中空成型機吹塑技術研究進度
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多數機型還配備有液壓伺服系統，以實現塑料型坯擠出時的壁厚控制系統。根據原料和擠出成型方法的不同，擠出吹塑中空成型可分為多層中空成型和單層中空成型(包括共擠出吹塑)。目前廣泛使用的擠出吹塑中空成型機主要有單層擠出吹塑中空成型機和多層擠出吹塑中空成型機兩種，每種機型又分為連續擠出和間歇擠出兩種方式。此外，根據工位的數量，大型中空成型機還有單工位和雙工位之分。
2各組成重要部件的研究與發展現狀
2.1擠出機擠出機由加料系統、擠壓系統、傳動機構、加熱冷卻系統和控制系統等組成。螺桿為其關鍵部件之一，目前較為廣泛使用的是單螺桿。在實際的生產過程中，我們注意到制品容量在100L以內時，中空成型機多采用普通單螺桿擠出機；但如果制品容量在150L以上，則多采用IKV結構擠出機。這是因為，容量在150L以上時，制品要達到所需強度、剛度、使用壽命，原料則多采用高分子量高密度聚乙烯(HMWHDPE)。普通單螺桿擠出機對HMWHDPE材料的加工能力不足，主要表現在擠出效率不高；而IKV結構擠出機具有強制進料、強制冷卻的優點，其機筒加料段襯套上開有寬而深且形狀不同的縱向溝槽，并設計有強制冷卻的夾套結構，這樣就可以極大地提高物料輸送效率，從而使擠出量保持穩定。雖然IKV結構仍存在如螺桿與機筒的進料段前端約4~10倍螺桿直徑的區域磨損較快等不足，但在這一部位上采用雙金屬螺桿和雙金屬機筒的結構即可使其耐磨性提高1~2倍[2]。目前一些大型的中空成型機制造廠家在IKV結構螺桿的基礎上，將分離螺桿、屏障型螺桿形式和IKV結構形式完美結合在一起，研制出了高效、綜合性能優良的單螺桿擠出機，并且已將其應用在大型中空成型機上，同時取得了較好的效果。目前，擠出機加熱系統普遍采用的是電加熱圈裝置，它的能源利用效率較低，而正在研究開發的螺筒感應加熱技術則是一種用于擠出機機筒加熱的新型高效節能的加熱技術[2]。首先，它采用了優化設計的高頻電源，加熱系統中兩個半圓形的螺筒與線圈之間存在一個減緩散熱的真空成型保溫層，這樣可使螺筒加熱效率達到95%以上，同時明顯改善和提高了溫度控制的響應；其次，利用絕緣套管，進一步將感應加熱的輻射損失降至最小；此外，螺筒感應加熱系統位于擠出機機筒內部，使熱傳導時間明顯縮短，與電加熱圈相比，其達到穩定響應的時間可縮短至原來的2/3~1/2。綜上所述，使用螺筒感應加熱后，提高了擠出機的加熱效率、改善了熱量分布狀況，縮短了對溫度控制的響應時間，進而顯著提高了成型制品的質量。可以預見，螺筒感應加熱器技術可能在未來幾年內得到更多的試驗與研究，并使該技術迅速地在擠出機和大中型、超大型儲料機頭的加熱系統方面得到推廣和應用。
2.2大型儲料機頭儲料機頭是間歇式吹塑成型機的核心部件，它是把儲料腔設置在機頭的流道內，由擠出機直接向機頭擠料，進而保障了塑料熔體的“先進先出”。目前，儲料機頭的流道主要有兩種形式：單層心形包絡流道和雙層心形包絡流道。早期較多采用的是單層心形包絡流道，但是由該流道的儲料機頭擠出的型坯周圍存在明顯的熔合縫區；而采用雙層心形包絡流道的儲料機頭擠出的型坯，其周圍被完整的熔料層所覆蓋，從而使熔合縫區的強度得以提高。雙層心形包絡流道的儲料機頭是一種高性能儲料機頭，其工作原理是將熔合縫區分成兩處并錯開分布，使型坯被完整的熔料層所覆蓋，從而有效提高熔合縫區的強度。雙層心形包絡流道的儲料機頭較多地應用在大型全塑桶的中空成型機上，目前，國內1000L以上的大型中空成型機的圓形儲料機頭基本采用該流道設計。儲料機頭的一個重要的衡量指標是其換色、換料的速度。國際上很多著名的公司在解決換色、換料速度問題時，更多地還是依靠合理的流道設計，如在儲料機頭儲料腔的上部設計了溢料孔，同時，溢料孔還可保障儲料機頭的安全：一旦生產過程中伺服系統出現意外故障，可控心模不能下移，電控系統的保護同時失靈，而擠出機仍在擠出時，溢料孔對儲料機頭即可起到最后的保護作用。合理的結構再加上先進的設計手段才能取得最佳的效果。目前國內有些廠家已將CAD/CAE技術應用于設計之中，并選用了優質鋼材和精密的加工設備，從而確保了儲料機頭較高的質量和性能。目前多層共擠中空成型機在國外發展迅速，在國內卻仍是一個薄弱環節。多層共擠機頭設計的關鍵是流變設計。合理的流變設計，可使機頭擺脫原料黏度(與原料分布有關)對生產率的影響；使機頭在低擠出量下具有良好的自清潔功能，在高擠出量下剪切熱較少；促進層組合原料均勻分布，且使擠出量和擠出量比可調，還能增加可加工的塑料原料的種類。另外，大型多層共擠出中空塑料成型機采用的是配有同心環形活塞的儲料式機頭，其中主機頭在各層機頭的上方，并且使機頭與儲料腔成為一體，從而實現低壓下型胚的高速擠出[3]。近些年來，隨著市場上對多層共擠制品需求的不斷增加，一些廠家相繼推出了雙層雙色儲料式中空成型機，產品質量得到了極大提高，生產成本大大降低。例如，衡陽華意機械橡塑機有限公司開發的HYB-75D三層共擠雙工位模內貼標中空成型機，采用四模頭雙工位，配備了精確的集成PID溫控系統，并可實時檢測各螺桿的擠出壓力，自動去飛邊，在不影響制品阻透性的情況下通過精確的西門子全電腦控制減小中層及內層厚度(0.03~0.05mm)，填補了國內空白；另外，陜西秦川塑料機械廠生產的六層500L共擠出中空塑料成型機，已達到德國同類機的水平。
2.3合模機構擠出吹塑中空成型機合模機構主要作用是固定吹塑模具，使塑料型坯能在模具中快速成型為吹塑制品。合模機構應具備如下功能：模具的開合既能快速也能慢速，四開模機構能夠上下開合；能夠實現塑料型坯的擴坯、預夾與吹脹，高壓鎖模，制品的低、高壓吹脹成型，安全門的開合，以及模具的快速更換等。大型中空機的合模機構，近年來正逐漸向節能方向發展[4]。其結構早期大都采用四板液壓直動式，現在廣泛使用的是液壓節能型的四拉桿三板聯動式及更先進的斜對稱二拉桿三板聯動式。通過將快速移模缸與增壓缸分開，用較小的液壓缸推動三塊模板的聯動快移，在較小的液壓泵的條件下獲得更高的移模速度，再利用增壓缸進行高壓鎖模，這樣既縮短了移模時間，又具有節能的效果。另外，銷鎖式無拉桿合模機構是近年發展起來的一種新型節能合模機構，具有鎖模力分布均勻、運動精度高、裝卸模方便、模具容量大、節能等特點。其移模運動由較小的移模壓缸或伺服電動機通過滾珠絲杠來實現；運動副采用摩擦系數小、運動平穩、運行精度高的滾珠直線導軌，由伺服電機驅動移模機構，既高效節能又具有高剛性、高精度、高靈敏度的運動性能。
2.4型坯壁厚控制系統良好的預成型坯設備可以以最小的原料消耗獲得壁厚分布均勻且結構穩定的制件，因而對于形狀要求日趨復雜的中空塑料制品而言意義重大。在型坯忌型階段，同時考慮各部分的吹脹比、擠出膨脹、下垂及回彈等因數，設計出合理的型坯壁厚分布曲線，從而調節電液伺服系統，對模芯縫隙的開合度進行調控，進而實現了對型坯壁厚分布的調節。這樣既節省了原料，縮短了成品的冷卻時間，又降低了次品率，提高了生產效率和產品質量。制品耐沖擊試驗表明，壁厚均勻的制品在強度上有很大的提高。壁厚控制系統即位置伺服系統，在中空容器的生產過程中，為了保證制品的質量，要求被控量能夠準確地跟蹤設置值，同時還要求響應過程盡可能快速。它主要由顯示裝置、PLC控制器、電液伺服閥、動作執行機構和位置檢測元件構成。當機頭口模打開時，PLC控制器讀取位置檢測元件反饋的型坯長度，然后根據型坯壁厚曲線，通過高精度模擬量輸出模塊輸出電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅動執行機構控制模芯上下移動，從而調整口模與芯模的間隙大小來控制口模的開度，進而完成型坯壁厚的閉環控制[5]。目前中空成型機的儲料機頭一般都具有軸向壁厚控制系統，可以改善制品高度方向的壁厚分布，但對部分在某一對稱方向有較大拉伸要求的制品仍顯不足，因而產生了徑向壁厚控制系統，目前徑向壁厚控制系統主要由柔性環式和口緣修型式兩種。將軸向壁厚控制與徑向壁厚控制技術相結合可獲得更為理想的塑料型坯。目前研發一套徑向壁厚控制系統的附加費用還是很高，但可以預見，隨著對徑向壁厚技術研究的逐步深入，其在中空成型機上的應用必將更為廣泛。塑料加工機械的水平在很大程度上取決于測控水平的高低。國外先進塑料機械的控制系統普遍采用以PLC等為核心的可編程系統，并在一些高精度塑料機械上采用了模糊控制、統計過程控制(SPC)，以及基于網絡的遠程監控、故障診斷和控制系統。例如，美國穆格公司研制的30點和100點的壁厚控制器(DIGIPACK)，可用于控制儲料缸式和連續式吹塑成型機的型坯壁厚。儲料缸式吹塑成型機常用于制造較大的容器，DIGIPACK根據儲料缸電子尺的反饋控制口模開度，液晶顯示屏(LCD)上的縱坐標顯示儲料缸位置，橫坐標顯示口模開度；連續式吹塑成型機通常有多個模頭，DIGIPACK根據工作循環時間控制口模開度，此時LCD上的縱坐標顯示循環時間(通常是以切刀動作作為一個完整循環的開始)。目前國內中空成型機上的壁厚控制系統多為國外品牌，如穆格、貝加萊、西門子等，從而出現國內中空成型機的成本較高，而附加值和效益卻相對較低的尷尬局面。
2.5電氣自動控制系統大型中空成型機的電氣自動控制系統主要由PLC、觸摸屏和外圍電氣設備構成，從而實現對整機動作程序、液壓伺服系統、溫度控制系統、主液壓系統、擠出機設備、配混料系統、自動上料系統及邊廢料回收粉碎系統的全面控制。大型中空成型機的電氣自動化控制系統中，主控制器多采用PLC，顯示器及數據、參數的修改(人機界面)則較多地采用了觸摸屏。而作為擠吹中空機核心技術之一的型坯自動閉環控制技術被美國的穆格、巴勃-考曼、奧地利的貝加萊等少數幾家公司壟斷，提供給國內廠商的只是單一的型坯壁厚伺服控制裝置或PLC系統，相關技術核心都被層層加密，國內廠商只能被動使用，無法根據自身特點形成全方位的控制系統，而且以上系統售價昂貴(10000美元以上)，大大增加了設備的生產成本。因此，95%以上的國產吹瓶機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。同無型坯控制設備相比，簡單疊加進口伺服控制器雖提高了型坯的精度，但總體來說它只是小閉環，對擠出、機械動作等的波動無抑制作用，無法對整個型坯產生過程的各個環節進行閉環控制[6]，因此，為使制品的力學性能達到要求只能整體加厚制品壁厚，致使制品單重增加，浪費了原料，并造成制品壁厚控制不精確(其偏差高達15mm)、制品單重偏差大(4%)、合格率低。
2.6液壓與氣動系統隨著新技術和新產品的采用，液壓系統作為中空成型機的主要動力系統正向節能環保的方向發展，國內多家中空成型機設備制造廠均已開發出較為節能的設備。但由于國產液壓元件的穩定性不佳，國內中空成型機設備制造廠家大多采用進口元件來組裝液壓系統。液壓傳動的擠吹中空成型機是一個多執行機構系統，各執行機構/元件周期性斷續工作，各個動作的液壓能量需求差別大，并且僅短時需大流量，如制品冷卻、保壓時基本不需要液壓能，而擠坯時液壓系統的能耗則占整機能耗的30%~50%。擠吹中空成型機液壓系統由動力驅動系統和型坯壁厚控制系統兩個部分組成。擠吹中空成型機的動力驅動節能技術，就是通過動力驅動源能耗與執行機構所需液壓能之間的適當匹配，使液壓系統達到裝載功率最小、電能利用率最高、液壓能耗最低的要求。目前主要有以下幾種先進的型式和系統[7]：(1)變量泵+雙比例液壓驅動系統；(2)雙聯泵+蓄能器輔佐動力驅動系統；(3)交流伺服電動機動力驅動系統；(4)變頻液壓動力驅動系統。此外，中、大型擠吹中空成型機液壓系統中一般都設置了蓄能器，從而進一步確保了大流量、低能耗、低裝載功率的節能環保生產。
3中空成型機的發展方向
隨著化學工業的迅猛發展以及化工產品在國際貿易中的比例不斷擴大，對大型擠吹中空容器的需求增長迅猛，從而將帶動大型擠吹中空塑料成型機的發展。大型擠吹中空塑料成型機研發的重點將主要集中在節能、高效等方面。縮短生產周期、提高生產效率是大型擠吹中空塑料成型機發展的重要內容。與生產效率有關的主要因素是塑化能力與吹塑冷卻成型時間。提高塑化能力，即提高螺桿機筒的塑化性能和輸送能力，是提高生產效率的先決條件。縮短吹塑冷卻成型時間的關鍵是提高吹塑系統性能，其主要技術指標是吹氣壓力和氣體溫度。大型中空塑料制品的壁較厚，所以吹塑系統性能不但關系到生產效率，而且關系到制品的質量，尤其是型坯熔合縫的強度；而提高吹氣壓力，使用低溫干燥高壓空氣吹塑，是縮短吹塑冷卻成型時間以及提高制品質量的關鍵。高性能儲料式機頭必須具有合理的流道結構，能充分適應塑料熔體的成型工藝要求，并可實現快速換色換料[8]。為提高儲料式機頭的性能，必須使機頭能夠提高熔體熔合縫區的強度。積極的做法是采用先進的CAD/CAE技術，優質的鋼材和精密的加工設備，以及先進的CAM加工方法。合模機構應具有運動精度高、速度快、裝卸模具容易等性能。近年來發展起來的液壓同步驅動無拉桿合模機構，采用互相對稱的兩套液壓驅動機構同步分別驅動各自的模板，由于鎖模時受力均勻，在不影響模板強度的情況下可使模板材料使用量大大減少，所以能降低模板的重量，減小鎖緊變形量，使裝卸模具更容易、容模量更大、更適合機械手的操作，而性能則比插銷式無拉桿合模機構更優越，更值得推廣應用。制品壁厚最佳化是大型擠吹中空塑料成型機制造商追求的一個主要目標，同時也是一項關鍵技術。徑向壁厚分布系統可對在對稱方向有較大拉伸要求的制品進行最佳壁厚控制，并使擠出的型坯在某要求的區段內呈非圓截面變化，因而對提高制品質量，改善曲面部件內外部半徑的厚薄均勻性具有重要意義。同時，它還能在保證質量的前提下，降低制品重量。
4展望
近年來，中空成型機設備制造業獲得了高速發展，并在我國塑料機械制造行業中占有重要地位。隨著國家將高端塑料成型設備制造業納入政策支持的重要裝備行業，以及國內外用戶需求的快速發展，中空成型機制造業將得到進一步的發展與進步。從國內外市場的發展趨勢來看，由于塑料瓶、塑料桶、汽車配件和工業吹塑件等多種吹塑制品規模化生產的需要，各種高速、穩定、節能、輔機配套完善的專業化、全自動生產線將是未來幾年的發展主流。由于國內地區間工業發展不平衡，以及國外市場對中空成型機技術要求的不同，中空成型機企業的研發與制造不僅要滿足不同檔次設備的市場需求，還應注重研發生產運行穩定并且高效節能的專用中空成型機設備，為進一步拓展市場空間和進軍高端產品市場奠定基礎。
作者：張禮華張萍邱建成何建領單位：江蘇科技大學機電與動力工程學院蘇州同大機械有限公司
