塑料擠出吹塑中空成型壁厚均勻性的控制

吳裕農,王樹輝,許中明

塑料擠出吹塑中空成型壁厚均勻性的控制

吳裕農1,王樹輝2,許中明1

(1.順德職業技術學院機電工程系,廣東佛山 528333;2.樂善機械實業有限公司,廣東佛山 528306)

通過對擠出吹塑中空成型設備增設壁厚自動調節裝置、對型坯擠出模頭結構進行改進以及對全工作過程采用閉環自動控制,大大提高了中空成型制品的壁厚均勻性。改進后設備的生產效率提高,成型制品的單件質量、質量偏差及平均能耗降低,實現了塑料擠出吹塑中空成型技術的重點突破,達到國內領先并接近國際先進水平。

擠出吹塑中空成型;壁厚;擠出模頭;閉環控制

Abstract:In order to improve the uniformity of wall thickness of extrusion-blow-molded parts,several improvements were made,including an automatic control device of wall thickness,the structure of parison extrusion die was improved,and automatic close-loop control was used during the whole working process.The efficiency of the improved machine was greatly improved,and at the same time the weight deviation of the extrusion-blow-molded parts and the average energy consumption was decreased.

Key words:extrusion blow molding;wall thickness;extrusion die;close-loop control

0 前言

塑料擠出中空吹塑制品制造過程中螺桿擠壓熔融塑料經模頭形成管狀毛坯,然后借助氣體壓力使閉合在模具中的熱溶型坯吹脹形成中空制品[1],此過程中管狀毛坯料懸掛在模頭上,由于重力作用毛坯被拉長而變成上薄下厚,最后造成制品壁厚分布不均;同時制品截面尺寸不一致、拉伸比不一也造成拉伸比大的部位壁薄(反之則厚)。新國標 GB/T 13508—200X《聚乙烯吹塑容器》參照國外先進標準,以力學性能(如跌落性能)為制品主要驗收指標。為了保證制品力學性能,目前國內普遍采用整體增加制品壁厚的方法,使塑料原料消耗加大;同時,成型制品壁厚大,冷卻時間長,生產效率下降。國內設備的能耗大致為國外同類型設備的1.5～2倍,速度一般為50%～70%,塑化能力為60%～70%左右,制品的正品率也低于國外先進水平[2]。因此,優化制品的壁厚,在保證力學性能要求的前提下盡量降低單件制品質量是本行業技術重點之一。

1 壁厚均勻性控制措施

1.1 壁厚自動調節裝置

模頭能否及時提供足夠塑料至需要加厚的部位,或及時按要求減少,對塑料制品的壁厚均勻性控制很重要?，F有的技術一般采用手動調節來控制,其生產效率和控制的精度都存在很大不足,采用壁厚自動調節裝置能有效彌補這些缺陷。

壁厚自動調節裝置的機械部分是模頭,如圖1所示,它包括活動模芯和定模,活動模芯的上端延伸出模腔外與液壓油缸的活塞連接,彈簧可使活塞復位?？刂撇糠质菈毫刂蒲b置,它由液壓閥體(包括比例壓力閥和調壓閥)、控制液壓閥體的電腦、油箱和油泵,液壓閥體與液壓油缸之間由高壓油管和回油管連接,并與油箱和油泵連接。液壓閥體上的比例壓力閥的高壓端和低壓端分別連接高壓油管和回油管,控制端與電腦連接,調壓閥連接油泵與比例壓力閥,液壓油缸是單流向的。

圖1 壁厚自動調節裝置Fig.1 Automatic control device for wall thickness

工作時,將產品的數值輸入電腦,電腦接收數據后進行處理,調節比例壓力閥的壓力差,調壓閥根據壓力差控制油壓,當油量不足時,調壓閥使油泵泵油到液壓閥,當油量過剩時,調壓閥回油到油箱,因此有效控制比例壓力閥的壓力差。比例壓力閥中的油壓經高壓油管和回油管輸入/輸出液壓油缸,實現油壓控制,液壓油缸中活塞帶動模芯的向下運動,壓力差即為活動模芯的行程大小,從而使模頭出料口的開合大小得到控制,實現塑料制品厚度的自動控制。

1.2 型坯擠出模頭的結構改進

型坯擠出模頭工作時模芯不能偏移,否則會出現型坯橫向厚薄不均勻。圖2為改進前的型坯擠出模頭,它主要由拉桿組件(包括抽芯桿和模芯)、芯套、模套和口模組成;模芯與口模構成型坯出料口;抽芯桿與模套形成的空隙構成塑膠通道;模套上開有塑膠入口。工作時,抽芯桿旋轉,塑膠料從入口進入,經過塑膠通道從出料口擠出。該結構存在的缺陷是：(1)由于塑膠料從入口單側進入,塑膠通道靠近入口這一側先充滿,料流單邊沖擊擠壓拉桿組件,使拉桿組件偏移,模芯偏移,出料口各向大小不一,型坯橫向厚薄不均勻;(2)模套與芯套是直孔配合,會形成夾縫,塑膠容易經此泄漏。

圖3為改進后的型坯擠出模頭,采用的技術改進措施是：組合芯套由內層套和外層套組成;內層套包裹住拉桿組件(包含抽芯桿和模芯)插入外層套,外層套的下部至內層套的裙部;外層套與內層套之間開設內層塑膠通道,與模套之間開設外層塑膠通道;內外層塑膠通道與出料口貫通;模套上開設內塑膠入口和外塑膠入口,分別與內層塑膠通道和外層塑膠通道連通。模套與外層套、外層套與內層套均為錐度配合。

圖2 改進前的型坯擠出模頭Fig.2 Structure of parison extrusion die before improvement

圖3 改進后的型坯擠出模頭Fig.3 Structure of parison extrusion die after improvement

該結構由于塑膠是由組合芯套對稱進出,且塑膠射料不直接射壓沖擊抽芯桿;組合芯套與模套錐度配合,受重力的作用,組合芯套定位穩固,且塑膠是雙向對稱進出,受力均勻,避免拉桿受擠壓力作用,造成模芯偏心。其二,組合芯套與模套錐度配合密封效果好,避免了塑膠經模套與芯套之間泄漏。

內外層塑膠通道上均有小孔徑段和大孔徑段,該設置有利于塑料均勻流料。內層套下部與模芯上部之間有空隙,使模芯可在該空隙范圍內上下活動,實現塑料擠出量的控制。

1.3 自動閉環控制

塑料擠出吹塑中空成型機生產過程是處于高速的運行狀態之中,循環周期不超過10 s,鎖模架運行速度超過0.8 m/s,型坯速度超過20 mm/s,因此制品的型坯壁厚均勻性及精度控制還需要綜合考慮到下述因素：

(1)擠出機螺桿轉速穩定性;

(2)溫度穩定性;

(3)模頭控制毛坯厚度的閥門不斷開閉工作,會引起擠出機壓力變化;

(4)按電腦設定的控制曲線控制模頭閥門開閉時,所需反應時間低至0.02 s,伺服系統要瞬間提供動力給閥門開閉。電腦運算速度、伺服系統的響應速度及精度直接影響控制精度;

(5)模頭工作溫度高達250℃,相關零件要克服高溫變形和強度、硬度下降的問題;

(6)新料和水口料配比影響擠出機出料長度及出料穩定性。

這些因素若無法很好的控制及平衡,將造成型坯長短、對應位置壁厚不一致,最終導致制品質量波動、關鍵位置壁厚達不到要求,形成不合格產品。為此,需要采用型坯自動閉環控制技術。

目前,國產塑料擠出吹塑中空成型機大多數不具有型坯自動閉環控制功能,其余也只是簡單疊加了進口型坯壁厚伺服控制器,對擠出、機械動作等的波動無抑制作用,無法對型坯生產過程的各個環節進行閉環控制,導致制品壁厚控制位置偏差較大(高達15 mm),制品質量偏差大(4%),合格率低。

由電子控制器、比例放大器、高頻響比例伺服閥、位移傳感器、高精度油缸、旋轉編碼器、高精度高溫熔體壓力傳感器、溫度傳感器、高精度專用溫控模塊等組成位置、速度及溫度反饋系統。采用型坯自動閉環控制技術,對影響塑料制品質量的各種因素如擠出機螺桿轉速、溫度、成型周期時間波動、模頭動態精度、制品壁厚及其控制位置等進行精確控制,保持最佳的生產狀態。閉環控制系統如圖4所示。通過閉環控制系統的改進,制品壁厚控制位置偏差不超過5 mm;制品質量波動不超過±1.5%。

2 改進后產品的性能

通過采用以上擠出吹塑中空成型壁厚均勻性控制的改進措施后,生產280 mL營養快線瓶并與國內外同類典型產品的綜合技術指標進行對比,如表1所示。從表1可以看出,改進后的設備比國產同類設備生產速度提高了50%、節能12%、節省塑料原料16%,制品質量偏差縮小了40%,具有生產效率高、節能省料、自動化程度高的特點,所生產產品的綜合性能指標比國內產品大幅提高,已接近國外先進水平,售價只是國外設備20%,性價比相當突出。

圖4 閉環控制系統Fig.4 The close-loop control system

表1 國內外同類產品的性能指標Tab.1 Performances of the same products at home and aboard

3 結論

(1)采用壁厚自動調節裝置,實現塑料擠出吹塑中空成型時制品厚度的自動控制;

(2)對型坯擠出模頭的結構進行改進,避免擠出型坯橫向厚薄不均勻和塑膠經模套與芯套之間泄漏;

(3)采用型坯自動閉環控制技術,對影響塑料制品質量的各種因素進行精確控制,使制品壁厚位置控制偏差不超過 5 mm,制品質量波動不超過±1.5%。

[1] 李海梅,高 峰,申長雨.吹塑成型發展現狀[J].橡膠技術與裝備,2006,(3)：15-19.

[2] 劉 學,張玉霞.塑料中空吹塑成型用原料、工藝及設備的發展[J].中國塑料,2010,24(3)：83-91.

Control Method for Wall Thickness of Extrusion-blow-molded Parts

WU Yunong1,WAN G Shuhui2,XU Zhongming1
(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Shunde Polytechnic,Foshan 528333,China;2.Leshan Machinery Co,Ltd,Foshan 528306,China)

TQ320.66+4

B

1001-9278(2011)01-0106-04

2010-10-13

粵港關鍵領域重點突破項目(2009Z018)

聯系人,wyn0795@163.com