塑料制品擠-注-壓加工成型工藝的介紹（一）

邱建成 張禮華 王浩南 周磊

（1.蘇州同大機(jī)械有限公司；2.江蘇科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

前言

近幾年來隨著許多新的塑料制品的應(yīng)用不斷變化和出現(xiàn)新的技術(shù)要求，出現(xiàn)了一種完全不同的塑料制品加工成型工藝和設(shè)備或是生產(chǎn)線，為了與其他的塑料制品加工工藝或是方法區(qū)別開來，我們暫時(shí)將它命名為擠-注-壓加工成型工藝，根據(jù)近幾年的研發(fā)進(jìn)展來看，完全有理由相信，這種加工成型工藝或是設(shè)備的研發(fā)速度將可能加快和擴(kuò)展，許多難加工的特殊的塑料制品將得到研發(fā)和應(yīng)用，對于困擾世界工程技術(shù)界的難題，廢塑料的回收應(yīng)用將可能起到較好的作用，一些特殊領(lǐng)域需要的特殊用途的高質(zhì)量、高強(qiáng)度、高剛度、長壽命的塑料制品的研發(fā)與應(yīng)用將更為容易實(shí)現(xiàn)了。

簡單的來說，擠-注-壓塑料加工成型工藝就是將擠出機(jī)，儲(chǔ)料機(jī)頭，注塑，壓力成型等加工工藝及設(shè)備有效的組合起來研發(fā)的擠-注-壓加工成型工藝或設(shè)備（生產(chǎn)線）。

采用這種新的工藝方法加工塑料時(shí)，塑料（可以是各種難加工的工程塑料或是成分混雜的回收塑料）經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的擠出機(jī)塑化混煉后進(jìn)入儲(chǔ)料機(jī)頭，儲(chǔ)料機(jī)頭的注射裝置將塑化好的熔融塑料低壓注射到未合模到位的模具之中，當(dāng)熔融塑料充填滿模具以后，合模機(jī)帶動(dòng)模具大壓力合模，模具對熔融塑料進(jìn)行較大壓力擠壓，使塑料材料獲得比較致密的結(jié)構(gòu)，從而使塑料制品得到高強(qiáng)度、高剛度、高質(zhì)量的效果。

對于高填充，難加工，塑料成分不明等塑料制品來說，這種加工工藝的采用可以獲得比較滿意的效果。

同時(shí)，這種新型的加工成型工藝對于一些需要內(nèi)置金屬鑲件的特種塑料工程件的加工成型來說，也是一種比較好的選擇。

擠-注-壓塑料加工成型工藝是一種新型的加工工藝，可以加工的塑料制品較多，其專業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)線也會(huì)相應(yīng)較多，將在今后的文章中陸續(xù)進(jìn)行介紹，敬請關(guān)注。

1. 擠-注-壓加工成型工藝智能生產(chǎn)線的配置

擠-注-壓加工成型工藝的智能生產(chǎn)線配置一般主要有以下六個(gè)系統(tǒng)組成。

A.塑料擠出塑化系統(tǒng)，（擠出機(jī)）按照加工塑料的品種不同，可以配置單螺桿或是雙螺桿擠出機(jī)，螺桿的設(shè)計(jì)制造可以按照加工塑料的不同特點(diǎn)專門進(jìn)行。它的布置方式可以是臥式也可以是立式，主要根據(jù)所加工的產(chǎn)品來確定。

B.塑料的儲(chǔ)料機(jī)頭及注射系統(tǒng)，這種儲(chǔ)料機(jī)頭及注射系統(tǒng)一般會(huì)需要根據(jù)加工產(chǎn)品的不同以及塑料原料的不同專門進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。其結(jié)構(gòu)形式多樣化，布置的方式也是各有特點(diǎn)，依照產(chǎn)品的具體形狀及特性而定。

C.合模機(jī)系統(tǒng)，合模機(jī)系統(tǒng)類似于目前兩板注塑機(jī)的形式，但是與其不同的是，可能在類似相同的產(chǎn)品加工時(shí)，其合模力可能需要更大一些，而且功能要求也會(huì)有一些不同之處，即具有預(yù)合模，以及后壓模功能的設(shè)計(jì)，以及合模位置的精準(zhǔn)控制。根據(jù)具體加工產(chǎn)品的不同，合模機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式具有多樣化，可以選擇臥式兩板式，臥式三板式，立式兩板式，立式三板式等等不同的合模機(jī)結(jié)構(gòu)形式。

D.成型模具系統(tǒng)，根據(jù)加工的塑料產(chǎn)品的不同需要設(shè)計(jì)制造與產(chǎn)品配套的加工模具，這種模具的設(shè)計(jì)類似于注塑模具但是會(huì)有一些不同，即這種模具既要確保模具能夠使熔融塑料方便的進(jìn)入模腔中，又要保障在模具還沒有完全合到位的情況下不會(huì)產(chǎn)生漏料，在后續(xù)的大壓力鎖模時(shí)，也能夠方便的使多余的料溢出的同時(shí)，確保產(chǎn)品的高度致密性。此外，對于某些塑料來說，熱流道技術(shù)的采用也是必不可少的。這種模具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般來說是注塑模具與壓塑模具的完美組合。對于許多需要高質(zhì)量表面的塑料制品，則需要對模具的表面進(jìn)行高精度的處理，模具的熱處理要求也會(huì)比較高一些。

E.智能化電器控制系統(tǒng)，由于這種生產(chǎn)線加工成型工藝的不同，對于電氣控制系統(tǒng)來說，其專業(yè)性會(huì)更為明顯，各種動(dòng)作的重復(fù)控制精度與準(zhǔn)確性的要求會(huì)更高一些。一般來說，控制系統(tǒng)會(huì)需要采用PLC 與觸摸屏結(jié)合的模式，各種操作會(huì)更為人性化。塑料加溫系統(tǒng)的控制精度需要達(dá)到±1℃，運(yùn)動(dòng)精度需要達(dá)到0.1mm。目前的技術(shù)來說已經(jīng)完全可以達(dá)到這些技術(shù)要求的。

F.生產(chǎn)線的液壓動(dòng)力系統(tǒng)，對于一些大型、超大型或是中型塑料產(chǎn)品的成型來說，合模機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)一般來說還是采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)來配套，根據(jù)生產(chǎn)線的不同，可以采用伺服液壓系統(tǒng)，伺服液壓儲(chǔ)能系統(tǒng)等等；以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線對動(dòng)力的要求。對于一些小型或是微型的產(chǎn)品也可以采用全電動(dòng)的動(dòng)力方式。

G.制品取出系統(tǒng)，對于中型、大型、超大型的塑料制品而言，一般可以采用機(jī)器人或是機(jī)械手的方式進(jìn)行制品的取出；對于小型、微型的制品可以類似于注塑工藝的方式解決。

H.塑料原料輸送系統(tǒng)，一般來說，基本類似注塑工藝的自動(dòng)上料方式，只有塑料原料的特性變化時(shí)，可根據(jù)其不同特點(diǎn)選擇適合的上料方式。

1.1 擠出機(jī)塑化系統(tǒng)

擠出塑化系統(tǒng)的選擇與正確采用是擠-注-壓加工成型工藝對產(chǎn)品加工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，必須認(rèn)真對待。就近幾年一些研究的情況來看，采用高效率高混煉性能的螺桿結(jié)構(gòu)形式成為選擇，在這方面的研究也是很多。在此，介紹一種高效率，高混煉性能，低能耗，應(yīng)用于高分子量塑料加工單螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)。見圖1。

圖1. 高分子量聚乙烯擠出機(jī)示意圖

圖1 為蘇州同大機(jī)械公司研制的擠出機(jī)螺桿，該螺桿在進(jìn)料口部位有溝槽機(jī)筒強(qiáng)制送料，螺桿的第二段采用分離型，且副螺紋具有一定的錐度，在整個(gè)分離段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬質(zhì)顆?？梢皂樌ㄟ^，大大提高螺桿的適應(yīng)性。該螺桿具有較長的均化段、頭部分流元件理論上能將料流分成256 股，因而該螺桿的溫度均勻性、組分均勻性、壓力均勻性都非常好。

在加工高分子量聚乙烯時(shí)，由于其分子量較高，分子鏈之間纏結(jié)密度大，熔體粘度極高，臨界剪切速率很低。在吹塑一些大型塑料桶與儲(chǔ)槽、大型路障、吹塑托盤、汽車保險(xiǎn)桿與油箱、大型航標(biāo)主體、桌面板、工礦設(shè)備的零部件等都會(huì)用到高分子量的聚乙烯，因?yàn)楦叻肿恿烤垡蚁┡c普通聚乙烯相比具有自潤滑性、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕、耐應(yīng)力開裂、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

從圖1 中可以看出該擠出機(jī)的機(jī)筒進(jìn)料口部位采用溝槽結(jié)構(gòu)，在這一部位上，采用雙金屬螺桿和雙金屬機(jī)筒可以明顯提高耐磨性能1-2 倍以上。輸送段螺紋增加一副螺紋（螺棱較主螺紋窄一些）形成雙螺棱結(jié)構(gòu)能有效改善磨損情況。螺桿的第二段采用分離型，且副螺紋具有一定的錐度，在整個(gè)分離段不存在死角位置，因此混入物料中的微小硬質(zhì)顆?？梢皂樌ㄟ^，大大提高螺桿的適應(yīng)性。螺桿頭部采用齒式分流元件，物料經(jīng)過此處時(shí)經(jīng)過12 次強(qiáng)烈剪切和混合，針對高分子量的聚乙烯能實(shí)現(xiàn)溫度均勻、壓力均勻、組分均勻。經(jīng)實(shí)際擠出驗(yàn)證該擠出機(jī)同普通螺桿相比，產(chǎn)量提高了180%，塑化質(zhì)量也大大提高。

采用這種特別設(shè)計(jì)的螺桿形式，塑化混煉性能得到較好的提高，特別是針對成分不明的回收塑料時(shí)，其混煉性能顯著提高，在高填充，各種不同成分的回收塑料加工時(shí)體現(xiàn)出它的極大的優(yōu)越性能。

擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置主要由電動(dòng)機(jī)（交流或直流）+聯(lián)軸器（皮帶）+減速箱組成。在擠出普通聚乙烯物料一般采用變頻驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，而在擠出高分子量聚乙烯物料時(shí)因其需要更大的扭矩而采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；近年來采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為較多的選擇。

擠-注-壓加工成型工藝中，如果加工的塑料是超高分子量聚乙烯或是PVC 系列的產(chǎn)品，可選擇專用的雙螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)，或者是專業(yè)設(shè)計(jì)的單螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)，目前為止，應(yīng)用于不同超高分子量加工的單螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)和雙螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)均已成熟，可根據(jù)加工產(chǎn)品的不同需求進(jìn)行選擇。應(yīng)用于碳纖維回收塑料的雙螺桿擠出機(jī)塑化系統(tǒng)近年來也有了新進(jìn)展。

1.2 儲(chǔ)料機(jī)頭及注射系統(tǒng)

擠-注-壓加工成型工藝應(yīng)用的儲(chǔ)料機(jī)頭及注射系統(tǒng)有其自己的獨(dú)特性能與特點(diǎn)，不同于中空吹塑的儲(chǔ)料機(jī)頭，也不同于注塑機(jī)的儲(chǔ)料設(shè)計(jì)，與塑料管道、塑料型材的成型機(jī)頭也是會(huì)有較大區(qū)別；需要專門設(shè)計(jì)與制造。介紹一種大型塑料制品擠-注-壓加工成型工藝生產(chǎn)的塑料托盤的儲(chǔ)料機(jī)頭及注射系統(tǒng)。見圖2。

圖2 . 擠-注-壓加工成型工藝的一種塑料托盤的儲(chǔ)料機(jī)頭

其工作原理是：塑料經(jīng)過擠出機(jī)塑化擠出流經(jīng)進(jìn)料段，經(jīng)過孔板過濾到機(jī)頭頸進(jìn)入機(jī)頭的流道套，通過流道套與導(dǎo)流套之間的縫隙進(jìn)入機(jī)頭的環(huán)形儲(chǔ)料腔中儲(chǔ)存。當(dāng)熔融塑料儲(chǔ)料達(dá)到設(shè)定的要求，需要對模具內(nèi)注射時(shí)，截流液壓缸驅(qū)動(dòng)截流棒后退，打開注射孔，注射液壓缸的活塞帶動(dòng)注射活塞注射熔融塑料到模具之內(nèi)，待熔融塑料充滿模具型腔時(shí)；截流液壓缸的活塞前行，帶動(dòng)截流棒關(guān)閉注射孔，同時(shí)注射液壓缸也停止注射。此時(shí)，擠出機(jī)并沒有停止工作，在繼續(xù)向儲(chǔ)料機(jī)頭的儲(chǔ)料腔中供料，確保下一個(gè)生產(chǎn)周期的原料需要。

儲(chǔ)料機(jī)頭的注射液壓缸，截流液壓缸的壓力及速度的控制采用雙比例閥控制，以達(dá)到相關(guān)的技術(shù)要求。儲(chǔ)料量的控制采用位置電子尺采集信號，通過PLC 相關(guān)控制。擠出機(jī)對塑料原料的輸出量的控制主要通過轉(zhuǎn)速的控制來達(dá)到技術(shù)要求，并可與產(chǎn)品生產(chǎn)周期形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

1.3 合模機(jī)系統(tǒng)

擠-注-壓加工成型工藝的合模機(jī)系統(tǒng)非常類似于兩板注塑機(jī)的兩板合模機(jī)系統(tǒng)。但是因?yàn)楣ぷ髂Ｊ降牟顒e，其動(dòng)作的控制方式上與常規(guī)的注塑機(jī)會(huì)有一些不同。主要體現(xiàn)在擠-注-壓加工成型工藝的合模機(jī)系統(tǒng)開始工作時(shí)，其模具是處于一個(gè)預(yù)合模狀態(tài)，與合模到位還有一個(gè)可適當(dāng)調(diào)節(jié)的距離；這個(gè)距離的大小主要按照產(chǎn)品加工的不同進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定。有可能需要在1~10mm 之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。介紹一種臥式超大型的兩板合模機(jī)系統(tǒng)，見圖3。

圖3 . 一種臥式超大型合模機(jī)系統(tǒng)

這種超大型臥式合模機(jī)系統(tǒng)的主要工作原理是：底架用于支撐上面的動(dòng)模板與定模板以及移模液壓缸等，在安裝動(dòng)模板一側(cè)的兩邊安裝有直線導(dǎo)軌，可供動(dòng)模板移動(dòng)用，同時(shí)，中間位置安裝有移模液壓缸，可推動(dòng)動(dòng)模板移動(dòng)。模具的鎖模主要由鎖模機(jī)構(gòu)，鎖模液壓缸，鎖模桿的配合來完成鎖模動(dòng)作。產(chǎn)品的頂出由產(chǎn)品頂出液壓缸操作完成。

這種超大型臥式合模機(jī)系統(tǒng)主要可用于生產(chǎn)塑料托盤，大型包裝桶，大型容器包裝箱等大型，超大型塑料制品的生產(chǎn)。也可用于其他一些大型、超大型高強(qiáng)度塑料工程件的生產(chǎn)。

1.4 塑料制品及成型模具

擠-注-壓加工成型工藝可生產(chǎn)的塑料制品種類、品種很多，對于一些特種場合及特別環(huán)境下需要高強(qiáng)度塑料制品的生產(chǎn)來說，這種加工成型工藝生產(chǎn)出的塑料制品具有獨(dú)特的產(chǎn)品優(yōu)勢，值得深入研究。在回收塑料的應(yīng)用領(lǐng)域，這種加工成型工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品具有較大的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭優(yōu)勢。介紹一種擠-注-壓加工成型工藝生產(chǎn)的塑料托盤。見圖4。

圖4 . 一種擠-注-壓加工成型工藝生產(chǎn)的塑料托盤

這種塑料托盤主要有上板和下板組成，其上板與下板內(nèi)部均可內(nèi)置方形鋼管，生產(chǎn)過程中，熔融塑料與方形鋼管緊密融合，其產(chǎn)品的整體物理力學(xué)性能大幅提高，根據(jù)工作需要，可在大型凍庫，食品、飲品生產(chǎn)線，高層立體倉庫穩(wěn)定運(yùn)行，是許多其他托盤的升級換代產(chǎn)品。

其加工成型模具的結(jié)構(gòu)類似于注塑模具，但是具有一些不同的特點(diǎn)，即不但需要滿足熔融塑料注塑的需要，還要滿足熔融塑料壓制的需要，所以這種加工模具的剛度與強(qiáng)度有其獨(dú)特的技術(shù)要求，以適應(yīng)于這種新的加工工藝。在熔融塑料的注塑腔需要配置合適的熱流道注塑裝置，以確保注塑的穩(wěn)定和連續(xù)性。

2. 擠-注-壓加工成型工藝的塑料制品的獨(dú)特性能與應(yīng)用前景

塑料制品的擠-注-壓加工成型工藝研究是近幾年才出現(xiàn)的新的工藝，在許多方面還有很多知識需要進(jìn)行理論上的深入研究與探討，在實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)方面也會(huì)有很多相關(guān)的設(shè)計(jì)與制造方面需要進(jìn)行深入的研究，目前在很多方面還沒有形成可供參考的設(shè)計(jì)理論與實(shí)物的參考，塑料制品加工成型方面的工程師在這個(gè)方面的工作大有可為，值得去努力開創(chuàng)。

從近幾年的一些具體研究來看，在某一些特殊的行業(yè)或者說特別的塑料制品應(yīng)用場所，采用這種擠-注-壓加工成型工藝生產(chǎn)的塑料制品具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如產(chǎn)品的密實(shí)度高，與鑲件的結(jié)合力強(qiáng)，具有高強(qiáng)度、高剛度、耐候性優(yōu)良、長壽命等特點(diǎn)?？梢允鼓骋恍┨貏e的產(chǎn)品既具有金屬材料的特性又具有塑料制品輕便的特性，在某些特別的應(yīng)用場所具有較好的產(chǎn)品優(yōu)勢。

從回收塑料的應(yīng)用前景來看，采用這種加工成型工藝來進(jìn)行回收塑料的大型、超大型塑料制品的加工，可大量的消耗廢塑料的存量，制成可大量應(yīng)用的回收塑料的制品。如：各種小型、中型、大型的塑料船艇，塑料托盤，城市建設(shè)的各種下水井及蓋，大型、超大型城市地下工程的大型、超大型結(jié)構(gòu)件，特殊場所建筑物應(yīng)用的防撞、防爆、阻燃結(jié)構(gòu)磚塊及材料等等，隨著對這種加工成型工藝的廣泛開展和制品的不斷研發(fā)，其加工的產(chǎn)品應(yīng)用將更為廣泛，值得人們的期待。