倒流時，壓力撤除，制品在模具內(nèi)冷卻定型。同時，料斗的塑料將在螺桿后退的時進(jìn)入料筒并完成塑化。塑化完成后，注射裝置后退，噴嘴將與模具分離，模具將在塑料制品冷卻定型后開模，并由頂出機(jī)構(gòu)頂出，完成一次循環(huán)的動作。

2 注塑機(jī)生產(chǎn)效率的影響因素

提高效益、提高速度，是提高生產(chǎn)效率的主要方法。注塑機(jī)的生產(chǎn)效益，體現(xiàn)在成品合格率及能耗上。而生產(chǎn)速度，則與其成型周期有關(guān)。

2.1 合格率

提高合格率是如今生產(chǎn)廠家的研究主題之一。對于注塑生產(chǎn)，其制品的合格率影響因素是多方面的，主要體現(xiàn)在裝配精度或生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置上。由于注塑機(jī)利用塑料熔體的收縮性、流動性、結(jié)晶性等特性生產(chǎn)塑料制品，如果注塑機(jī)的生產(chǎn)參數(shù)不穩(wěn)定，會導(dǎo)致塑料制品出現(xiàn)表面缺陷及尺寸偏差，影響合格率。塑料制品的表面缺陷種類非常多，主要有飛邊、變形、困氣、銀絲、燒傷、縮痕、流痕、開裂、沖射紋、熔接線、縮水、變色等。生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就有可能引起上述的一種甚至多種缺陷。因此，在設(shè)備生產(chǎn)之前應(yīng)先進(jìn)行調(diào)試，使模版平行度、噴嘴同心度等裝配精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，另外，在生產(chǎn)時，需要合理設(shè)置注射量、注射壓力、鎖模力等生產(chǎn)參數(shù)。

2.2 能耗

注塑機(jī)的能源消耗主要用于加熱塑料及動力系統(tǒng)，因此，提高熱效率及電機(jī)的有效功率將是降低能耗的有效方法。

（1）提高熱效率可通過改變加熱方式來達(dá)到目的。傳統(tǒng)注塑機(jī)通過電熱圈加熱，再通過接觸傳導(dǎo)的方式把熱量傳導(dǎo)炮筒內(nèi)，這種加熱方式會使電熱圈外側(cè)的熱量散失到空氣中，存在熱傳導(dǎo)損失?？梢圆捎眯滦偷募訜岱绞?，如電磁加熱、紅外加熱來加熱塑料。這些加熱方式，具有更高的熱效率，節(jié)能效果十分顯著，電磁加熱的節(jié)能率可達(dá)10%～35%，紅外加熱的節(jié)電率約為20%～25%。另外，還可以在炮筒內(nèi)設(shè)置余熱回收設(shè)備，對炮筒內(nèi)的余熱采集，循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。炮筒熱量回收的節(jié)電率約為18%～25%。[1]

（2）降低動力系統(tǒng)的能耗，可通過提高該有效功率來達(dá)到。如今國內(nèi)的注塑機(jī)大多數(shù)都是定量泵型注塑機(jī)，這種注塑機(jī)設(shè)計時電機(jī)的功率是按照各個原理動作的最大消耗來進(jìn)行設(shè)計的，尤其以高速高壓動作的能耗最大。實際中注塑機(jī)生產(chǎn)高精度的塑料制品，往往不需要高速高壓成型，通常情況下注塑機(jī)電機(jī)平均負(fù)載率不高，同時注塑機(jī)并不會根據(jù)負(fù)載的變化而調(diào)整輸出功率，大量的能量稱謂無用功，因此能耗巨大。加裝變頻器，可以通過信號的“輸入-處理-輸出”來動態(tài)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速以提高有效功率，降低油泵的能耗。另外，可采用伺服電傳動的方式代替液壓傳動。全電動注塑機(jī)能大幅度提高注塑的一致性，使得合格率大大提高，同時也具備了節(jié)能、低噪聲、清潔，清潔維修方便等優(yōu)點，在市場上的占有比例逐漸提升。

2.3 成型周期

生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率，在正常生產(chǎn)的情況下，與其生產(chǎn)周期成反比。要提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效率，必須從其生產(chǎn)流程中縮短生產(chǎn)周期。從上述生產(chǎn)流程可以得知，塑料制品的成型周期主要由注射時間、保壓時間、冷卻時間及由開模、閉模、頂出制品等組成的輔助時間組成。剖析這些時間的影響要素，則是分析成型周期影響因素的關(guān)鍵。

2.3.1 注射時間

注射時間是指螺桿或柱塞射出一次理論注射量所需要的時間，又稱充模時間。為了得到密度均勻和尺寸穩(wěn)定的制品，必須在較短時間內(nèi)快速將熔體充滿模腔。因此，注射速率大小對制品質(zhì)量有很大影響。注射速率跟螺桿移動速度成正比，與注射時間成反比，其關(guān)系可表示為：

（1）

式中：q—注射速率，g/s；

W—注射質(zhì)量，g；

t—注射時間，s。

從式（1）可知，注射速率是影響注射時間長短的主要因素，同時該參數(shù)也影響了成品質(zhì)量。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，當(dāng)注射成型機(jī)構(gòu)確定后，可以通過調(diào)節(jié)注射油缸的工作油流量來實現(xiàn)注射速率的變化，從而改變注射時間。

2.3.2 保壓時間

保壓是注塑機(jī)生產(chǎn)過程中十分重要的階段。在模腔充填塑料熔體后，注塑過程就從注射階段進(jìn)入保壓階段。保壓時間的長短對制品的精確性有很大的影響。如果保壓時間不足，熔體會從模腔內(nèi)倒流，使模腔壓力下降，導(dǎo)致制品出現(xiàn)縮孔、凹陷、重量不穩(wěn)定等缺陷。保壓時間過長，會使生產(chǎn)周期增加，降低生產(chǎn)效率。

保壓時間的確定與熔體溫度、模具溫度和澆口尺寸有關(guān)。一般來說，保壓時間必須持續(xù)到澆口固化。然而，要準(zhǔn)確掌握這個時間，需要通過經(jīng)驗判斷及逐步調(diào)試。設(shè)置的保壓時間是否合理，可以通過斷面分析法和稱重法來判斷。斷面分析法，是通過微觀的手段分析制品的斷面層的缺陷，從制品的成型質(zhì)量上去分析所設(shè)置的保壓時間合理性的方法。該方法十分精確、直觀，浪費(fèi)的塑料原料少，但是使用的設(shè)備昂貴。稱重法，是采用多次生產(chǎn)制品的重量誤差比較去反映制品的質(zhì)量的方法；該方法，使用的原料較多，但由于使用的設(shè)備便宜，為生產(chǎn)者普遍采用。endprint

2.3.3 冷卻時間

注塑機(jī)在保壓至澆口固化開始，就進(jìn)入了制品的冷卻階段。冷卻時間占整個成型周期的3/4以上，其確定直接影響塑料制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。冷卻時間取決于制品的厚度、塑料的熱性能和結(jié)晶性能、模具溫度等因素。理想狀態(tài)下，塑料制品的冷卻時間可以通過熱傳學(xué)原理計算獲得。塑料制品的最短冷卻時間可以由式（3）來決定[2]：

（2）

式中：tmin—最短冷卻時間，S；

S—塑料制品厚度的一半，mm；

α—塑料的熱擴(kuò)散系數(shù)，m?/s；

T0 —塑料熔體初始溫度，℃；

TW —模具型腔壁的溫度，℃；

TC—制品脫模時的溫度，℃；（一般為塑料的固化溫度）

通過式（2）可知，理想狀態(tài)下冷卻時間與其塑料材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及固化溫度有關(guān)。但是，由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計和模具及塑料形狀等因素影響，實際冷卻所需時間與理論計算結(jié)果有不同程度的偏差。

另外，模具的設(shè)計與冷卻時間有很大關(guān)系，主要體現(xiàn)在模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計上。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，直接影響模具型腔壁的溫度TW，該參數(shù)影響冷卻時間的長短，從而影響生產(chǎn)效率；同時，該設(shè)計也影響模具型腔壁溫度的均勻性，從而影響成品的質(zhì)量。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，可使塑料制品快速、均衡冷卻，從而縮短冷卻時間，提高生產(chǎn)效率，還能減少廢品，提高合格率。設(shè)計冷卻系統(tǒng)時應(yīng)遵循以下原則：

（1）冷卻水道應(yīng)與成型面各處距離相等，排列和形狀盡可能相符；

（2）冷卻水道應(yīng)使成型表面冷卻均勻，模具各處的溫差不大；

（3）循環(huán)式冷卻水道中冷卻介質(zhì)的流程應(yīng)相等；

（5）冷卻水道應(yīng)先通過澆口部位并沿料流方向流動，即從模溫高區(qū)域流向模溫低區(qū)域；

（6）冷卻水道不應(yīng)設(shè)置在塑件可能出現(xiàn)熔接痕的部位；

（7）冷卻水道應(yīng)防止?jié)B漏；

（8）水嘴應(yīng)設(shè)在模具的非操作側(cè)，并考慮不與注塑機(jī)導(dǎo)向柱干涉；

（9）動、定模應(yīng)分別單獨設(shè)置冷卻系統(tǒng)，以便調(diào)節(jié)控制塑件的變形等缺陷。

傳統(tǒng)注射成型過程中，需要通過不斷反復(fù)修模、試模才能達(dá)到所需的冷卻效果。隨著注塑行業(yè)的發(fā)展，新的注射成型技術(shù)不斷產(chǎn)生，早期的很多模具冷卻方法已很難滿足市場發(fā)展的需要。20 世紀(jì) 90 年代中期以來，國內(nèi)外研究者不斷加大對注塑模具冷卻系統(tǒng)的研發(fā)，并且開發(fā)出了一些新型的冷卻技術(shù)，如：脈沖冷卻技術(shù)、CO2氣體冷卻技術(shù)、隨形冷卻技術(shù)。不但提高了生產(chǎn)效率，還為注射成型技術(shù)開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域[3]。

2.3.4 塑化時間

塑料制品在模具冷卻的同時，注射系統(tǒng)進(jìn)入塑化階段。塑化時，機(jī)筒的加熱和螺桿的轉(zhuǎn)動使塑料在往前輸送的同時實現(xiàn)塑料的熔融。這個過程所用時間即為塑化時間。要保證注塑機(jī)的生產(chǎn)工藝流程的循環(huán)流暢性，塑化時間應(yīng)小于冷卻時間。

螺桿的結(jié)構(gòu)和工作特性對注塑機(jī)成型周期和制品質(zhì)量都有很大影響。注射螺桿的塑化能力與螺桿后退的速度成正比。研究表明，塑化能力的影響因素有：螺桿的幾何尺寸（螺桿直徑、計量段長度和螺槽深度）、成型工藝參數(shù)的選擇（螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿背壓及計量段成型溫度）[4]。

（1）螺桿幾何參數(shù)方面：注射螺桿的塑化能力隨螺桿直徑、計量段螺槽深度、計量段長度的增加而提高；當(dāng)計量段長度大于5倍螺桿直徑后，計量段的增加給注射螺桿塑化能力的影響趨勢會逐漸減緩。

（2）成型工藝參數(shù)的選擇方面：注射螺桿的塑化能力與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而與螺桿的背壓及計量段成型溫度成反比。

2.3.5 輔助時間

輔助時間主要指開模、合模、頂出制品、涂拭脫模劑、安放嵌件等時間。減少輔助時間也是提高注塑機(jī)生產(chǎn)效率的有效手段。對于開模、合模、頂出制品，可以通過提高模板及頂出裝置的動作速度來實現(xiàn)縮短時間。對于涂拭脫模劑、安放嵌件、放料等動作，需要專業(yè)人員來提高工作速度，或采用自動化手段來提高及穩(wěn)定工作速度。

3 結(jié)論

通過生產(chǎn)效益及成型周期兩個角度分析了影響注塑機(jī)生產(chǎn)效率的因素：

（1）生產(chǎn)效益方面：產(chǎn)品合格率及能耗是兩個主要因素：1）保證產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵在于在生產(chǎn)前調(diào)試的裝配精度及生產(chǎn)時設(shè)置的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)；2）對于降低能耗，可采用新的加熱方式或設(shè)置余熱回收裝置的方法提高熱效率及采用變頻器控制油泵電機(jī)或伺服全電動作動力系統(tǒng)來提高其有效功率。

（2）成型周期方面：注射時間、保壓時間、冷卻時間、塑化時間和輔助時間為整個成型周期的重要組成部分：1）注射時間的主要影響因素是注射速率，可以通過調(diào)節(jié)注射油缸的油液流量來改變；2）保壓時間的長度直接影響塑料的精確性，要獲得最短有效保壓時間，需要經(jīng)驗和逐步調(diào)試；3）冷卻時間的長短，與塑料材料的熱擴(kuò)散系數(shù)及固化溫度有關(guān)，同時，在實際情況下，冷卻時間也與模具的設(shè)計，尤其是其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計有直接關(guān)系；4）塑化與冷卻這兩流程是同時進(jìn)行的，因此，塑化時間須比冷卻時間短來保證生產(chǎn)的正常循環(huán)。塑化時間長短取決于塑化能力，塑化能力的影響因素則有螺桿的幾何尺寸和成型工藝參數(shù)的選擇；5）輔助時間的總和占成型周期的一大部分，可以通過提高相關(guān)機(jī)構(gòu)的動作速度、操作人員專業(yè)水平或采用自動化的手段來縮短其時間。

參考文獻(xiàn)：

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