中空成型機(jī)幾種軸向與徑向型坯控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

邱建成 邱睿

前 言

中空成型機(jī)的塑料型坯壁厚控制技術(shù)是現(xiàn)代中空成型機(jī)的主要研究方向之一，它是中空成型機(jī)是否先進(jìn)，現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

中空成型機(jī)的塑料型坯壁厚控制技術(shù)主要包括：塑料型坯軸向壁厚控制技術(shù)，塑料型坯徑向壁厚控制技術(shù)，口模與心模的修型技術(shù)等。近年來，對這些技術(shù)的研究越來越深入，反應(yīng)在吹塑產(chǎn)品上，其制品壁厚的均勻性更好了，產(chǎn)品的質(zhì)量更加容易得到保障。本文主要介紹這幾項(xiàng)技術(shù)的研究情況。

1.軸向壁厚控制技術(shù)

電液型坯壁厚控制系統(tǒng)主要由液壓伺服系統(tǒng)、塑料機(jī)頭的伺服液壓缸、電氣控制器，電液伺服閥，料位傳感器（電子尺），以及聯(lián)接的管道等組成，通過對機(jī)頭芯?；蚩谀ｉ_口量的控制來控制塑料型坯的厚薄變化使吹塑制品達(dá)到一個(gè)較為理想的壁厚水平。

目前，軸向與徑向塑料壁厚控制技術(shù)在電液控制方面已經(jīng)非常成熟，近年來一些廠家研究了多種全電動(dòng)伺服壁厚控制技術(shù)與裝置，應(yīng)用機(jī)型越來越多，技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。

中空成型機(jī)機(jī)頭的型坯壁厚控制技術(shù)是中空吹塑成型的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用在大型工業(yè)件或是精密吹塑件的成型方面尤其顯著。其壁厚控制技術(shù)不只是應(yīng)用于儲(chǔ)料式機(jī)頭，也可以用于直接擠出式機(jī)頭。

電液型坯壁厚控制系統(tǒng)可分為軸向壁厚控制技術(shù)（AWDS）和徑向壁厚控制技術(shù)（PWDS）兩種形式。

目前中空成型機(jī)的成型機(jī)頭一般都具有軸向型坯控制功能，其控制點(diǎn)從64點(diǎn)到256點(diǎn)不等。軸向壁厚控制的作用是使得擠出的塑料型坯根據(jù)制品不同的吹脹比沿軸向獲得不同的厚度，從而保證最終制品有比較均勻的壁厚分布，它是通過使芯?；蚴强谀８鶕?jù)預(yù)設(shè)位置作軸向運(yùn)動(dòng)而改變芯模、口模的開口量來達(dá)到改變塑料型坯壁厚的目的。

近幾年來，國內(nèi)多家中空成型機(jī)設(shè)備制造廠家已開發(fā)出性能可靠地軸向壁厚數(shù)字化液壓伺服控制系統(tǒng)（AWDS），控制點(diǎn)在64和100點(diǎn)這兩種形式的居多。它們采用PLC的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊控制液壓伺服閥的專用放大器控制電路，放大器控制電路驅(qū)動(dòng)伺服閥和位移傳感器工作，對于型坯壁厚每一點(diǎn)數(shù)據(jù)的修改和設(shè)定以及基本壁厚的設(shè)定非常方便。一些廠家在中空成型機(jī)上按照客戶的要求安裝進(jìn)口型坯壁厚控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)多數(shù)采用的是 MOOG公司的產(chǎn)品，使用性能上也很可靠。

目前國內(nèi)已經(jīng)有專業(yè)公司正在研究開發(fā)具有國際先進(jìn)水平的可以控制四路的壁厚精確控制器，每路控制點(diǎn)為100點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對四個(gè)伺服閥的單獨(dú)控制與調(diào)節(jié)，從試驗(yàn)的情況看，其控制精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國外發(fā)達(dá)國家的同類產(chǎn)品，其操作、維護(hù)上更為方便，使用壽命更長。其產(chǎn)品價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外同類產(chǎn)品價(jià)格，國內(nèi)吹塑機(jī)設(shè)備制造廠家值得加快推廣步伐。

如圖1所示，電液型坯軸向壁厚控制系統(tǒng)控制原理圖。

圖1 電液型坯軸向壁厚控制系統(tǒng)控制原理圖

蘇州同大機(jī)械有限公司不但研制了系列化的電液軸向、徑向伺服控制系統(tǒng)裝置，近年來研制成功了多款適合大中型吹塑機(jī)應(yīng)用的全電動(dòng)伺服控制軸向型坯控制系統(tǒng)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化的研發(fā)與應(yīng)用。其全電動(dòng)伺服控制拉力分別可達(dá)到：30、60、120、200、300t的拉力。全電動(dòng)伺服型坯控制系統(tǒng)的對應(yīng)曲線可擴(kuò)展較多的點(diǎn)數(shù)，其控制精度明顯高于電液控制系統(tǒng)，提高了對塑料型坯的控制精度，有利于提高吹塑制品的控制精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此可較大的提高塑料型坯的控制精度，從而提高吹塑機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)水平。

2.電液徑向（周向）壁厚控制技術(shù)

軸向壁厚控制雖然能改善吹塑制品高度方向的壁厚分布，但由于其壓出的塑料型坯在水平截面內(nèi)仍呈等壁厚圓形，對部分在某一對稱方向有較大拉伸要求的制品則顯得仍不是最佳，因此便產(chǎn)生了徑向壁厚控制技術(shù)。徑向控制技術(shù)可以使擠出的型坯在所要求的區(qū)段內(nèi)呈非圓截面的變化。

軸向壁厚控制與徑向壁厚控制的聯(lián)合作用，可獲得更佳的塑料型坯，即可獲得更為理想的制品壁厚分布。

柔性環(huán)徑向型坯控制包括柔性環(huán)芯?？刂葡到y(tǒng)與柔性環(huán)口模控制系統(tǒng)，它是通過電液伺服控制薄壁柔性環(huán)在一個(gè)方向或兩個(gè)對稱方向上或是多個(gè)方向的變形來改變擠出型坯的厚度。它的特點(diǎn)是無論吹制什么形狀的制品，只要其口模直徑不變，則徑向控制都能發(fā)揮作用。

圖2，柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)（PWDS）。

圖2 柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)（PWDS）

圖3，一種安裝了柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)的機(jī)頭外形圖

圖3 一種安裝了柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)的機(jī)頭外形圖

該機(jī)頭為雙機(jī)頭設(shè)計(jì)，每個(gè)機(jī)頭的柔性環(huán)口模分別安裝了2組伺服液壓缸來推動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)塑料型坯的徑向型坯壁厚的控制與調(diào)節(jié)。

蘇州同大機(jī)械有限公司于近年研制成功柔性環(huán)徑向型坯壁厚控制系統(tǒng)，口模、芯模柔性環(huán)的直徑范圍在150~850 mm均可實(shí)現(xiàn)控制，具有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、安裝、使用、維護(hù)、價(jià)格方面的諸多優(yōu)勢，可安裝在多種規(guī)格的中空成型機(jī)口模上，口模柔性環(huán)其控制點(diǎn)可達(dá)16點(diǎn)，柔性環(huán)芯模調(diào)整點(diǎn)可達(dá)到36個(gè)點(diǎn)；使用壽命長，安裝、調(diào)試、維護(hù)、修理均非常方便。

應(yīng)用于TDB-250F中空成型機(jī)的柔性環(huán)徑向壁厚控制裝置見圖4。

圖4 TDB-250F口模、芯模柔性環(huán)控制裝置示意圖

蘇州同大機(jī)械有限公司研制的柔性曲環(huán)動(dòng)態(tài)徑向口模環(huán)與靜態(tài)柔性芯模的技術(shù)特點(diǎn)：

① 整體設(shè)計(jì)簡單，調(diào)整方便快捷，耐用性能好。以TDB-250F柔性環(huán)控制系統(tǒng)為例，即使是柔性環(huán)常用的頂出點(diǎn)發(fā)生磨損或是變形，只是需要松開口模壓環(huán)將柔性環(huán)變換一個(gè)位置就可以實(shí)現(xiàn)重新使用，對變形處只需要稍微打磨拋光即可。

② 伺服液壓缸的活塞桿內(nèi)部設(shè)計(jì)、制造有循環(huán)冷卻水，可以有效減小模頭環(huán)境熱能對伺服液壓缸的影響，并且其體積小，安裝調(diào)試方便，易于保障伺服液壓缸長期穩(wěn)定運(yùn)行。

③ 動(dòng)態(tài)柔性環(huán)口模與靜態(tài)芯模柔性環(huán)均采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼精密加工而成，經(jīng)過多次不同方式的材質(zhì)處理，確保了其彈性足，回彈快捷，抗疲勞性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，性價(jià)比優(yōu)良。

④ 可采用一組閥控制一組伺服液壓缸，也可以采用一組閥控制多組伺服液壓缸，有利于降低柔性曲環(huán)的制造成本并且提供型坯的壁厚控制精度。

⑤ 可實(shí)現(xiàn)在圓周方向設(shè)置多組伺服液壓缸，實(shí)現(xiàn)對不同控制點(diǎn)的控制，可達(dá)到對復(fù)雜型坯實(shí)現(xiàn)多處、多點(diǎn)壁厚控制的目的與效果。

⑥ 可實(shí)現(xiàn)對柔性環(huán)的定距離控制和伺服控制，有利于型坯壁厚的調(diào)整與控制。

柔性環(huán)徑向控制系統(tǒng)的未來應(yīng)用前景：

柔性環(huán)徑向控制系統(tǒng)在模頭圓周上任何位置可以用來改變流道間隙，從而改變型坯壁厚的分布為擠坯吹塑開辟了全新的天地。它不僅是能制造更為復(fù)雜的部件，而且柔性環(huán)技術(shù)還將動(dòng)態(tài)壁厚控制的應(yīng)用延伸至幾乎所有要求的模頭形狀，從而在未來不再會(huì)有徑向壁厚控制應(yīng)用上的限制，因?yàn)槟ｎ^直徑可以做得更小。

同時(shí)，柔性曲環(huán)技術(shù)為明顯降低生產(chǎn)成本提供了機(jī)會(huì)，不僅是通過改進(jìn)吹塑件壁厚分布來降低材料消耗而完成，而且還主要是通過縮短吹塑成型周期時(shí)間，當(dāng)吹塑件中不必要的厚點(diǎn)被消除掉時(shí)它會(huì)自然地縮短加工周期。

這種柔性環(huán)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)它不但適應(yīng)于全新吹塑機(jī)的配套，同時(shí)也可以比較方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有吹塑機(jī)的技術(shù)升級和配套改進(jìn)，有利于提高和發(fā)揮現(xiàn)有吹塑機(jī)設(shè)備的潛力，可減少吹塑制品廠家的設(shè)備投資的資金投入。

圖5 幾種形式的柔性環(huán)口?？刂蒲b置外形圖

柔性環(huán)口模徑向壁厚控制技術(shù)對于提高大型中空制品的質(zhì)量是一個(gè)有效的方法，還能減輕制品的重量。以 200L塑料桶容器為例，至少可節(jié)省5%~10%的原料。但是目前加工一套大型的柔性環(huán)口模徑向壁厚控制裝置的附加費(fèi)用較高。隨著對柔性環(huán)徑向壁厚控制技術(shù)的深入研究，尤其是對柔性環(huán)芯模、口模設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，該技術(shù)將在更多中空成型機(jī)上獲得應(yīng)用與推廣。

3.幾種常規(guī)吹塑制品的芯模、口模修型設(shè)計(jì)

芯模、口模的局部修整技術(shù)

對于圓形和近似圓形的吹塑制品，可以采用軸向和徑向壁厚控制技術(shù)來改變型坯壁厚的均勻性，這樣可以獲得壁厚比較均勻的吹塑制品。但是，對于一些非圓形、非對稱性異形的吹塑制品，即使是采用軸向和徑向型坯控制裝置也難以達(dá)到較為理想的型坯壁厚控制效果，因此，需要局部改變芯模、口模間的間隙寬度，得以局部改變型坯同一圓周內(nèi)的壁厚（即型坯同一橫截面的壁厚不一致），從而改善制品周向壁厚的均勻性。

局部改變口模、芯模之間的間隙寬度，可以將芯棒、芯模、口模的橫截面設(shè)計(jì)為橢圓形或是異形來實(shí)現(xiàn)。對于一些大批量的小型吹塑產(chǎn)品，采用這種異形化的機(jī)頭設(shè)計(jì)，更能直接解決制品壁厚均勻化的問題。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）和數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)吹塑分析軟件的應(yīng)用；這種異形化機(jī)頭的機(jī)械加工技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。

3.1 芯模的局部修整技術(shù)

芯模局部修整技術(shù)，其具體作法是在具有軸向壁厚控制功能的機(jī)頭上，對其芯模的特定位置進(jìn)行修形，從而在軸向控制的同時(shí)，近似獲得在徑向上壁厚的非圓變化量。

圖6所示，芯模的局部修整示意圖。

圖6 芯模的局部修整示意圖

如圖6所示，芯模的局部修整示意圖中1為修整區(qū)，S為最大修整量，修整量S需要在修整過程中進(jìn)行試驗(yàn)后確定，先進(jìn)行較小量的修整，試驗(yàn)效果好以后即確定下來，并且做好有關(guān)記錄。圖中的虛線區(qū)為修整區(qū)域，它是一個(gè)由淺入深的漸變過渡區(qū)域；其表面光潔度應(yīng)盡量提高，以利于型坯的擠出和制品壁厚的均勻。

3.2 口模的局部修整技術(shù)

口模局部修整技術(shù)，是在口模的特定位置上，對其進(jìn)行修形，類似于芯模局部修形一樣，需要逐步對其局部修形部位進(jìn)行修整，到目前為止，雖然國內(nèi)許多技術(shù)人員進(jìn)行了不少這方面的技術(shù)研究工作，但多數(shù)修整還是處在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修形。

所以，通常初次進(jìn)行此項(xiàng)工作的人員，在這類修整中適宜選用多次小量切除的方法，通過多次試驗(yàn)與修整使型坯達(dá)到最佳狀態(tài)?？谀Ｐ拚木唧w形式如圖7所示。

圖7 口模的局部修整示意圖

如圖7所示，口模的局部修整示意圖中1指示的虛線區(qū)為口模修整區(qū)域，修整過程與芯模修整類似，需要采用逐步修整的方法來達(dá)到比較理想的效果。上圖是口模的主視圖，下圖是口模的俯視圖。

這種芯模、口模修形法，由于近年來計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的大量采用，以及計(jì)算機(jī)工程分析模擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，一次加工后就可以獲得比較滿意的效果，同時(shí)也取決于工程技術(shù)人員的修模經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)；這種芯模、口模修形技術(shù)的有關(guān)定量修整理論也正在進(jìn)一步的深入研究之中。國內(nèi)目前已有一些專業(yè)公司在開展這方面的專業(yè)技術(shù)服務(wù)；從其工作已經(jīng)取得的效果來看，對改善塑料吹塑制品的壁厚分布具有較好的作用，同時(shí)也有利于降低制品的自重與質(zhì)量的提高。

隨著計(jì)算機(jī)吹塑軟件工程分析的優(yōu)化處理與塑料型坯模擬試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將可能會(huì)使這種修模技術(shù)變得更為精確與專業(yè)化；并且有可能進(jìn)一步降低修模成本。

同時(shí)，在采用芯模、口模修整方法的時(shí)候，需要使型坯壁厚逐漸過渡，防止修整過量造成型坯壁厚嚴(yán)重不均勻，熔體流動(dòng)速度差別太大的情況發(fā)生，這樣也很難獲得壁厚均勻的制品。

4.口模和芯模尺寸的近似計(jì)算

此處主要討論是采用 HDPE塑料的吹塑制品，在選擇HDPE塑料吹塑成型時(shí)，可考慮參考以下的一些方法。

塑料瓶徑尺寸與吹塑制品最小直徑是口模、芯模的控制因素，可用下面公式近似計(jì)算芯模、口模尺寸。（連續(xù)擠出式機(jī)頭）

Dd=0.5Nd

Pd≈（Dd2-2Bdt+2t2）1/2

式中：Dd為口模直徑，Nd為最小瓶頸直徑，Pd為芯模直徑，Bd為瓶子直徑，t為直徑Bd處的瓶子壁厚。

該公式對于多數(shù) PE吹塑成型塑料可適用，可適用于已知最小壁厚塑料瓶，尤其適用于圓形塑料瓶和容器。在公式中 0.5的數(shù)值可根據(jù)采用塑料的熔體指數(shù)，模具溫度、擠出速率、塑料瓶與容器的大小進(jìn)行調(diào)整。

如果制品重量確定而壁厚待定時(shí)，可用下列公式近似計(jì)算。

Pd=[Dd2－2（W/T2）Ld]1/2

式中：W 為制品單重，g；L為制品長度，mm；d為塑料原料的密度g/cm3；T為壁厚，mm。

該公式適用于大多數(shù)形狀的吹塑制品，用于一些非規(guī)整的吹塑制品效果會(huì)更為明顯一些。

對于采用型坯控制而不是自由流動(dòng)的型坯來說，可以應(yīng)用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

Dd≈0.9Nd

Pd≈（Dd2－3.6Bdt+3.6t2）1/2

Pd≈[Dd2－3.6（W/T2）Ld]1/2

對于大多數(shù)自由流動(dòng)型坯的HDPE吹塑制品來說，下面公式可用。

Dd≈0.5Nd，Ad≈0.5Ab

式中，Dd為口模直徑，Nd為最小斷面直徑；Ad為口模橫截面積；Ab為制品橫截面積。

也會(huì)有：

Ab=W/（Ld）

式中：W 為制品重量，g；L為制品長度，mm；d為塑料原料的密度g/cm3。

對于一些特殊吹塑制品來說，口模、芯模的尺寸的確定需要進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)試驗(yàn)以后，才能確定較好的口模、芯模的具體尺寸。此外，不同塑料原料的口模、芯模尺寸也會(huì)不同，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

此外，對于擴(kuò)張性口模、芯模而言，口模、芯模出口處的角度一般可按照實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般芯模角度為 45~60°較為合適，芯模與口模之間的夾角一般為8~15°較為多見。

結(jié) 語

中空成型機(jī)的塑料型坯控制技術(shù)的研究在不斷的深入過程中，很多吹塑設(shè)備與吹塑制品廠家工程技術(shù)人員為此付出了努力，更好的控制方法和裝置正在不斷的出現(xiàn)。