汽車注塑成型車間項目規(guī)劃

2012-07-03 10:48:08齊金城崔玉朋

北京汽車 2012年3期

齊金城，崔玉朋

Qi Jincheng，Cui Yupeng

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心、河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

0 引言

隨著低碳時代的到來，節(jié)能減排成為各個行業(yè)熱議的話題。汽車行業(yè)如何進(jìn)一步減輕汽車的重量進(jìn)而減少油耗也成為人們共同關(guān)心的問題，以塑代鋼應(yīng)用越來越廣泛。其中注塑工藝因其可成型形狀比較復(fù)雜的產(chǎn)品，生產(chǎn)效率較高，制品剛性好等優(yōu)點在汽車行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，許多汽車廠家在規(guī)劃整車廠的同時，都在規(guī)劃注塑成型車間。

1 實例分析

汽車廠成型車間有的只生產(chǎn)注塑毛坯件，大部分是注塑車間與涂裝車間設(shè)計在一起。文中主要內(nèi)容是注塑車間的規(guī)劃。項目的規(guī)劃涉及廠房、設(shè)備、物流等方面，可以按模塊的形式考慮注塑成型車間的規(guī)劃，將車間主要劃分為生產(chǎn)設(shè)備和廠房兩大模塊。

1.1 生產(chǎn)設(shè)備模塊

汽車注塑車間的生產(chǎn)設(shè)備主要包括：注塑機(jī)、冷水機(jī)、模溫機(jī)、機(jī)械手、粉碎機(jī)、弱化焊接設(shè)備、快速換模設(shè)備、氣輔設(shè)備等。在車間規(guī)劃時要根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和產(chǎn)品的特性來選擇適當(dāng)數(shù)量和型式的設(shè)備。

1.1.1 注塑機(jī)的選擇

在選擇注塑機(jī)前，首先要收集以下信息。

（1）產(chǎn)品信息：包括產(chǎn)品的外形尺寸、投影面積、重量、材質(zhì)；

（2）模具信息：包括模具的外形尺寸、重量、裝卡方式；

（3）生產(chǎn)信息：包括產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍、年產(chǎn)量。

以上信息盡量收集全面，然后再進(jìn)入設(shè)備選型程序。

① 主參數(shù)確定

注塑機(jī)的選擇有一些通用的原則，如選對型、放得下、鎖得住、取得出、射得飽等。選擇時如果經(jīng)驗豐富可直接選取，若沒有經(jīng)驗可以根據(jù)表1公式計算，也可參考生產(chǎn)廠家的一些意見，如表2。

表1 注塑機(jī)基本參數(shù)計算公式

續(xù)表1

選擇依據(jù)包括：

a. 鎖模力要大于上述計算值；

b. 實際注射量＞制件重量×1.25；

c. 模板尺寸長度方向＞產(chǎn)品長度+140mm；寬度方向＞產(chǎn)品寬度+210mm；

d. 移模行程＞產(chǎn)品開模方向長度×2 mm。

表2 模腔內(nèi)平均壓力

② 其他功能參數(shù)的確定

確定了主參數(shù)之后，還要根據(jù)實際產(chǎn)品確定其他功能參數(shù)，如螺桿的形式、螺桿機(jī)筒材質(zhì)、抽插芯組數(shù)、頂桿的數(shù)量、是否配備順序射膠功能、射嘴的形式、尺寸等。

③ 驅(qū)動形式和鎖模形式的選擇

注塑機(jī)驅(qū)動形式主要有液壓式、全電動式，目前液壓式注塑機(jī)因適用性廣、價格低因而占主流地位；全電注塑機(jī)以精度高、耗能低的優(yōu)點逐步得到應(yīng)用，但其設(shè)備投資比液壓式高3～5倍，而且注塑機(jī)規(guī)格比較小，不能適應(yīng)帶抽插芯的復(fù)雜模具，所以大型的注塑件（如汽車保險杠）還要依靠液壓式注塑機(jī)。另外，德國ARBURG公司可提供油電混合式注塑機(jī)，具有液壓和全電的優(yōu)點，可供用戶選配使用。

在鎖模形式上，有三板機(jī)和兩板機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊的兩板機(jī)在歐美等國家應(yīng)用十分廣泛，國內(nèi)近幾年的應(yīng)用也越來越多。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

a. 能夠一定程度彌補(bǔ)模具不平行問題和鎖模力的恒定。即當(dāng)高壓鎖模時，模板能擺動一個小角度來適應(yīng)模具的不平行度；

b. 當(dāng)由于生產(chǎn)導(dǎo)致模具溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹時，鎖模力能夠保持不變，不必重新調(diào)整模具。

但在開合模方面，由于此種機(jī)型要有一個調(diào)整哥林柱、開合螺母鎖的動作，所以開鎖模時間比三板機(jī)要長。國產(chǎn)機(jī)器液壓油泄漏問題也是一個普遍現(xiàn)象，給生產(chǎn)造成浪費。

綜上所述，在選擇注塑機(jī)時，應(yīng)綜合考慮各種注塑機(jī)的優(yōu)缺點，選擇適合使用的型式。在追求新技術(shù)的同時，也要考慮產(chǎn)品成熟性、項目投資等問題。對于小型機(jī)器可嘗試選用全電動注塑機(jī)，對于大型機(jī)器可以選擇傳統(tǒng)的三板機(jī)和液壓系統(tǒng)較好的兩板機(jī)。同時，注塑機(jī)要盡量減少型號種類，便于日后設(shè)備管理和實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

1.1.2 制冷機(jī)的選擇

選擇制冷機(jī)時，可以根據(jù)下面公式計算注塑制品每小時需要交換的熱量：

Q為需要交換的熱量值，J；c為膠料的比熱容，J/g℃；m為每小時膠料的質(zhì)量，g；Δt為膠料從粘流狀態(tài)到開模時制品溫度降低的值，℃，可按200℃計算；S為安全系數(shù)，取值范圍1.35～2，一般取2。

根據(jù)熱交換量來選擇合適規(guī)格的制冷機(jī)。根據(jù)公式計算的數(shù)值可能會因不同的工況（如每小時膠料質(zhì)量、環(huán)境溫度等）有很大不同，可以結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)來選取，如表3。

表3 制冷機(jī)功率與控制溫度對應(yīng)表

（1）根據(jù)注塑機(jī)噸位來選擇制冷機(jī)；

（2）按注塑機(jī)每模注射量考慮：

① 1hp的水冷式制冷機(jī)可將單次注塑量為285g的注塑機(jī)溫度控制在5～10℃。

② 對于1 000 t以上的注塑機(jī)為了取得良好的冷卻效果應(yīng)選配制冷機(jī)，1 000 t以下的機(jī)器可直接采用循環(huán)水冷卻。

循環(huán)水管線設(shè)計有架空式、地埋式和地溝蓋板形式，架空形式因管路在空中排布，所以可節(jié)省地面空間，施工較簡便。地埋式可節(jié)省地面空間，施工簡便，但日后若有漏點，檢修不方便。地溝蓋板式可解決管路檢修不方便問題，其缺點是工程量相對較大，設(shè)備進(jìn)場安裝時運輸設(shè)備周轉(zhuǎn)不便。在制定方案時可考慮以上幾種形式的優(yōu)缺點，從設(shè)計初期加以考慮，防止給后期工程帶來不便。

在多臺注塑機(jī)共用一套循環(huán)水管路時，由于管路的壓力損失及各機(jī)器回水管路壓力的影響，經(jīng)常出現(xiàn)距離泵站遠(yuǎn)的機(jī)器冷卻效果不佳的現(xiàn)象。在管路規(guī)劃時，可在每臺機(jī)器的循環(huán)管路中加裝流量控制閥和流量計，使每臺機(jī)器的循環(huán)水量可控，這樣離泵站遠(yuǎn)的機(jī)器可把水量調(diào)大，滿足設(shè)備冷卻的需求。

1.1.3 供料方式的選擇

對于1 500 t以上的機(jī)器，一般用于生產(chǎn)保險杠、儀表板、門芯板，用料量較大，可考慮選用集中供料，可以避免頻繁加料，也有助于保持原材料潔凈，原料在線干燥，經(jīng)過集中加熱烘干后，通過真空風(fēng)機(jī)或正壓風(fēng)機(jī)直接輸送到各機(jī)臺。對于1 500 t以下的注塑機(jī)，可采用單臺機(jī)單獨供料，若機(jī)臺較多也可采用集中供料。干燥料斗的裝料量一般取注塑機(jī)每小時用料量的2.5倍。

對于 PP料，可只采用干燥機(jī)對其干燥，對于吸濕性較強(qiáng)的改性ABS、PC、PC/PBT等材料，除干燥系統(tǒng)外還要加裝除濕系統(tǒng)。

1.1.4 自動化生產(chǎn)

（1）機(jī)械手的選擇

注塑機(jī)可以選擇機(jī)械手代替人工取件，可減輕員工勞動強(qiáng)度，節(jié)省操作人員，提高安全性。在人工成本日益增加的今天，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。尤其在一些大型機(jī)上，如生產(chǎn)保險杠、儀表板的機(jī)器上，由于機(jī)器體積比較大，人工取件上下不方便，使用機(jī)械手取件效果更好。對某工廠使用8臺3軸伺服橫走機(jī)械手抓取保險杠的經(jīng)濟(jì)效益分析：

減少操作人員12人，年節(jié)省費用約為576 000元；平均生產(chǎn)節(jié)拍縮短10s，每年創(chuàng)造利潤6 013 536元；每年共實現(xiàn)利潤576 000+6 013 536= 6 589 536元。

不到一年時間即可收回投資費用，同時消除了人工進(jìn)入注塑機(jī)內(nèi)部取件作業(yè)的安全隱患。

選擇機(jī)械手一般選擇3軸即可滿足使用要求，選擇時要根據(jù)制品高度確定脫模行程，根據(jù)機(jī)器安全門高度和工件取出后放置位置選擇垂直行程，根據(jù)機(jī)器的寬度和制件大小選擇橫出行程，還有一個參數(shù)是機(jī)械手所能取件的重量。

使用機(jī)械手時注塑機(jī)開合模重復(fù)定位精度為±1mm。對機(jī)械手要預(yù)留安裝位置。在模具開發(fā)時要考慮到機(jī)械手取件的要求，以避免模具芯塊阻礙機(jī)械手取件動作。

（2）自動換模系統(tǒng)

自動換模系統(tǒng)具有安全高效的優(yōu)點，是注塑生產(chǎn)自動化發(fā)展的方向，在歐美發(fā)達(dá)國家已廣泛應(yīng)用。整套系統(tǒng)包括模具輸送部分和自動夾緊機(jī)構(gòu)。

模具輸送部分主要有兩種形式：

① 使用換模臺車將模具運送到機(jī)器旁，然后通過動力滾軸系統(tǒng)將模具水平運送到注塑機(jī)；

② 模具由行車吊至機(jī)器兩邊的換模臺上，然后水平自動換模。

這兩種方式都適用于廠房高度不夠的場合，安全且效率較高。其中第1種方式更適用于運送距離較長的場合，換模臺車可采用“一對多”的形式，即一臺換模臺車對應(yīng)多臺注塑機(jī)，如圖1，提高設(shè)備的利用率，通過 PLC程序控制來實現(xiàn)自動換模。

目前常用的自動夾緊方式分為液壓夾緊和磁性模板，液壓夾緊要求機(jī)器必須具有液壓系統(tǒng)，因此只適用于液壓式注塑機(jī)；而磁性模板應(yīng)用比較廣泛，適用于所有形式注塑機(jī)。

使用臺車式自動換模系統(tǒng)，為確保更換模具時模具能夠順利進(jìn)入，對注塑機(jī)有以下要求：

a. 注塑機(jī)的移動模板能夠調(diào)整到模具厚度+10～15 mm；

b. 使用同一臺換模車的不同注塑機(jī)模具的安裝基準(zhǔn)要統(tǒng)一。

另外，還應(yīng)配套使用快速更換的水電氣液壓接頭，這樣才能更好體現(xiàn)出自動換模優(yōu)勢。

表4、表5為某工廠注塑車間、注塑機(jī)的配置情況。

表4 某20萬套汽車保險杠項目注塑車間設(shè)備配置情況

表5 各種注塑機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品類型

1.2 廠房模塊

廠房設(shè)計要考慮到廠房高度要滿足換模要求，如果采用換模臺車水平換模可適當(dāng)降低高度。廠房面積要滿足設(shè)備的安裝、模具的存放維修、成品半成品的存放要求，布局要和工藝流程一致。

1.2.1 設(shè)備安裝布置

注塑機(jī)的放置可以沿車間跨度方向，也可以沿車間長度方向。大型注塑機(jī)的長度大約為14～22 m，如果要使用“一對多”自動換模系統(tǒng)，設(shè)備應(yīng)該沿車間長度方向排列，設(shè)備中心距應(yīng)滿足換模臺車的行走要求；若沿跨度方向排列，大型機(jī)中心距應(yīng)為9～11 m，大型機(jī)的設(shè)備基礎(chǔ)承載能力應(yīng)為15～20 t/m2；另外，因為注塑生產(chǎn)離不開冷卻水和液壓油，所以為了避免泄漏的油和水污染生產(chǎn)環(huán)境，應(yīng)在注塑機(jī)基礎(chǔ)周圍設(shè)置排水槽，為了回收泄漏量較大的液壓油，可考慮設(shè)置一個油水分離坑，靜置分層后油從上口排出，水從下口泄走，如圖 2。另外可以在兩個泄水口的中間豎直位置安裝一個窺視窗來查看油位。

1.2.2 存放區(qū)域

存放區(qū)域包括半成品、成品存放區(qū)域和模具存放維修區(qū)域。從節(jié)約空間角度考慮，由于塑料件重量較輕，所以宜制作專用工裝架，采用空間多層擺放，但也要注意每層之間的產(chǎn)品不要互相擠壓，防止尺寸變化。涂裝后保險杠成品放置區(qū)要考慮前后保險杠在噴涂后，要放置12小時后方可進(jìn)行裝配。所以在噴涂后保險杠要有半日產(chǎn)量的安全庫存量，根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)，核算出日產(chǎn)量，規(guī)劃成品存放區(qū)域。另外要考慮外飾件的顏色、種類、數(shù)量等。綜合上述因素規(guī)劃出存放區(qū)域大小。

模具存放區(qū)除根據(jù)模具的種類、數(shù)量、體積，計算出存放面積外，還要考慮地面基礎(chǔ)承載要求，生產(chǎn)保險杠的大型模具存放區(qū)對地面基礎(chǔ)承載的要求是15～20 t/m2，如圖3和表6所示。

表6 年產(chǎn)20萬套保險杠的涂裝與注塑車間為一體的成型車間存放區(qū)面積

1.2.3 車間通風(fēng)

在注塑生產(chǎn)過程中，由于高溫使原材料產(chǎn)生一些有害的煙霧，生產(chǎn)時對操作者健康帶來危害。所以，應(yīng)加裝通風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)，由于屋頂較高，單獨采用屋頂加裝排風(fēng)扇排風(fēng)效果不太好，所以在煙霧較大的地方，如儀表板弱化焊接區(qū)域，應(yīng)使用排風(fēng)罩再配備排風(fēng)風(fēng)機(jī)，以提高排風(fēng)效果。

2 結(jié)束語