SCJC30×2雙層雙工位中空成型機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁寬強(qiáng) 白春杰

(陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司)

前言

隨著石油、化學(xué)、醫(yī)藥、食品工業(yè)的發(fā)展，塑料中空包裝制品的應(yīng)用越來越廣泛。與之相應(yīng)地，各種型號(hào)規(guī)格功能的塑料擠出吹塑中空成型機(jī)(簡稱中空機(jī))也不斷增多。研發(fā)各類型中空機(jī)，首先需解決的問題是:如何節(jié)約能源降低成本與整機(jī)占地空間、提高生產(chǎn)效率、降低整機(jī)重量、提高加工性能等。SCJC30×2中空機(jī)是秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司(簡稱秦川發(fā)展)開發(fā)研制出的一種新型雙層雙工位中空機(jī)，其具有低能耗占地空間小、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

合模機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料機(jī)頭是中空機(jī)關(guān)鍵的兩個(gè)部分，下面就針對(duì)該兩部分做相應(yīng)的分析介紹。

1 合模機(jī)構(gòu)

合模機(jī)構(gòu)應(yīng)具有精度高、速度快、裝卸模具方便、占用空間小等特點(diǎn)。早期的合模裝置大都采用四板液壓直動(dòng)式，能耗較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后來發(fā)展為現(xiàn)在使用較廣泛的四拉桿三板聯(lián)動(dòng)式［1］。在過去的十年內(nèi)，各公司投放市場的中空機(jī)的合模裝置，其外部的形狀變化較大，也有采用三拉桿的，但實(shí)質(zhì)都可以歸入三板聯(lián)動(dòng)式結(jié)構(gòu)。早期的三板聯(lián)動(dòng)式合模裝置的主要缺點(diǎn)是必須帶有3～4根拉桿。模板的受力不均勻，易漲模。使裝夾模具的空間受到一定的限制，裝置本身結(jié)構(gòu)比較龐大，使機(jī)械手的操作空間受到約束。近年來大型中空機(jī)的合模機(jī)構(gòu)逐步趨向于采用兩板銷鎖式機(jī)構(gòu)，這種兩板式合模裝置的合模力是由兩對(duì)或三對(duì)(4或6個(gè))位置可調(diào)、位于模板兩側(cè)的鎖模缸來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)鎖模缸的裝配位置及精度要求高、導(dǎo)致制造成本上升。

屈臂平移式合模機(jī)構(gòu)(專利號(hào):2005 200788849)由秦川發(fā)展研制開發(fā)出并已成功的應(yīng)用于SCJ30×2中空機(jī)。合模機(jī)構(gòu)與通常塑料成型機(jī)上應(yīng)用的三模板、三拉桿合模機(jī)構(gòu)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于調(diào)整、裝夾模具方便、節(jié)省空間，模板受力均勻、效率高，適應(yīng)多種規(guī)格制品生產(chǎn)等特點(diǎn)，同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)制造成本。

1.1 主要結(jié)構(gòu)及其功能

合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1，主要由模板、轉(zhuǎn)臂、屈臂、平移直線導(dǎo)軌、工作平臺(tái)、開合模油缸、機(jī)架、同步機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 屈臂平移式合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1－模板2－轉(zhuǎn)臂3－屈臂4－直線導(dǎo)軌5－工作平臺(tái)6－開合模油缸7－機(jī)架8－模板9－開模位置10－同步機(jī)構(gòu)

1.1 .1 模板

兩模板通過其底座用螺栓與直線導(dǎo)軌的移動(dòng)滑塊相連接，用于承載不同型腔的中空模具。模板的材質(zhì)采用QT500鑄件，時(shí)效處理。與以往的鋼件焊接結(jié)構(gòu)的模板比較，避免原材料的特殊訂貨，避免焊接時(shí)出現(xiàn)焊接應(yīng)力的殘存及焊接裂紋的出現(xiàn)，保證質(zhì)量，并大量減少機(jī)加工余量，節(jié)約生產(chǎn)成本。在額定的鎖模力下，其變形量小，兩模板的平行度小于0.4mm。

1.1.2 轉(zhuǎn)臂、屈臂

兩組受力件，轉(zhuǎn)臂的前端與兩塊模板相連接，下部與開、合模油缸相連接，使其有充分的自由度，并合理的分配力矩，用以保證在最大及最小開合模范圍內(nèi)根據(jù)不同的模具厚度來完成相應(yīng)的動(dòng)作。

1.1.3 工作平臺(tái)、機(jī)架

工作平臺(tái)是該合模機(jī)構(gòu)主要的受力零件，是模板運(yùn)動(dòng)的臺(tái)面。機(jī)架是該合模機(jī)構(gòu)的工作基礎(chǔ)。

1.1.4 開、合模油缸

油缸的兩端分別與屈臂采用轉(zhuǎn)軸連接。在開模時(shí)，僅需克服摩擦力，通過控制液壓系統(tǒng)使油缸帶動(dòng)模板完成快、慢開模的動(dòng)作。在合模時(shí)，首先完成快、慢合模的動(dòng)作，并通過液壓系統(tǒng)額定壓力的控制達(dá)到設(shè)計(jì)的最大鎖模力，完成中空制品的成型過程。其次，對(duì)油缸活塞桿的行程進(jìn)行控制，適應(yīng)規(guī)定范圍之內(nèi)不同厚度的成型模具。

1.1.5 同步機(jī)構(gòu)

兩根齒條與齒輪上下嚙合，通過連接塊分別與兩模板連接，組成一體。在開、合模油缸動(dòng)作時(shí)，保證兩模板在直線導(dǎo)軌上運(yùn)行同進(jìn)、同退，同步誤差為齒條與齒輪的嚙合間隙。

1.2 工作原理及應(yīng)用

1.2.1 工作原理

該合模機(jī)構(gòu)是典型的兩模板合模機(jī)構(gòu)，利用對(duì)開、合模油缸6的作用及控制在油缸的驅(qū)動(dòng)下，通過屈臂3、轉(zhuǎn)臂2的運(yùn)動(dòng)，首先保證模板1、模板8在工作平臺(tái)5及平移導(dǎo)軌4上作水平移動(dòng)。輔助以同步機(jī)構(gòu)10，完成模板在水平方向上同時(shí)開、合模的精確動(dòng)作。其次，到達(dá)鎖模位置時(shí)，開、合模油缸后腔通入高壓油鎖緊模具，通過屈臂3上力矩的合理分配，對(duì)轉(zhuǎn)臂2上作用力的分解，根據(jù)高壓油的額定壓力，使該機(jī)構(gòu)在塑料制品成型時(shí)最大額定鎖模力達(dá)到150kN(15噸)，最大制品容積30L(30升)。鎖模時(shí)，利用轉(zhuǎn)臂2的結(jié)構(gòu)點(diǎn)分解模具的重量，使成型機(jī)的工作平臺(tái)上平移導(dǎo)軌4所受垂直分力大為減小。并且通過調(diào)整開、合模油缸6活塞桿的移動(dòng)距離，調(diào)整模板上模具在水平、豎直兩個(gè)方向的安裝距離，使該合模機(jī)構(gòu)完成規(guī)定范圍內(nèi)不同規(guī)格塑料制品的成型過程，生產(chǎn)不同規(guī)格的塑料制品。開模時(shí)，油缸后腔壓力油壓力釋放，油缸的前腔進(jìn)油，轉(zhuǎn)臂、屈臂反方向移動(dòng)，帶動(dòng)模板模具移動(dòng)，打開模具，到達(dá)開模設(shè)定位置，取出制品完成動(dòng)作。然后進(jìn)入下一個(gè)鎖模、開模的動(dòng)作循環(huán)。

1.2.2 合模機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

該合模機(jī)構(gòu)在SCJC30×2雙層雙工位中空機(jī)上的應(yīng)用如圖2，雙工位生產(chǎn)時(shí)，兩組合模機(jī)構(gòu)在機(jī)架的直線導(dǎo)軌上通過移動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)交替工作，在制品成型的生產(chǎn)過程中節(jié)約大量成型冷卻吹氣時(shí)間，使該機(jī)的生產(chǎn)效率提高二倍，解決了生產(chǎn)效率低下的問題。生產(chǎn)過程中用戶根據(jù)市場的需求，可以同時(shí)生產(chǎn)不同規(guī)格、不同形狀、不同重量的制品，解決過去中空機(jī)同時(shí)只能生產(chǎn)一種規(guī)格制品的問題。所以該合模機(jī)構(gòu)的使用提高了中空機(jī)的技術(shù)水平，具有很好的市場前景與經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 SCJC30×2雙工位中空機(jī)成型機(jī)

1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

從設(shè)計(jì)的安全性可靠性原則出發(fā)，重點(diǎn)探討該合模機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)、主要零件的設(shè)計(jì)及計(jì)算。

1.3.1 鎖模力Pn

Pc=P1×Saη1(1)

Pn=Ac×Pη2×η3(2)

Pc=Pn(3)

式中:Pc:最大合模力N;

P1:高壓吹氣時(shí)系統(tǒng)工作壓力Pa;

Sa:最大模具縱向截面積m2;

η:氣壓系統(tǒng)工作效率，一般取0.96;

Ac:高壓鎖模腔活塞受壓面積m2;

P:液壓系統(tǒng)額定工作壓力Pa;

η2:液壓系統(tǒng)工作效率，一般取0.96;

η3:機(jī)械工作效率，一般取0.95。

1.3.2 模板的設(shè)計(jì)

模板設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

(1)在制品的成型過程中，保證模板的平行度精度，以保制品的外型精度。

(2)降低模板的重量。

(3)加工及工藝性。

1.3.3 模板的受力分析

合模機(jī)構(gòu)的兩塊模板，由于轉(zhuǎn)臂直壓受力在中心區(qū)域，模具受力區(qū)域較大，

通過用Pro/E造型，并用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。圖3、4、5為模板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖及其分析結(jié)果:

圖3 模板背面等效應(yīng)力等值線圖

從圖3、4可以看出:在模板背面，轉(zhuǎn)臂座與模板連接處出現(xiàn)正負(fù)應(yīng)力變化過程。在模板正面，模板中心的應(yīng)力較其它部位稍大，但總體來說，應(yīng)力分布比較均勻。

從圖5可以看出，模板變形很小，應(yīng)變數(shù)量級(jí)為微米級(jí)。

1.3.4 屈臂的設(shè)計(jì)

屈臂是該合模機(jī)構(gòu)的主要受力件之一，兩端承受開合模油缸的鎖模力及成型壓力，所以屈臂與工作平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)截面為最危險(xiǎn)截面。簡化后以中心截面為界一邊受拉應(yīng)力，一邊為壓應(yīng)力。進(jìn)行簡化應(yīng)力校核。

σ=M/W≤［σ］(1)

［σ］=σs/n(2)

式中:σ－工作截面應(yīng)力 MPa

M最大彎距 N·mm

W－抗彎截面系數(shù) mm3

［σ］－許用應(yīng)力 MPa

σs－屈服極限 MPa

n － 安全系數(shù)，一般取 1.5 ～2.5［3］［4］

2 雙層儲(chǔ)料式機(jī)頭

該儲(chǔ)料式機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于內(nèi)、外層流道要保證形成的料坯兩層的分布一定要均勻，不出現(xiàn)層厚變化，儲(chǔ)料注射在吹制制品時(shí)不能混層混色。同時(shí)塑料熔體進(jìn)入機(jī)頭流道分配、儲(chǔ)料、到塑料熔體從口模擠出，其流動(dòng)過程要符合“先進(jìn)先出”原則。

在設(shè)計(jì)時(shí)，流道采用復(fù)合式雙層包絡(luò)流道，上部流道保證料坯熔接痕對(duì)稱互補(bǔ)，提高了制品的強(qiáng)度。下部流道保證塑料熔體再次分配，分層良好分布均勻。通過流道分析軟件不斷地修正流道的深度、斷面形狀以及角度的變化、數(shù)量的多少。使熔體各層在流道內(nèi)各處的壓力分布均勻，既保證了熔體從口模流出時(shí)穩(wěn)定，又避免了因局部塑料熔體停留時(shí)間長引起的降解，影響制品強(qiáng)度。另一方面，停留時(shí)間長的熔體與停留時(shí)間短的熔體，性能有差異。停留時(shí)間長的位置，原料松弛時(shí)間長，從而影響制品厚度，影響了型坯強(qiáng)度。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使熔體在機(jī)頭內(nèi)經(jīng)過流道分配，變得更均勻，出口能具有相同的壓力降，擠出滿意的型坯，進(jìn)而生產(chǎn)出滿意制品

2.1 主要結(jié)構(gòu)及其功能

儲(chǔ)料式機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖6，主要由伺服缸、注射缸、注射推桿、儲(chǔ)料缸體、內(nèi)套及芯軸、內(nèi)外流道體、口模芯模、加熱圈、擠出機(jī)連接及檢測調(diào)整零件等組成。

圖6 雙層儲(chǔ)料式機(jī)頭結(jié)構(gòu)圖1－伺服缸2－注射缸3－注射推桿4－儲(chǔ)料缸體5－內(nèi)套6－內(nèi)外流道體7－口模及芯模

2.1.1 伺服缸

主要由缸體伺服活塞密封元件組成，在機(jī)器工作時(shí)，根據(jù)制品料坯的長度、壁厚的設(shè)定。工作節(jié)拍時(shí)間的設(shè)定，完成口芯模的關(guān)閉切斷料坯，控制料坯軸向壁厚以滿足合格制品的要求。

2.1.2 注射缸

主要由缸體注射活塞密封元件組成，由擠出機(jī)來的塑料原料通過流道體在儲(chǔ)料缸內(nèi)儲(chǔ)存，推動(dòng)注射活塞向上移動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)料量達(dá)到制品需要的設(shè)定值時(shí)，注射活塞向下移動(dòng)，使儲(chǔ)料缸里的原料通過口芯模形成合格料坯。

2.1.3 儲(chǔ)料缸體

完成塑料原料的儲(chǔ)存。

2.1.4 內(nèi)外流道體

作為儲(chǔ)料式機(jī)頭的核心部分，主要完成塑料熔體的分配，使得塑料熔體分層良好分布均勻，各處的壓力分布均勻，保證熔體從口模流出時(shí)穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)定的理想狀態(tài)。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算分析要點(diǎn)

由于儲(chǔ)料式機(jī)頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用特性，首先要考慮伺服缸、注射缸、儲(chǔ)料缸及口芯模之間的關(guān)系，給定儲(chǔ)料量確定儲(chǔ)料缸的面積及行程，選擇合適的口芯模范圍開口量，確定伺服缸的行程，根據(jù)擠出機(jī)來料壓力、內(nèi)外流道系統(tǒng)的壓力、液壓系統(tǒng)的壓力計(jì)算確定伺服缸、注射缸之間的面積關(guān)系及具體數(shù)值。其次進(jìn)行流道結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，儲(chǔ)料結(jié)束后注射時(shí)達(dá)到要求的分層壁厚比例并分布均勻不亂層、不斷層，并使系統(tǒng)內(nèi)壓力不超過20Mp，降低對(duì)主要零件的機(jī)械性能及生產(chǎn)成本要求。

2.2.1 流道的設(shè)計(jì)

根據(jù)單層流道的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及使用情況，內(nèi)外層流道采用復(fù)合式雙層包絡(luò)流道，對(duì)稱分布保證料坯熔接痕對(duì)稱互補(bǔ)，提高了制品的強(qiáng)度;下部流道保證塑料熔體再次分配，分層良好分布均勻。

圖7 內(nèi)層流道設(shè)計(jì)圖

圖8 外層流道設(shè)計(jì)圖

2.2.2 流道模型分析

流道設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)高密度聚乙烯采用專業(yè)的流動(dòng)分析軟件在多組流量、多組流道形式、多組流道尺寸進(jìn)行分析計(jì)算，得到最終的流道結(jié)構(gòu)形式及流道尺寸，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證取得滿意結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖9、10、11、12為內(nèi)層流道主要參數(shù)的分析結(jié)果。圖13、14、15、16為外層流道主要參數(shù)的分析結(jié)果。

由圖9、圖13可以看出內(nèi)外層流道出口流量的變化范圍非常小，僅小于±1%。圖10、圖15是塑料熔體通過內(nèi)外層流道時(shí)產(chǎn)生的壓力降，也就是熔體通過流道的壓力損失，內(nèi)層2.246 MPa、外層2.103 MPa。圖11、圖14是塑料熔體通過內(nèi)外層流道時(shí)具體數(shù)量值，內(nèi)層為0.723cm3/s、外層為0.722cm3/s。圖12、圖16是塑料熔體通過內(nèi)外層流道時(shí)的滯留時(shí)間，即通過流道需要的時(shí)間，內(nèi)層為27.07s、外層33.52s。分析計(jì)算的結(jié)果顯示流道各參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，通過了實(shí)際的生產(chǎn)驗(yàn)證。

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 SCJC30×2雙層雙工位中空機(jī)通過試驗(yàn)生產(chǎn)及在多家制品生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)，可靠性、生產(chǎn)效率得到驗(yàn)證。屈臂平移式合模機(jī)構(gòu)已經(jīng)在SCJ30×2及SCJ30×2A兩種機(jī)型上大量應(yīng)用，具有剛性好、運(yùn)動(dòng)精度高、重復(fù)精度高、運(yùn)動(dòng)輕快的優(yōu)點(diǎn)，把機(jī)床制造技術(shù)運(yùn)用于中空吹塑成型機(jī)的制造技術(shù)中來。并且通過對(duì)合模機(jī)構(gòu)上力臂及力矩的合理分配，使機(jī)構(gòu)本身的受力更加合理。由于該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡便，占用空間小，最適用于雙工位的生產(chǎn)，在制品成型的生產(chǎn)過程中節(jié)約大量成型冷卻時(shí)間，使中空機(jī)的生產(chǎn)效率提高兩倍，解決了生產(chǎn)效率低下的問題。在生產(chǎn)過程中用戶根據(jù)市場的需求，可以同時(shí)生產(chǎn)不同規(guī)格、不同形狀、不同重量的制品，解決過去中空機(jī)同時(shí)只能生產(chǎn)一種規(guī)格的制品的問題。

3.2 雙層儲(chǔ)料機(jī)頭在該機(jī)型應(yīng)用時(shí)，根據(jù)所生產(chǎn)塑料制品的功能要求，內(nèi)層采用功能原料以便于適應(yīng)內(nèi)裝物，而外層可以采用一般的普通原料或者再生原料作為基礎(chǔ)層滿足塑料制品要求。按最普通內(nèi)外層厚比例1:1，可以節(jié)省50%的功能原料。如果在現(xiàn)有層厚調(diào)整范圍內(nèi)加以精確調(diào)整，則會(huì)獲得更高制品性能。如果所生產(chǎn)塑料制品沒有功能要求時(shí)，內(nèi)層可以采用新原料，而外層可以采用再生原料或者回料，節(jié)省50%新原料，可以大幅降低制品的原料成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

總之，SCJC30×2雙層雙工位中空機(jī)的成功開發(fā)和及時(shí)順利的投放市場，提高了我公司中空機(jī)的技術(shù)水平，具有很好的市場前景與經(jīng)濟(jì)效益。

［1］張友根.我國塑料中空成型機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.塑料機(jī)械，2004，(2)，1 ～6.

［2］北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

［3］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2001.6.