塑料注射成型机的现状及发展

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塑料注射成型机的现状及发展

1、概述

    1.1塑料注射成型机用途

    塑料注射成型机是将热塑性塑料（PE、PS、PP、PVC、PA、ABS等）在料筒内经外加热和螺杆旋转剪切热作用塑化后，以一定的注射压力注入具有冷却装置的模具内，快速冷却后获得各类塑料制品的专用加工设备。它从加工日用塑料制品（脸盆、杯子、肥皂盒等）开始，逐步进入加工工业用品（电视机壳、洗衣机筒体、周转箱、电话机壳等），目前开始加工物运托盘、环保垃圾箱、汽车保险杠、汽车面板等大型塑料制品。随着制品质量的提高和制品的大型化，推动了注射成型机向高档次、大规格方向发展。
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    1.2塑料注射成型机构成
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2 K) P& X9 \+ h: {# j9 k( X9 Q    塑料注射成型机主要由注射、合模、机身、液压、电器、冷却、润滑等部件组成。

    注射部件其主要作用是将塑料均匀地塑化，并以足够的压力和速度将一定量的熔体注射到模具的型腔之中。合模部件其作用实现模具的启闭，在注射时保证成型模具可靠地合紧，以及脱出制品。液压和电气其作用保证注射成型机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间）和动作程序准确有效地工作。冷却和润滑是保证机器正常运转和取得合格制品必不可少的部分。

    2、国内外塑料注射成型机的主要差距

    上个世纪80年代初期通过引进技术，加强与国外合作和交流，使国内塑料注射成型机的总体水平有了较大提高，缩短了差距。但从近几年的国际橡胶塑料机械展览会展出的塑料注射成型机结构和性能指标看，两者间的差距如今又拉大了。
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    2.1结构上的差距

    2.1.1模板的型式

/ u$ r1 b8 S8 r( ^  J( x7 y% I1 {: |    目前国外内翻正后角机械合模塑料注射成型机使用最为普遍。该类机型前模板（头板）和动模板（二板）受力较为恶劣，因而提高其强度，特别是刚度十分必要。在此前提下，出现了以球面内空式模板和箱式结构的动模板，在其总重量不增加的情况下增加模板空间厚度，使其惯性矩获得3次方的增加，挠度值明显下降，刚性上升，塑料制品的质量得到进一步的保证；另外后模板与撑板铸成一体，提高了装配精度。国内不少制造厂（公司）正按此方案作改进，但必须配以相应的加工设备。
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4 O, h( n  J& ]5 c0 ]    2.1.2缩短管路长度减少压力损失
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' b% s% U# ~. S3 x3 a. ^    为了减少管路压力损失，国外机普遍将阀板直接安装在相应的传动部件上。如合模阀板安装在合模油缸上；注射阀板安装在注射座上，缩短了管路，减少了液压损失。从国内大型机检测情况看，液压损失还是比较大的，如某规格大型机，按系统泵的理论流量计算其转速为70r/min，通过检测空转时预塑转速为49r/min，加料后预塑转速为39r/min，从中可以看出系统液压损失还是比较大的。
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; S1 x  a& p& w    2.1.3 合理地加长导向部分长度
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4 s6 B3 S) `( h  M    合理地加长导向部分的长度，可以改善受力情况，提高整机精度，保证制品的质量。国外机动模板的导向部分（含导套、导板）普遍比较长。长的导套使模板受力产生的挠度明显下降，其制品在厚度方向上的精度获得提高。

& B8 U5 _& _6 f, `8 e! L1 ]    2.2配套件上的差距
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1 I+ t, a' ]  `6 d# S- C  [. I    2.2.1国外机普遍配有机械手
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    适应自动化、省力化、一模多腔和保证制品质量的需要，国外机在10年前已开始配置机械手，到目前已极为普遍。但国内由于精密制品比较少，复合制品基本没有（如模内贴标），因而配置机械手的很少，反映了国内整体要求相比较低，对制品的质量要求还未提高到相应水平。
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  y" I+ X; I! ~4 X/ @1 f: b    2.2.2国外机普遍使用变量泵
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" o) b* O, W3 v6 w) Q    为了节能国内塑料注射成型机经历了从单泵向双泵再向比例控制这一节能较果不断提升的过程。前段时间不少单位研究变频控制以减少损失，但效果并不理想。而国外普遍采用变量泵，其节能较果好，产品又成熟。目前国内采用变量泵逐渐增多，这是发展的必然趋势。
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% u  G/ j8 ?% }) N/ g- \) S9 B    2.2.3高质量的电脑控制
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    注射成型机的控制从五十年代的接触器到今天的电脑控制，其发展速度应 该说是比较快的，尽管如此，国内自己开发研制的塑料注射成型机专用电脑，在可靠性、稳定性、响应灵敏度和抗干扰能力方面与国外著名公司还有一定差距。目前国内常用电脑有弘讯、盟立、珊星等。
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    2.3主要性能指标的差距
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    2.3.1国外机注射速度在不断提高

    国内塑料注射成型机的注射速度通常80mm/sec，大型机在65~70mm/sec。而国外机注射速度普遍大于100mm/sec，最高可达450mm/sec。

; a4 I0 I. N6 P    2.3.2国外机塑化能力在不断提高
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/ X0 J6 U! b4 `8 W6 T8 n- ~2 P    国内机塑化能力与国外机相比普遍显得低，如锁模力为1000KN的注射成型机，其塑化能力通常不超过16g/sec，而国外机相同合模力其塑化能力在28g/sec以上，且随预塑马达转速提升和螺杆长径比和螺槽深度的改变，其塑化能力还在不断提升。

, s/ Z. }! i+ P# R9 E2 D5 s    2.3.3启闭模速度明显提高
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! [' |' _) R. ^9 X  `    国内机过去的启闭模度普遍在24m/min，而国外机普遍已达到50m/min，最高可达100m/min。
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    2.3.4其它性能指标也有不少提高

    除了上述的指标有明显提高外，国外机的螺杆转速高（比国内机普遍高25%），开模行程大、拉杆间距长（比国内机高15%左右），模板移动速度快（从过去20~30m/min提高到50~60m/min）。
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    3、塑料注射成型机的发展

- W( K$ t) s( T, F, f    3.1二板机的开发

    上个世纪60年代，国外某些公司着手于二板机的研究，到80年代国外已有多家公司的二板机在生产中获得了应用。到90年代，国际性的展览会上，大型二板机全面亮相。国内大型塑料制品专业生产厂先后从奥地利、意大利、日本、德国引进了大规格的二板机。
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2 j" m8 F; z$ `    国内第一台二板机在1994年的北京国际橡塑机展览会上展出，但存在稳定性不佳等问题，未能获得推广，经过多年努力，国内已多家公司推出二板机，使用情况还可以。
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' p% t" D9 D+ v4 A# T    3.2二板机的特点

& F; U" ]9 o1 M    1）占地面积小，重量轻
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9 B/ c: ]5 J& c" g    汇总了国内外多家公司的二板机，其主机的长度约减少20%（与相同规格三板机相比），重量减轻10~20%。

    2）开模行程长

7 k7 b- Y  Y- D, Y    由于开模行程长，特别适合型腔大、型腔深的塑料制品。从国产二板机与肘杆式三板机相比（相同规格），其开模行程增加20%左右，若以国外二板机与国产同规格三板机相比，其开模行程增幅普遍在30%以上，有的甚至达到50%。
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    3）调模速度快，循环时间短，生产效率高，节能较果明显。如国内某公司的二板机（与同规格三板机相比）速度快20%，节能达15%。
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2 x. n2 R4 n( [* W  p    4）用拉杆油缸进行增压锁模的二板机，由于油缸受力均匀，力线短（可缩短40%），拉杆不易折断，寿命长。但密封防漏很关键。
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% y. R* V$ L- |) K7 X    5）由于起压行程短，不易磨损，所以锁模油缸油封寿命长。
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    除此之外不同公司在个性方面还有一些特色：如国内某公司的合模部件是开放式的，对模具的吊装十分方便；相反有些公司为封闭式的，虽然模具更控显得麻烦，但稳定性比较好；又如某公司合模系统采用全液复合油缸结构，其合模精度好，但缸的制造比较麻烦些；在液压系统方面为了节能，有的公司采用多泵智能组合，也有采用蓄能器，能获得高的注射速率，同时节省了能耗；在螺杆品质方面，国外公司除提高硬化层深度（~15mm）外，不少公司还采用双金属螺杆。

% Y% }* v& Y& p7 i    相比之下，我们的差距还是比较大的。对有条件的大型塑料注射成型机制造厂（公司），应投入一定的力量从事研究、开发工作，尽快地向市场投放高质量、高性能、高可靠性的二板机，以满足型大、型深制品加工和求得客户和市场的认可。

    2005年宁波海天集团股份有限公司成功地开发了HTK2000L合模力为20000KN的拥有自主知识产权、符合中国国情的二板式注射成型机，各项性能指标均比较理想，并获得了用户认可。在研发过程中解决了抱合螺母抱合的准确和可靠性；二板运动的导向可靠性；油缸结构及密封的可靠性；大型铸件油缸的可行性、可靠性等一系列关键性技术。其市场前景相当乐观。

    3.2全电动精密机的开发

/ R; [7 m+ U2 h  y( Z    全电动精密机的开始于上个世纪的80年代末期，由于它具有如下一些特点：
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3 b. i# f$ l6 k    1）符合节能、环保，最佳状态节能可达60%；
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    2）高性能锁模结构保证制品精密、稳定、可靠；

2 B( M+ B1 w$ q8 m9 i% L    3）通过工艺的有效叠加，实现无时间隔的高循环成型，如制品模内贴标；
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    4）性能指标远比普遍注射成型机高，以螺杆为Ф70的注射成型机为例：
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    普遍型 全电动

! O( W2 g( j: `7 C; ?    注射速度 80mm/sec 160mm/sec

    注射速率 61cm3/sec 350cm3/sec

- R/ s: X1 z' p  z% J: ~0 K    塑化能力 60g/sec 73g/sec

   
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    因而发展比较快，特别是日本，小型机多半是全电动的。由于伺服马达成本比较高，传动丝杆加工有一定难度，在国内该类产品的开发还刚刚起步，获得市场认可还需一个过程。

    3.3经济型机种的开发
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& O7 E! D. K" N    前面介绍了全电动注射成型机具有节能、环保、精密等特点，但价格偏高。而从实际出发，提高塑化能力和注射速率，有利于制品产量的提高和质量的保证。为了达到这一目标，可以用伺服马达预塑，从而提高其塑化能力；用蓄能器增速注射，从而提高其注射速率，这种整机成本略有上升，但性能指标明显提高，工艺范围扩大，制品成本下降，是适合国情的高性能经济型机种，开发容易，前景乐观。

# p% y# K- H3 Z- V% B0 }    4、重点关注的技术问题
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    从六十年代开始，塑料注射成型机关注的重点在较长一段时间里是液压控制系统和电气控制系统。近几年重点转移到主机上来了。通过几年努力，合模机构基本上已规范化（北化杨兆福老师的专利）。随着整个塑料工业（包括泵料、制品、设备）的发展，又有一些共性的问题有待解决。
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    4.1模板结构合理化

" v; L, e0 e, _: }8 O4 k, _    早期的模板设计，大多用类比的办法，由于当初制品相对比较简单（以日用塑料制品为主），在制品尺寸、重量达到要求的情况下，所需合模力相对偏小，因而模板断裂的情况基本没有。但随着制品质量的提高，薄壁复杂制品的增多，且多年又处于满负荷状态，因而时有模板（指前模板和动模板）断裂的情况。为此对模板作了加强，同时按推荐的公式进行估算，但不够理想。当前利用有限元方法来计算是比较合理，且最终确定的尺寸、结构型式和模板的重量均比较理想。但方法比较复杂，对不同模板按不同边界条件，感到麻烦，为此能否找出其共性的地方，采用一种相对比较简捷、通用、比较规范化的办法以求得其合理的形状和相关尺寸，眼下北京化工大学正着手这方面的研究工作，这也是当前急需解决的共性技术问题。

( B3 d$ K! ]/ @    4.2螺杆的结构型式
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    过去我们使用通用型的螺杆（其分段长度按：加料段占总长的45~50%，压缩段占总长的35~20%，均化段占总长的20~30%）比较多。但随着塑料品种的增加和改性料的不断出现，用传统的螺杆加工往往会出现塑化没有到位，充填不满，制品性能达不到要求。因而视塑料的性能不同，出现了不同型式的螺杆。如在通用螺杆上加屏障，加混炼头，也有在渐变型螺杆（其加料段占全长25~30%，压缩段占全长的50%，均化段占全长的25~30%）、突变型螺杆（其加料段占全长65~70%，压缩段占全长15~5%，均化段占全长20~25%）中加屏障和混炼头。如PA、PET料用的螺杆通常用突变型螺杆再加一个混炼头。又如PVC普通塑料制品常用渐变型螺杆（带回泄型螺杆头）就可以了，若对制品要求高，如接头之类则另加屏障段和混炼头，保证塑化质量。为此根据不同性能塑料提供一套较为完整的、相互匹配的螺杆系列，无论对设备制造厂和用户厂均十分重要。目前浙江大学、北京化工大学等相关部门正着手做这方面的工作，由于它涉及到螺杆结构、塑料原料、工艺参数，因而工作量很大。解决这一问题比较现实的办法是调查统计与研究试验相结合。建议对口专业的高等院校与相关厂（公司）结合起来，把它列入一定级别的攻关项目，一旦研究获得成功，并达到工业化，它必将对塑料注射成型机、塑料制品行业的发展是个巨大的推动。