大容量中空吹塑機機頭的關鍵技術研究

李衛民，黃 建，盧廣亮

(遼寧工業大學，錦州 121001)

0 引言

中空薄壁塑料制品的加工采用的是中空吹塑的方法。一般而言，容積大于50L的中空制品就稱為大容量吹塑制品。對于大容量吹塑制品的吹塑，需采用在很短時間內擠出大容量熔體的儲料式機頭來形成型坯。目前，我國現有的中空吹塑設備多為中小型吹塑機，大容量中空吹塑設備很少，且存在很多問題，產品質量遠低于國外。本文針對200L以上大容量中空吹塑設備機頭的關鍵技術進行了分析與研究。

1 大容量中空吹塑機頭的結構研究[1]

儲料式機頭分為中心入料式和側向入料式。側向入料式是應用非常廣泛的一種方式。在儲料式側向入料中空吹塑機中，機頭所起的作用是融合融料，并形成型坯。融料融合的關鍵是機頭中的流道。目前我國一些企業研究出了雙層心形包絡流道，但雙層心形包絡流道流道長度較短，壓降較大，熔料融合后周向均勻性較差。本文參考國外資料研究出了雙層雙螺旋流道，如圖1所示。

圖1 雙層雙螺旋流道機頭

圖1中，外芯設有兩條呈180o對稱纏繞的外螺旋流道，內芯設有兩條呈180o對稱纏繞的內螺旋流道，內螺旋流道與外螺旋流道呈180o對稱布置，外芯和內芯上的每條螺旋流道（內螺旋流道與外螺旋流道）的纏繞角度均為360o，以使外芯和內芯的360o的外壁面上的熔料充分均勻地融合。工作時，熔料從入料口進入機頭外筒，經過分流芯套的分流孔，由外芯上的分流錐順利完成分流，熔料向分流錐兩側流動，并經導向流道轉向90o后，引流到內、外芯分流處，一部分熔料由外芯上的外螺旋流道向下螺旋流動，另一部分則通過導流通孔流入到內芯的內螺旋流道中，熔料在內、外螺旋流道內流動時，一部分熔料隨著內、外螺旋流道向下流動，另一部分熔料順著內、外芯壁向下流向儲料腔，這樣可以保證360o都有熔料下流，使得熔料均勻融合。

2 大容量中空吹塑機頭工藝參數與結構尺寸的研究[1～3]

本文以吹塑200L塑料（高分子高密度聚乙烯)桶為例，研究了大容量機頭工藝參數和結構尺寸的確定方法。桶的參數為：直徑580mm，最小壁厚6mm，桶重13Kg。

1）機頭口模直徑D

機頭的口模直徑與制品直徑、吹脹比有關，需按式（1）公式計算。考慮離模熔體膨脹效應、流道末端效應、冷卻收縮效應和自重下垂效應，引入修正系數α。α的大小與熔融物料的流速、溫度，口模定型物料的相對分子質量等有關。

式中：D為口模直徑；α為修正系數，一般為0.5～1.0，本文取0.7；Dz為制品直徑，本文為580mm；b為吹脹比，對于大型或薄壁制品b取為1.5～3.0，通常為1.5，本文取1.5。由此得口模直徑為260mm。

2）機頭口模間隙h1

機頭口模問隙與制品厚度、吹脹比有關。由于熔融物從口模間隙中擠出成為型坯時，存在著熔體膨脹效應等現象，因此在口模間隙設計時引入修正系數β。

式中：h1為口模間隙；β為修正系數，一般為0.5～1.0，對于粘度大的塑料取小值，本文取為1.0；t為制品壁厚，本文為6mm；b為吹脹比，本文取1.5。由此得口模間隙應大于9mm。

3）機頭口模閉合間隙h2

機頭閉合時要把管坯切斷，還要保證不漏料。機頭閉合時口模與芯模之間會產生不良影響。實踐證明最佳間隙為0.4mm＜h2＜0.8mm。

4）儲料腔長度

儲料腔能使融合后的熔料進一步地融合，并能使型坯形狀更規則。但過長的儲料腔會使生產效率低，并會使型坯產生由溫差引起的分層現象。本文根據經驗取儲料腔長度為560mm。

5）儲料室容積V

儲料室的容積要大于制品熔料、夾口料及余料等體積之和。通常夾口料及余料等體積之和為制品體積的1/3。儲料室容積的計算公式為：

式中：V為儲料室容積；γ為修正系數，一般為1.4～1.5，本文為1.45；G為制品質量，本文為13Kg。ρ為熔料密度，本文制品材料為0.953×10-3kg/cm3。由此得儲料室容積為20L。

限于篇幅，其他結構尺寸略。

3 大容量中空吹塑機頭型坯壁厚控制系統的研究

型坯壁厚的自動控制有軸向控制和徑向控制兩種。對于徑向控制技術，我國還處于研究階段，相對而言，軸向控制的研究成熟一些。本文針對200L以上的大容量中空吹塑機進行了型坯壁厚的軸向控制研究。

型坯壁厚的軸向控制采用的是閉環控制技術。用戶在壁厚控制器的觸摸屏面板上設定型坯壁厚軸向變化曲線，PLC控制器根據曲線把相應的電壓或者電流信號傳至電液伺服閥，由電液伺服驅動伺服油缸控制中心桿的上下移動，從而改變機頭口模間隙。同時，連接中心桿的伺服油缸活塞桿上安有傳感器(磁懸浮電子尺)，電子尺可感知機頭口模間隙的大小并反饋給PLC控制器，在PLC控制器內與標準信號進行比較，然后經伺服功率放大器傳送給電液伺服閥，再通過伺服閥驅動伺服油缸，油缸帶動中心桿移動，最終控制口模的開度，完成對型坯壁厚的控制。型坯壁厚控制的結構圖如圖2所示。

本文研究的型坯壁厚控制系統是一個位置控制系統，由電液伺服系統組成。控制的核心部分是中心桿的位置，其中中心桿位置控制精度是決定型坯壁厚控制效果的關鍵。因此本系統的研究重點為中心桿位置控制精度，即型坯壁厚的控制精度和系統的響應速度。

圖2 壁厚控制系統的硬件結構圖

型坯壁厚的控制方法是：將每一個型坯形成過程分成數個點，分別對這些點的壁厚進行控制。控制點數越少，響應速度越快，但是點數太少，達不到所要的壁厚控制精度，且在型坯周圍形成了熔接縫（環紋）；點數太多，會造成系統響應時間過長，伺服油缸來不及對接收的信號做出反映，型坯就已經出來了。傳統的200L塑料桶壁厚控制器都是64點或者128點的。本文針對200 L雙L環桶進行了研究，經過實驗驗證，在滿足壁厚控制精度為±1mm，每點的響應時間為0.3～0.4秒的前提下選用256點壁厚控制更為合適。

4 結束語

針對200L以上的大容量中空吹塑機機頭的關鍵技術進行了研究。所設計的雙層雙螺旋流道形式相比于其它結構形式。其使熔料融合更加均勻，熔體的流動更加順暢，消除了理論接縫，提高了制品強度；根據功能要求，采用優化方法確定了工藝參數和尺寸，為200L以上大容量中空吹塑機產品的優化設計奠定了基礎；在已有的型坯壁厚控制的基礎上，研究了200L雙L環桶最優的控制點數和控制點的連接方法，提高了壁厚的均勻性、精度和制品的強度。

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