K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的研制

曹亮

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司）

K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的研制

曹亮

（寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司）

分析了現(xiàn)有注塑機(jī)薄壁塑料包裝制品成型解決方案的綠色性能的欠缺，簡(jiǎn)介了K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的綠色創(chuàng)新的高速注射塑化機(jī)構(gòu)、高剛性高速合模機(jī)構(gòu)、節(jié)能降耗液壓系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)自主研制的薄壁塑料包裝注塑機(jī)注塑成型周期4.7s、壁厚達(dá)到0.35mm的一模四穴的1000ml快餐盒的綠色成型。

注塑機(jī) 薄壁包裝制品 性能 研制

前 言

注塑成型的薄壁類(lèi)塑料包裝制品的種類(lèi)較多、量大面廣，其注塑成型設(shè)備成為一種功能化專(zhuān)用化注塑設(shè)備[1]。高速注射是薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的首位，綠色成型性能較高的生產(chǎn)效率是薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)開(kāi)拓市場(chǎng)的綠色利器，極高的可靠性是薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)可持續(xù)發(fā)展的綠色生命線。

本文分析了現(xiàn)有注塑機(jī)薄壁塑料包裝制品成型解決方案的綠色性能的欠缺，簡(jiǎn)介了K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的綠色創(chuàng)新，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)自主研制的薄壁塑料包裝注塑機(jī)注塑成型周期4.7s、壁厚達(dá)到0.35mm的一模四穴的1000ml快餐盒綠色成型，推動(dòng)了薄壁塑料包裝制品的可持續(xù)發(fā)展。

1 現(xiàn)有注塑機(jī)薄壁塑料包裝制品成型解決方案的綠色性能的欠缺

注塑機(jī)是薄壁類(lèi)包裝塑料制品的主要成型裝備，為適應(yīng)薄壁塑料包裝市場(chǎng)的快速發(fā)展，注塑機(jī)制造商大多采用蓄能器式的高速注塑機(jī)或在普通注塑機(jī)加大液壓系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的排量所實(shí)現(xiàn)“高速”注塑成型機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)是注塑機(jī)的通用性較好，便于塑料制品商組織生產(chǎn)，同時(shí)該類(lèi)“高速”注塑機(jī)的部件通用性較高，便于注塑機(jī)制造商的加工制造。

上述兩種方案的綠色性能的欠缺表現(xiàn)在：

1）生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致塑料原料和能源的利用率得不到有效提升。蓄能器式的高速注塑機(jī)雖然注射速度得到了較大提高，解決了注塑機(jī)能成型薄壁塑料包裝制品的能力要求，但制品的成型周期變化不大、整機(jī)效率沒(méi)有提升。普通注塑機(jī)加大液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的排量所實(shí)現(xiàn)“高速”注塑機(jī)，將注塑機(jī)的注射速度由100mm/s左右提升至150mm/s左右，薄壁塑料包裝制品的成型周期縮短20%左右，整機(jī)生產(chǎn)效率有所提升，但150mm/s左右的注射速度相對(duì)于薄壁塑料包裝制品所需的注射速度明顯不足，成型薄壁塑料包裝制品的能力局限性較強(qiáng)，難以適應(yīng)資源節(jié)約型的薄壁塑料包裝制品的“超薄”可持續(xù)發(fā)展。

2）機(jī)械件故障率較高，導(dǎo)致設(shè)備的周期壽命得不到有效提升。上述兩種方案均未加強(qiáng)相應(yīng)機(jī)械件的強(qiáng)度，注射部件特別是注射活塞桿、聯(lián)軸節(jié)等關(guān)鍵零部件在使用一段時(shí)間后機(jī)械故障率極高。同時(shí)，由于薄壁制品所需的合模力及合模部件的剛度較大，注塑成型周期較短，合模部件的關(guān)鍵部件拉桿組件、模板組件的故障率明顯上升，大大減低了整機(jī)的使用壽命及客戶(hù)的產(chǎn)品認(rèn)可忠誠(chéng)度。

3）成型范圍狹窄，導(dǎo)致設(shè)備不能適應(yīng)未來(lái)發(fā)展變化具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的策略、持續(xù)進(jìn)化的可能性。但隨著塑料制品壁厚的減薄，綠色生物塑料原料應(yīng)用于薄壁塑料包裝制品，聚合物熔體在模具型腔內(nèi)的冷卻速度明顯加快，成型過(guò)程變得更復(fù)雜、難度加大[1]。

上述的薄壁注塑機(jī)僅在部分技術(shù)指標(biāo)上被動(dòng)滿(mǎn)足了薄壁制品的注塑成型工藝要求，在設(shè)計(jì)中沒(méi)有為后續(xù)技術(shù)系統(tǒng)的升級(jí)換代和新型設(shè)施的添加應(yīng)用留有操作接口和載體，僅能作為一種過(guò)渡的專(zhuān)用注塑機(jī)使用。

2 K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的綠色創(chuàng)新

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的主要成型目標(biāo)制品壁厚0.35mm和產(chǎn)品流長(zhǎng)比大于150的PP類(lèi)保鮮盒。

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的主要成型性能的研發(fā)重點(diǎn)是高速注射裝置、高速塑化裝置、高效穩(wěn)定的合模裝置，復(fù)合并行的高效節(jié)能的液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等。

針對(duì)薄壁類(lèi)塑料包裝制品成型工藝做了針對(duì)性的設(shè)計(jì)調(diào)整，突出整個(gè)注塑成型周期的節(jié)能高速高效，突出整機(jī)可靠性和穩(wěn)定成型能力，更加適合薄壁類(lèi)制品的綠色注塑成型。

2.1 綠色高速注射裝置

高速注射是薄壁類(lèi)塑料包裝制品能否成型的關(guān)鍵要素。開(kāi)發(fā)K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)注射速度350mm/s，以實(shí)現(xiàn)壁厚0.35mm和產(chǎn)品流長(zhǎng)比大于150的PP類(lèi)保鮮盒。同時(shí)高速填充使成型制品的產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力大幅降低，減少變形，提高制品性能。

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的注射部件采用液壓雙缸平衡式注射機(jī)構(gòu)，雙注射油缸與預(yù)塑機(jī)構(gòu)并行布置，其軸線方向結(jié)構(gòu)緊湊。其基本組成是：螺桿機(jī)筒組、注射裝置、雙注射油缸、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等。其中有些部件是注射機(jī)構(gòu)與預(yù)塑機(jī)構(gòu)共用，在注射成型工藝循環(huán)的不同階段發(fā)揮這不同的功能，如螺桿機(jī)筒組或柱塞機(jī)筒組以及注射傳動(dòng)裝置中的聯(lián)軸節(jié)。聯(lián)軸節(jié)是整個(gè)預(yù)塑、注射過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換、推力傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。優(yōu)化聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格控制其加工質(zhì)量。注射采用雙出桿結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)雙油缸進(jìn)油路徑加大進(jìn)油通徑，同時(shí)加大回油管路的通徑減少回油流量和阻力實(shí)現(xiàn)雙注射油缸的注射同步。

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)將液壓系統(tǒng)排量增大至普通注塑機(jī)的一倍左右，同時(shí)減小螺桿直徑、減小注射壓力至140Mpa等途徑提高注射速度到350mm/s以上,使薄壁制品的注射時(shí)間可控制在0.25s以?xún)?nèi)。加強(qiáng)聯(lián)軸節(jié)、注射活塞桿及軸承座等關(guān)鍵零件的機(jī)械強(qiáng)度，滿(mǎn)足快速機(jī)注射部件的使用壽命要求。

圖1為各機(jī)型注射速度比較。

圖1 各機(jī)型注射速度比較

2.2 綠色高速塑化裝置

高速塑化是薄壁類(lèi)塑料包裝制品提高成型效率、縮短成型周期的主要工序。

高速注射成型機(jī)螺桿式塑化機(jī)構(gòu)按其執(zhí)行元件可分為液壓低速大扭矩馬達(dá)式和電動(dòng)式等。

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的塑化部件采用液壓馬達(dá)式螺桿塑化機(jī)構(gòu)，安裝于軸承座上的大扭矩馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)螺桿預(yù)塑。該結(jié)構(gòu)機(jī)械效率較高，易于控制成本。其基本組成是：螺桿機(jī)筒組、塑化傳動(dòng)裝置、大扭矩馬達(dá)、軸承座、聯(lián)軸節(jié)等。

2.2.1 高速預(yù)塑液壓馬達(dá)

預(yù)塑時(shí)間占到成型周期約40%，所以提高成型效率的關(guān)鍵的縮短預(yù)塑時(shí)間。普通注塑機(jī)的預(yù)塑轉(zhuǎn)速大多在100～150r/min，很少用到超過(guò)200r/min，在實(shí)際使用過(guò)程中，預(yù)塑轉(zhuǎn)速超過(guò)200r/min后大扭矩預(yù)塑馬達(dá)的傳動(dòng)鏈的故障率大幅上升。為縮短K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的預(yù)塑時(shí)間，對(duì)預(yù)塑大扭矩液壓馬達(dá)的連桿銷(xiāo)軸采用高速長(zhǎng)壽命耐磨材料并做表面強(qiáng)化處理，預(yù)塑允許使用轉(zhuǎn)速由200rpm提升至400rpm，預(yù)塑時(shí)間縮短約50%，塑化能力得到大幅度提高。

2.2.2 高效塑化螺桿

低溫節(jié)能高效高性能注射塑化螺桿。薄壁制品的重量較小，單次塑化物料的預(yù)塑行程一般是螺桿直徑的1-2倍，塑化額定行程取螺桿直徑的4.5倍。螺桿設(shè)計(jì)以提高塑化能力為主，適當(dāng)加大螺桿各段的槽深。螺桿長(zhǎng)徑比取25，螺桿采用主副螺紋分離型結(jié)構(gòu)，保證物料的塑化均勻性，配合使用高效混煉結(jié)構(gòu)，確保該機(jī)型對(duì)塑料混色效果的要求。

2.2.3 節(jié)能高效塑化機(jī)筒加熱裝置

采用高頻交變磁場(chǎng)的磁力線通過(guò)金屬材料時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的渦流，導(dǎo)致金屬材料自行快速發(fā)熱的電磁感應(yīng)加熱裝置[2]，同時(shí)加大料筒的壁厚為塑料熔融提供較為穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

2.3 綠色高速高剛性合模裝置

高剛性合模裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成型。1000ml的方形的PP原料保鮮盒壁厚從0.40mm減薄到0.35mm，減薄量?jī)H為0.05mm，所以高壓高速注射過(guò)程中，模具必須保證“零”漲模量，相應(yīng)合模機(jī)構(gòu)必須具備高剛性，以及精密的制造精度。

通過(guò)增厚模板，加大拉桿及鎖軸鋼套等關(guān)鍵部件的機(jī)械強(qiáng)度，有效增強(qiáng)其合模部件的剛性。

2.3.1 資源節(jié)約型的高剛度模板

高剛度模板是實(shí)現(xiàn)薄壁制品模具模腔穩(wěn)定性的關(guān)鍵。模板包括頭板、二板、尾板。K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的模板在不增加鋼材資源情況下，合理布局加強(qiáng)筋等方式增厚模板厚度，提高模板的抗彎截面系數(shù)，采用高標(biāo)號(hào)球墨鑄鐵提高模板抗彎模量，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型的總撓度控制在0.08mm以?xún)?nèi)的高剛度模板，滿(mǎn)足薄壁制品對(duì)模板高剛性的要求。

2.3.2 高剛性拉桿組件

拉桿組件包括拉桿、拉桿螺母、調(diào)模螺母。拉桿兩端為螺紋副，固定端一般為三角螺紋副，調(diào)模端一般為梯形螺紋副。拉桿組件是注塑機(jī)的關(guān)鍵部件，也是易斷裂失效的組件[3-5]。拉桿組件是注塑機(jī)合模部件設(shè)計(jì)及制造水平的關(guān)鍵要素之一。K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)加大拉桿直徑，采用優(yōu)質(zhì)的42CrMoA材質(zhì),調(diào)質(zhì)硬度HB260-280，拉桿的拉伸單位彈性變形量系數(shù)設(shè)計(jì)制控制在0.035mm/100mm左右，滿(mǎn)足薄壁注塑合模機(jī)構(gòu)的高剛性拉桿的要求，同時(shí)提高合模部件的可靠性壽命系數(shù)。

2.3.3 高剛性連桿銷(xiāo)軸組件

連桿銷(xiāo)軸組件包括前連桿、后連桿、小連桿、大鎖軸、小鎖軸、大鋼套、小鋼套。K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)加大鎖軸直徑，降低鎖軸與鋼套的接觸應(yīng)力，鎖軸采用優(yōu)質(zhì)的合金鋼材質(zhì)，調(diào)質(zhì)硬度HB260-280，表面氮化提高其耐磨性能，鎖軸與鋼套的接觸應(yīng)力控制在70MPa左右，滿(mǎn)足連桿銷(xiāo)軸高剛性的要求，鋼套采用高耐壓石墨結(jié)構(gòu)，大幅降低銷(xiāo)軸鋼套的潤(rùn)滑頻率，2小時(shí)一次的潤(rùn)滑頻率可確保銷(xiāo)軸鋼套的使用壽命內(nèi)的可靠性，同時(shí)降低摩擦能耗。

2.4 液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本組成部件有：油馬達(dá)、壓力控制閥等閥類(lèi)原件、管路等，為注射、預(yù)塑、啟閉模等動(dòng)作提供動(dòng)力及動(dòng)力轉(zhuǎn)換。液壓系統(tǒng)額定壓力16MPa。

K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為確保注射速度達(dá)到到350mm/s以上，系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝備加大至普通注塑機(jī)的一倍左右，復(fù)合并行液壓回路的設(shè)計(jì)采用雙回路系統(tǒng)，確保大幅提高注射速度、縮短成型周期。

2.5 高速運(yùn)行機(jī)構(gòu)

薄壁保鮮盒以高速成型求得綠色經(jīng)濟(jì)效益。高速運(yùn)行機(jī)構(gòu)是縮短成型周期的關(guān)鍵，高速移模及快速定位是高速成型的技術(shù)核心。K系列高性能快速薄壁注塑機(jī)的合模部件采用高速運(yùn)行的液壓連桿式斜排列五支點(diǎn)合模機(jī)構(gòu)，其主要組成部分均包括：鎖模油缸、定模板、動(dòng)模板、尾板、拉桿組件、調(diào)模組件、頂出組件，連桿組件等。

3 K系列高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)的綠色成型實(shí)例

成型設(shè)備：K系列HD280K/650高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)。注射速度350mm/s，注射壓力140MPa，鎖模力6500kN。

成型實(shí)例：1000ml的方形的PP原料保鮮盒。單個(gè)保鮮盒外形：173mm×120mm×69mm。制品厚度達(dá)到0.35mm，制品重量15.5克。一模四穴。

成型周期由常規(guī)高速機(jī)的7s以上縮短到4.7s以?xún)?nèi)，是國(guó)內(nèi)成型同類(lèi)方形保鮮盒的成型周期最短，制品壁厚最薄，穩(wěn)定成型率最高的高性能快速薄壁注塑機(jī)。

目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)成型一模四穴的1000ml快餐盒，壁厚達(dá)到最薄為0.40mm，薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)制造商都在試模的目標(biāo)厚度是0.33-0.35mm，還沒(méi)有誰(shuí)家試出來(lái)。

結(jié) 語(yǔ)

已批量生產(chǎn)的K系列HD280K/650，HD330K/900等規(guī)格的高性能快速薄壁塑料包裝制品注塑機(jī)在客戶(hù)處實(shí)際生產(chǎn)使用，能夠滿(mǎn)足薄壁塑料包裝制品綠色注塑成型的需求,具有良好的綠色效益。

[1] 張友根.注塑包裝設(shè)備功能化專(zhuān)用化高速化節(jié)能化科學(xué)發(fā)展的分析研究[J].橡塑技術(shù)與裝備, 2011，38（1）：9～25;

[2] 董林福，趙仁璞，張小玲.基于ANSYS模擬感應(yīng)線圈在塑料擠出機(jī)機(jī)筒產(chǎn)生渦流的研究[J].橡塑技術(shù)與裝備（塑料），2015,41(6):1～4；

[3] 張友根,曹亮.基于線彈性斷裂力學(xué)的注塑機(jī)拉桿組件的微裂紋穩(wěn)定要素的研究及應(yīng)用(上)[J].橡塑技術(shù)與裝備, 2015,41(6):6～19;

[4] 張友根,曹亮.基于線彈性斷裂力學(xué)的注塑機(jī)拉桿組件的微裂紋穩(wěn)定要素的研究及應(yīng)用(下)[J].橡塑技術(shù)與裝備， 2015,41(8):17～28;

5] 左強(qiáng)，施優(yōu)優(yōu)，周巨棟，沈雪明，成明祥.千噸級(jí)注塑機(jī)調(diào)模螺母破裂咬死仿真與理論分析[J].橡塑技術(shù)與裝備（塑料），2016,42(14):53～55。

Development of K series high performance rapid thin-walled plastic packaging products injection molding machine

Cao Liang（Ningbo Haida plastic machinery co., LTD.,）

Analyzed the existing thin-wall injection molding plastic packaging products molding solution to the lack of green performance, introduced the High speed injection plasticizing mechanism and the high rigidity high speed mold clamping mechanism, and the saving energy and reducing consumption of the hydraulic system of green innovation for K series high-performance fast thin-wall plastic packaging products of injection molding machine, for the first time domestic self-developed thin-wall plastic packing injection molding machine injection molding thickness of 0.35 mm of one module and four holes of 1000 ml snack box with molding cycle 4.7 s green molding, For the first time domestic self-developed thin-wall plastic packing injection molding machine injection molding thickness of 0.35 mm of one module and four holes 1000 ml snack box forming.

injection molding machine thin-walled packaging products performance the development