中空成型機幾種軸向與徑向型坯控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計與研究

邱建成 邱睿

前 言

中空成型機的塑料型坯壁厚控制技術(shù)是現(xiàn)代中空成型機的主要研究方向之一，它是中空成型機是否先進，現(xiàn)代化的重要標志之一。

中空成型機的塑料型坯壁厚控制技術(shù)主要包括：塑料型坯軸向壁厚控制技術(shù)，塑料型坯徑向壁厚控制技術(shù)，口模與心模的修型技術(shù)等。近年來，對這些技術(shù)的研究越來越深入，反應(yīng)在吹塑產(chǎn)品上，其制品壁厚的均勻性更好了，產(chǎn)品的質(zhì)量更加容易得到保障。本文主要介紹這幾項技術(shù)的研究情況。

1.軸向壁厚控制技術(shù)

電液型坯壁厚控制系統(tǒng)主要由液壓伺服系統(tǒng)、塑料機頭的伺服液壓缸、電氣控制器，電液伺服閥，料位傳感器（電子尺），以及聯(lián)接的管道等組成，通過對機頭芯模或口模開口量的控制來控制塑料型坯的厚薄變化使吹塑制品達到一個較為理想的壁厚水平。

目前，軸向與徑向塑料壁厚控制技術(shù)在電液控制方面已經(jīng)非常成熟，近年來一些廠家研究了多種全電動伺服壁厚控制技術(shù)與裝置，應(yīng)用機型越來越多，技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。

中空成型機機頭的型坯壁厚控制技術(shù)是中空吹塑成型的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用在大型工業(yè)件或是精密吹塑件的成型方面尤其顯著。其壁厚控制技術(shù)不只是應(yīng)用于儲料式機頭，也可以用于直接擠出式機頭。

電液型坯壁厚控制系統(tǒng)可分為軸向壁厚控制技術(shù)（AWDS）和徑向壁厚控制技術(shù)（PWDS）兩種形式。

目前中空成型機的成型機頭一般都具有軸向型坯控制功能，其控制點從64點到256點不等。軸向壁厚控制的作用是使得擠出的塑料型坯根據(jù)制品不同的吹脹比沿軸向獲得不同的厚度，從而保證最終制品有比較均勻的壁厚分布，它是通過使芯模或是口模根據(jù)預(yù)設(shè)位置作軸向運動而改變芯模、口模的開口量來達到改變塑料型坯壁厚的目的。

近幾年來，國內(nèi)多家中空成型機設(shè)備制造廠家已開發(fā)出性能可靠地軸向壁厚數(shù)字化液壓伺服控制系統(tǒng)（AWDS），控制點在64和100點這兩種形式的居多。它們采用PLC的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊控制液壓伺服閥的專用放大器控制電路，放大器控制電路驅(qū)動伺服閥和位移傳感器工作，對于型坯壁厚每一點數(shù)據(jù)的修改和設(shè)定以及基本壁厚的設(shè)定非常方便。一些廠家在中空成型機上按照客戶的要求安裝進口型坯壁厚控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)多數(shù)采用的是 MOOG公司的產(chǎn)品，使用性能上也很可靠。

目前國內(nèi)已經(jīng)有專業(yè)公司正在研究開發(fā)具有國際先進水平的可以控制四路的壁厚精確控制器，每路控制點為100點，可以實現(xiàn)對四個伺服閥的單獨控制與調(diào)節(jié)，從試驗的情況看，其控制精度已經(jīng)遠遠超過國外發(fā)達國家的同類產(chǎn)品，其操作、維護上更為方便，使用壽命更長。其產(chǎn)品價格遠遠低于國外同類產(chǎn)品價格，國內(nèi)吹塑機設(shè)備制造廠家值得加快推廣步伐。

如圖1所示，電液型坯軸向壁厚控制系統(tǒng)控制原理圖。

圖1 電液型坯軸向壁厚控制系統(tǒng)控制原理圖

蘇州同大機械有限公司不但研制了系列化的電液軸向、徑向伺服控制系統(tǒng)裝置，近年來研制成功了多款適合大中型吹塑機應(yīng)用的全電動伺服控制軸向型坯控制系統(tǒng)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了系列化的研發(fā)與應(yīng)用。其全電動伺服控制拉力分別可達到：30、60、120、200、300t的拉力。全電動伺服型坯控制系統(tǒng)的對應(yīng)曲線可擴展較多的點數(shù)，其控制精度明顯高于電液控制系統(tǒng)，提高了對塑料型坯的控制精度，有利于提高吹塑制品的控制精度和運行的穩(wěn)定性和可靠性，因此可較大的提高塑料型坯的控制精度，從而提高吹塑機的各項技術(shù)水平。

2.電液徑向（周向）壁厚控制技術(shù)

軸向壁厚控制雖然能改善吹塑制品高度方向的壁厚分布，但由于其壓出的塑料型坯在水平截面內(nèi)仍呈等壁厚圓形，對部分在某一對稱方向有較大拉伸要求的制品則顯得仍不是最佳，因此便產(chǎn)生了徑向壁厚控制技術(shù)。徑向控制技術(shù)可以使擠出的型坯在所要求的區(qū)段內(nèi)呈非圓截面的變化。

軸向壁厚控制與徑向壁厚控制的聯(lián)合作用，可獲得更佳的塑料型坯，即可獲得更為理想的制品壁厚分布。

柔性環(huán)徑向型坯控制包括柔性環(huán)芯模控制系統(tǒng)與柔性環(huán)口模控制系統(tǒng)，它是通過電液伺服控制薄壁柔性環(huán)在一個方向或兩個對稱方向上或是多個方向的變形來改變擠出型坯的厚度。它的特點是無論吹制什么形狀的制品，只要其口模直徑不變，則徑向控制都能發(fā)揮作用。

圖2，柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)（PWDS）。

圖2 柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)（PWDS）

圖3，一種安裝了柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)的機頭外形圖

圖3 一種安裝了柔性環(huán)徑向壁厚控制系統(tǒng)的機頭外形圖

該機頭為雙機頭設(shè)計，每個機頭的柔性環(huán)口模分別安裝了2組伺服液壓缸來推動，可實現(xiàn)兩個塑料型坯的徑向型坯壁厚的控制與調(diào)節(jié)。

蘇州同大機械有限公司于近年研制成功柔性環(huán)徑向型坯壁厚控制系統(tǒng)，口模、芯模柔性環(huán)的直徑范圍在150~850 mm均可實現(xiàn)控制，具有其獨特的設(shè)計、安裝、使用、維護、價格方面的諸多優(yōu)勢，可安裝在多種規(guī)格的中空成型機口模上，口模柔性環(huán)其控制點可達16點，柔性環(huán)芯模調(diào)整點可達到36個點；使用壽命長，安裝、調(diào)試、維護、修理均非常方便。

應(yīng)用于TDB-250F中空成型機的柔性環(huán)徑向壁厚控制裝置見圖4。

圖4 TDB-250F口模、芯模柔性環(huán)控制裝置示意圖

蘇州同大機械有限公司研制的柔性曲環(huán)動態(tài)徑向口模環(huán)與靜態(tài)柔性芯模的技術(shù)特點：

① 整體設(shè)計簡單，調(diào)整方便快捷，耐用性能好。以TDB-250F柔性環(huán)控制系統(tǒng)為例，即使是柔性環(huán)常用的頂出點發(fā)生磨損或是變形，只是需要松開口模壓環(huán)將柔性環(huán)變換一個位置就可以實現(xiàn)重新使用，對變形處只需要稍微打磨拋光即可。

② 伺服液壓缸的活塞桿內(nèi)部設(shè)計、制造有循環(huán)冷卻水，可以有效減小模頭環(huán)境熱能對伺服液壓缸的影響，并且其體積小，安裝調(diào)試方便，易于保障伺服液壓缸長期穩(wěn)定運行。

③ 動態(tài)柔性環(huán)口模與靜態(tài)芯模柔性環(huán)均采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼精密加工而成，經(jīng)過多次不同方式的材質(zhì)處理，確保了其彈性足，回彈快捷，抗疲勞性能優(yōu)良，經(jīng)久耐用，性價比優(yōu)良。

④ 可采用一組閥控制一組伺服液壓缸，也可以采用一組閥控制多組伺服液壓缸，有利于降低柔性曲環(huán)的制造成本并且提供型坯的壁厚控制精度。

⑤ 可實現(xiàn)在圓周方向設(shè)置多組伺服液壓缸，實現(xiàn)對不同控制點的控制，可達到對復(fù)雜型坯實現(xiàn)多處、多點壁厚控制的目的與效果。

⑥ 可實現(xiàn)對柔性環(huán)的定距離控制和伺服控制，有利于型坯壁厚的調(diào)整與控制。

柔性環(huán)徑向控制系統(tǒng)的未來應(yīng)用前景：

柔性環(huán)徑向控制系統(tǒng)在模頭圓周上任何位置可以用來改變流道間隙，從而改變型坯壁厚的分布為擠坯吹塑開辟了全新的天地。它不僅是能制造更為復(fù)雜的部件，而且柔性環(huán)技術(shù)還將動態(tài)壁厚控制的應(yīng)用延伸至幾乎所有要求的模頭形狀，從而在未來不再會有徑向壁厚控制應(yīng)用上的限制，因為模頭直徑可以做得更小。

同時，柔性曲環(huán)技術(shù)為明顯降低生產(chǎn)成本提供了機會，不僅是通過改進吹塑件壁厚分布來降低材料消耗而完成，而且還主要是通過縮短吹塑成型周期時間，當吹塑件中不必要的厚點被消除掉時它會自然地縮短加工周期。

這種柔性環(huán)動態(tài)控制系統(tǒng)它不但適應(yīng)于全新吹塑機的配套，同時也可以比較方便的實現(xiàn)現(xiàn)有吹塑機的技術(shù)升級和配套改進，有利于提高和發(fā)揮現(xiàn)有吹塑機設(shè)備的潛力，可減少吹塑制品廠家的設(shè)備投資的資金投入。

圖5 幾種形式的柔性環(huán)口模控制裝置外形圖

柔性環(huán)口模徑向壁厚控制技術(shù)對于提高大型中空制品的質(zhì)量是一個有效的方法，還能減輕制品的重量。以 200L塑料桶容器為例，至少可節(jié)省5%~10%的原料。但是目前加工一套大型的柔性環(huán)口模徑向壁厚控制裝置的附加費用較高。隨著對柔性環(huán)徑向壁厚控制技術(shù)的深入研究，尤其是對柔性環(huán)芯模、口模設(shè)計、制造技術(shù)的國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)，該技術(shù)將在更多中空成型機上獲得應(yīng)用與推廣。

3.幾種常規(guī)吹塑制品的芯模、口模修型設(shè)計

芯模、口模的局部修整技術(shù)

對于圓形和近似圓形的吹塑制品，可以采用軸向和徑向壁厚控制技術(shù)來改變型坯壁厚的均勻性，這樣可以獲得壁厚比較均勻的吹塑制品。但是，對于一些非圓形、非對稱性異形的吹塑制品，即使是采用軸向和徑向型坯控制裝置也難以達到較為理想的型坯壁厚控制效果，因此，需要局部改變芯模、口模間的間隙寬度，得以局部改變型坯同一圓周內(nèi)的壁厚（即型坯同一橫截面的壁厚不一致），從而改善制品周向壁厚的均勻性。

局部改變口模、芯模之間的間隙寬度，可以將芯棒、芯模、口模的橫截面設(shè)計為橢圓形或是異形來實現(xiàn)。對于一些大批量的小型吹塑產(chǎn)品，采用這種異形化的機頭設(shè)計，更能直接解決制品壁厚均勻化的問題。隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）和數(shù)控加工技術(shù)的進步與發(fā)展，特別是計算機吹塑分析軟件的應(yīng)用；這種異形化機頭的機械加工技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。

3.1 芯模的局部修整技術(shù)

芯模局部修整技術(shù)，其具體作法是在具有軸向壁厚控制功能的機頭上，對其芯模的特定位置進行修形，從而在軸向控制的同時，近似獲得在徑向上壁厚的非圓變化量。

圖6所示，芯模的局部修整示意圖。

圖6 芯模的局部修整示意圖

如圖6所示，芯模的局部修整示意圖中1為修整區(qū)，S為最大修整量，修整量S需要在修整過程中進行試驗后確定，先進行較小量的修整，試驗效果好以后即確定下來，并且做好有關(guān)記錄。圖中的虛線區(qū)為修整區(qū)域，它是一個由淺入深的漸變過渡區(qū)域；其表面光潔度應(yīng)盡量提高，以利于型坯的擠出和制品壁厚的均勻。

3.2 口模的局部修整技術(shù)

口模局部修整技術(shù)，是在口模的特定位置上，對其進行修形，類似于芯模局部修形一樣，需要逐步對其局部修形部位進行修整，到目前為止，雖然國內(nèi)許多技術(shù)人員進行了不少這方面的技術(shù)研究工作，但多數(shù)修整還是處在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行修形。

所以，通常初次進行此項工作的人員，在這類修整中適宜選用多次小量切除的方法，通過多次試驗與修整使型坯達到最佳狀態(tài)。口模修整的具體形式如圖7所示。

圖7 口模的局部修整示意圖

如圖7所示，口模的局部修整示意圖中1指示的虛線區(qū)為口模修整區(qū)域，修整過程與芯模修整類似，需要采用逐步修整的方法來達到比較理想的效果。上圖是口模的主視圖，下圖是口模的俯視圖。

這種芯模、口模修形法，由于近年來計算機輔助設(shè)計技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的大量采用，以及計算機工程分析模擬試驗技術(shù)的應(yīng)用，一次加工后就可以獲得比較滿意的效果，同時也取決于工程技術(shù)人員的修模經(jīng)驗與技術(shù)；這種芯模、口模修形技術(shù)的有關(guān)定量修整理論也正在進一步的深入研究之中。國內(nèi)目前已有一些專業(yè)公司在開展這方面的專業(yè)技術(shù)服務(wù)；從其工作已經(jīng)取得的效果來看，對改善塑料吹塑制品的壁厚分布具有較好的作用，同時也有利于降低制品的自重與質(zhì)量的提高。

隨著計算機吹塑軟件工程分析的優(yōu)化處理與塑料型坯模擬試驗技術(shù)的進一步發(fā)展，將可能會使這種修模技術(shù)變得更為精確與專業(yè)化；并且有可能進一步降低修模成本。

同時，在采用芯模、口模修整方法的時候，需要使型坯壁厚逐漸過渡，防止修整過量造成型坯壁厚嚴重不均勻，熔體流動速度差別太大的情況發(fā)生，這樣也很難獲得壁厚均勻的制品。

4.口模和芯模尺寸的近似計算

此處主要討論是采用 HDPE塑料的吹塑制品，在選擇HDPE塑料吹塑成型時，可考慮參考以下的一些方法。

塑料瓶徑尺寸與吹塑制品最小直徑是口模、芯模的控制因素，可用下面公式近似計算芯模、口模尺寸。（連續(xù)擠出式機頭）

Dd=0.5Nd

Pd≈（Dd2-2Bdt+2t2）1/2

式中：Dd為口模直徑，Nd為最小瓶頸直徑，Pd為芯模直徑，Bd為瓶子直徑，t為直徑Bd處的瓶子壁厚。

該公式對于多數(shù) PE吹塑成型塑料可適用，可適用于已知最小壁厚塑料瓶，尤其適用于圓形塑料瓶和容器。在公式中 0.5的數(shù)值可根據(jù)采用塑料的熔體指數(shù)，模具溫度、擠出速率、塑料瓶與容器的大小進行調(diào)整。

如果制品重量確定而壁厚待定時，可用下列公式近似計算。

Pd=[Dd2－2（W/T2）Ld]1/2

式中：W 為制品單重，g；L為制品長度，mm；d為塑料原料的密度g/cm3；T為壁厚，mm。

該公式適用于大多數(shù)形狀的吹塑制品，用于一些非規(guī)整的吹塑制品效果會更為明顯一些。

對于采用型坯控制而不是自由流動的型坯來說，可以應(yīng)用下面的公式進行計算：

Dd≈0.9Nd

Pd≈（Dd2－3.6Bdt+3.6t2）1/2

Pd≈[Dd2－3.6（W/T2）Ld]1/2

對于大多數(shù)自由流動型坯的HDPE吹塑制品來說，下面公式可用。

Dd≈0.5Nd，Ad≈0.5Ab

式中，Dd為口模直徑，Nd為最小斷面直徑；Ad為口模橫截面積；Ab為制品橫截面積。

也會有：

Ab=W/（Ld）

式中：W 為制品重量，g；L為制品長度，mm；d為塑料原料的密度g/cm3。

對于一些特殊吹塑制品來說，口模、芯模的尺寸的確定需要進行相關(guān)生產(chǎn)試驗以后，才能確定較好的口模、芯模的具體尺寸。此外，不同塑料原料的口模、芯模尺寸也會不同，需要在生產(chǎn)實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗。

此外，對于擴張性口模、芯模而言，口模、芯模出口處的角度一般可按照實際生產(chǎn)需要進行設(shè)計。一般芯模角度為 45~60°較為合適，芯模與口模之間的夾角一般為8~15°較為多見。

結(jié) 語

中空成型機的塑料型坯控制技術(shù)的研究在不斷的深入過程中，很多吹塑設(shè)備與吹塑制品廠家工程技術(shù)人員為此付出了努力，更好的控制方法和裝置正在不斷的出現(xiàn)。