塑料擠出拉伸薄膜鑄片系統溫控風刀裝置的研究設計

呂劍銳，袁園，王孟麗

(大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 大連 116036)

1 工作原理

與傳統正壓風刀在塑料擠出拉伸薄膜鑄片系統中的工作原理基本相同，其在鑄片過程主要起著輔助附片、定邊作用。通過風刀附片的外力作用，可將自模頭擠出的聚合物熔體迅速緊密貼附在鑄片輥面上，有效排除離開模頭唇口的熔體膜片與鑄片輥間夾雜的空氣，并對膜片邊緣進行壓制定邊，避免或防止鑄片翹曲、厚度異常、膜片邊緣不整齊、膜片后續拉伸出現花紋或氣泡痕跡等問題出現。與傳統正壓風刀不同，更為先進的是溫控風刀裝置配置外源風過濾、溫控系統，可實現外源風根據鑄片及后續拉伸工藝需要進行溫度、壓力調控功能，有效調控模頭模唇擠出熔體在鑄片過程中的冷卻速度，保證鑄片橫、縱向厚度及溫度均一性、結晶溫度、結晶速度、結晶度、晶粒結構、晶粒尺寸等性能參數，滿足后續薄膜拉伸工藝對鑄片的性能要求。

2 結構及工作特點

2.1 主要結構

如圖1、圖2所示，本文所述的塑料擠出拉伸薄膜鑄片系統溫控風刀裝置包括高壓變頻離心風機1、過濾器2、輸送風管3、換熱器4、風刀5、熱油站6、溫度壓力控制系統7等。其中高壓變頻離心風機是風刀供氣的動力源，風量、風壓可根據鑄片過程輔助附片需求進行變頻控制調節；過濾器是外源風潔凈處理的保障，其過濾精度可根據實際需要進行配置；熱油站、換熱器是保證風刀風源溫度均勻可控的溫控系統，根據鑄片成型及后續拉伸工藝需求進行調整；輸送風管是連接換熱器、風刀的橋梁，實現將潔凈、風量及溫度均勻可控的溫控風持續通入風刀進風口功能；溫度壓力控制系統是保證風刀狹縫出口處壓力風溫度、壓力穩定均勻的關鍵部分，通過將檢測出風口溫度、壓力信號分別反饋給熱油站、高壓離心風機控制系統，風刀供氣溫控、壓力系統實現閉環控制，保證鑄片工藝所需的風刀出風溫度、壓力要求及溫度、壓力穩定均勻性[1]。

圖1 溫控風刀裝置結構示意圖

2.2 溫度、壓力調控結構及功能

圖2 溫控風刀裝置原理圖

風刀狹縫出風風量、風壓強弱及穩定均勻性在一定程度影響模頭附近已建立的穩定氣場，而模頭模唇熔體在鑄片過程中對外部風場、溫度場非常敏感。若鑄片過程發生模頭附近穩定氣場氣流擾動，可能引起模頭模唇擠出熔體抖動，影響膜片定型冷卻結晶性能、膜面平整性，易造成膜片夾雜氣泡、波紋、厚度不均勻等缺陷。塑料擠出拉伸薄膜生產過程中，常會因為風刀狹縫出風口風量、風壓波動過大導致膜片在后續拉伸生產過程中引起薄膜出現大間距橫向條紋；由于風壓不均引起縱向條紋，且通常在壓力風對膜片的施力點前無法觀察出來，施力點之后才可發現。由于風刀狹縫出風口壓力風壓力、風量的強弱及均勻性影響，有時可觀察到膜片在固定位置存在連續縱向條紋，而后續的拉伸過程會出現薄膜橫向厚度不均勻，收卷、分切后出現“暴筋”或“縱向皺紋”現象。

以結晶性塑料熔體為例，其結晶性具有強烈的溫度依賴性特點。自模頭模唇擠出的熔體在鑄片過程可能會存在冷卻不均勻引起結晶不均勻、結晶度及晶粒構造形態、晶粒種類、晶粒尺寸不符合拉伸工藝需求、厚度偏差大等問題。鑄片結晶度過高會引起后續拉伸膜階段破膜、薄膜霧度增大、薄膜表面粗糙度變差的問題；結晶度低，有利于后續薄膜拉伸，但結晶度過低會導致薄膜機械性能下降、剛性變差；膜片厚度偏差大，可能影響縱向拉伸的受熱均勻性、拉伸穩定性，且易引起拉伸過程脫夾[1]。

鑒于以上實際需求考慮，如圖1、圖2所示，溫控風刀裝置結構及工作過程中可以很好地實現風刀供氣系統的溫度壓力控制單元、熱油站、高壓離心風機控制系統閉環反饋控制，有效保障風刀狹縫出口壓力風根據鑄片工藝要求溫度、壓力穩定、均勻可控性。溫控風刀裝置的研究設計及應用，通過風刀附片操作時風刀狹縫壓力風的溫度、壓力可控調節，為妥善解決以上問題提供了更為寬泛的工藝調整條件、措施方法，有效調控鑄片過程膜片的冷卻速度，消除或減弱因結晶度、晶粒構造形態、晶粒種類、晶粒尺寸不符合工藝需要而影響后續塑料薄膜拉伸的拉伸強度、沖擊韌性、斷裂伸長率、密度、阻隔性、熱收縮性等力學性能。

2.3 三維調整結構及功能

如圖3所示，實際薄膜擠出拉伸生產過程中時常出現小間距橫向條紋，究其原因，此問題在一定程度上受風刀位置、角度等因素影響，這些不利因素都可能會引起模頭附近已建立的穩定氣場發生氣流擾動，而模頭模唇熔體在鑄片過程中對外部風場、溫度場非常敏感。鑄片的過程中，若風刀狹縫出風口對鑄片過程膜片的施力角度、位置發生偏離，可能會造成以下問題：

（1）風刀狹縫出口壓力風施力方向偏模頭一側，易造成擠出熔體抖動，影響鑄片厚度均勻性及膜面平整性；

（2）風刀狹縫出口壓力風施力方向偏于鑄片輥最大外輪廓一側，不易充分排除擠出熔體與鑄片輥面之間夾雜的氣體，影響膜片定型冷卻及結晶性能，且易產生膜片夾雜氣泡、波紋等表面缺陷；

圖3 溫控風刀輔助鑄片結構示意圖

基于上述實際問題，此次設計的溫控風刀裝置風刀具有三維調整的結構特點。詳見圖4所示，溫控風刀裝置具有三維調整，分別為水平移動裝置、升降裝置和角度調整裝置。

圖4 溫控風刀三維調整結構示意圖

2.3.1 水平移動裝置結構及功能

如圖5所示，水平移動裝置主要由氣缸1（帶行程開關）、直線導軌2、連接架3、水平移動架4等組成，沿鑄片幅寬方向雙層布置。根據生產需要，通過啟動氣缸氣控系統電磁閥，氣缸活塞桿在壓縮空氣的作用下實現伸縮，在此過程中連接架、水平移動架在氣缸帶動下沿直線導軌進行滑動，帶動安裝在水平移動架上的升降裝置、角度調整裝置以及溫控風刀同步運動，在氣缸行程范圍內在水平方向實現溫控刀前移至模頭與鑄片輥交接處，為鑄片操作前溫控風刀位置校準、檢維修撤出溫控風刀以增大操作空間提供了必要條件。

圖5 水平移動裝置結構示意圖

2.3.2 升降裝置結構及功能

如圖6所示，升降裝置主要由螺旋升降器1、變頻傳動裝置2、直線導軌3、安裝架4等組成，值得說明的是溫控風刀與角度調整裝置組成整體通過支撐軸、滾動軸承、緊固件等組裝在安裝架上。通過水平移動裝置的的作用實現了溫控風刀與鑄片輥、模頭的水平距離調整，以此同時或延后可通過升降裝置實現溫控風刀與鑄片輥之間的豎直距離的調整。通過啟停變頻傳動裝置，在傳動軸的帶動下螺旋升降機、安裝架以一定速度沿直線導軌豎直升降，實現溫控風刀及角度調整裝置相對鑄片輥在豎直方向進行位置調節的功能。

圖6 升降裝置結構示意圖

2.3.3 角度調整裝置結構及功能

如圖7所示，角度調整裝置主要由蝸輪蝸桿減速器1、連接軸裝置2、連接板3等組成。其中蝸輪蝸桿減速器安裝在升降裝置安裝架側面，具有自鎖功能，是實現溫控風刀角度調整的關鍵機構；連接軸裝置通過滾動軸承座安裝在升降裝置安裝架上；安裝板裝置通過平鍵實現一端與連接軸裝置、另一端與溫控風刀裝置聯接，實現蝸輪蝸桿減速器旋轉動作對溫控風刀出風唇口角度的調整。通過旋轉設置在蝸輪蝸桿減速器端面的手輪實現溫控風刀出風唇口相對鑄片輥、模頭出料口的角度,可非常便捷地實現溫控風刀出口壓力風對膜片的作用點方向，提高了鑄片工藝調整的可能裕度。

溫控風刀裝置的三維調整結構的設置，很好地實現風刀狹縫出風口相對于模頭模唇、鑄片輥的水平、垂直、角度相對位置，可保證自溫控風刀狹縫出風口吹出的壓力風角度對膜片的施力點處于模頭流涎熔體與鑄片輥面接觸的切點位置，且壓力風施力面均一并與鑄片輥軸線、模頭模唇熔體擠出線平行，以此實現風刀輔助模頭模唇擠出的熔體沿鑄片輥面切線方向流涎并良好的貼附于鑄片輥上的鑄片工藝需求[3]。

圖7 角度調整裝置結構示意圖

3 結束語

塑料擠出流涎鑄片過程中，具有三維調整功能的溫控風刀裝置的研究設計在輔助附片過程的應用，在保證擠出熔體片材與鑄片輥面快速、充分、緊密貼合及減少流涎鑄片頸縮的功能前提下，可進一步優化模頭擠出熔體在鑄片過程的冷卻速度、溫度分布均勻性；有力保障風刀附片溫度、壓力的可控性；更有效地保證及控制的熔體冷卻速度、結晶速度、結晶性、晶粒種類，保證鑄片橫、縱向厚度均一性、結晶度及晶粒度分布均勻度，為下一步膜片的拉伸取向或其它特殊工藝對鑄片性能要求提供有利條件保證。