摘要：文章介紹了高速薄壁注塑在一次性餐盒成型中的應(yīng)用，分析了聚丙烯高速薄壁專(zhuān)用注塑機(jī)的性能要求，在此基礎(chǔ)上研究了注塑機(jī)的注射、合模、液壓和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次性聚丙烯餐盒的高速薄壁注塑，并在企業(yè)中成功應(yīng)用。
引言
一次性餐盒在餐飲行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但由于制品缺陷、質(zhì)量不可靠、無(wú)法有效降解、白色污染等問(wèn)題，發(fā)泡和吸塑成型的一次性餐盒，逐步被市場(chǎng)淘汰［1］。采用注塑成型的餐盒逐漸成為同類(lèi)市場(chǎng)的主力產(chǎn)品，注塑成型的餐盒采用食品級(jí)透明聚丙烯，具有極好的機(jī)械性能和耐熱性能，制品能在100℃以上溫度進(jìn)行消毒滅菌，在不受外力的條件下，150℃也不變形，脆化溫度為-35℃，能用微波爐進(jìn)行加熱，特別適合加熱飯菜的包裝應(yīng)用，為此注塑餐盒得到了廣泛應(yīng)用［2］。
一次性塑料餐盒產(chǎn)量特大，要求薄壁，一般為0.4~0.5mm，以降低單個(gè)餐盒成本，高效率生產(chǎn)要求注塑機(jī)采用機(jī)械手全自動(dòng)工作模式，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短［3］。薄壁模具在通用注塑機(jī)上生產(chǎn)，產(chǎn)品無(wú)法成型，注塑周期長(zhǎng)，采用德國(guó)、日本等進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高，高速薄壁專(zhuān)用注塑機(jī)國(guó)內(nèi)也有企業(yè)在研制，但產(chǎn)品成型率低，注射周期較長(zhǎng)效率不高，機(jī)器高速生產(chǎn)時(shí)工作不穩(wěn)定，為此研究針對(duì)聚丙烯的高速薄壁專(zhuān)用注塑機(jī)對(duì)該產(chǎn)品的注塑技術(shù)發(fā)展具有重要意義。
聚丙烯產(chǎn)品的薄壁注塑的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中時(shí)有報(bào)道，主要關(guān)注從薄壁注塑的原材料、薄壁注塑的模具結(jié)構(gòu)等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)薄壁注塑成品率的提升。
朱海旭等［4］以聚丙烯塑料餐盒蓋為研究對(duì)象，對(duì)薄壁扁平結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品成型過(guò)程展開(kāi)分析，通過(guò)Moldflow軟件對(duì)澆口位置、模具的排氣冷卻方案等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)前提下的效率提升與成本降低。曾輝等［5］就薄壁塑件產(chǎn)品表面縮水問(wèn)題進(jìn)行了分析，探討了模具與原料對(duì)產(chǎn)品縮水的影響，最終作者認(rèn)為，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程是導(dǎo)致產(chǎn)品縮水的關(guān)鍵原因，其中模具結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用。孫健華等［6］基于CAE與DOE技術(shù)對(duì)薄壁塑件的質(zhì)量控制方法進(jìn)行了分析，特別關(guān)注了薄壁塑件翹曲變形問(wèn)題，研究了熔體溫度、模具溫度、保壓壓力與保壓時(shí)間等對(duì)翹曲變形的影響，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化，縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
張楊［7］采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法分析注射速度、模具溫度與熔體溫度對(duì)不同厚度的六翅片薄壁微注塑制品的充填過(guò)程、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及納米壓痕力學(xué)性能的影響。薄壁微注塑制品充填過(guò)程的流動(dòng)分析采用UG和MOLDFLOW對(duì)1.0mm，0.5mm與0.2mm3種厚度六翅片微注塑制品進(jìn)行3D實(shí)體建模，并分析各個(gè)工藝參數(shù)充填過(guò)程的影響規(guī)律。結(jié)果表明：微制品充填過(guò)程中型腔內(nèi)熔體的流動(dòng)由于分流道效應(yīng)存在流動(dòng)不平衡的現(xiàn)象。注射速度對(duì)微制品注塑成型過(guò)程的熔體速度、剪切速率的影響比較大，而熔體溫度與模具溫度的影響較小。速度在型腔的中面最大靠近模壁最小，而剪切速率在型腔的模壁處最大中面最??；隨著注射速度增大,剪切速率越來(lái)越大。
成晨［8］應(yīng)用DOE實(shí)驗(yàn)方法對(duì)影響電鉆外殼注塑成型質(zhì)量的因素進(jìn)行研究。余蔚荔［9］對(duì)薄壁塑料制品注塑成型技術(shù)及其亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行分析,提出采用基于Moldflow軟件的薄壁注塑制品成型技術(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，并引入計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）模擬成型過(guò)程。采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)注射壓力、注射速度、熔料溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，在注射壓力143MPa、注射速度13cm3/s、熔料溫度272℃的條件下，獲得最小凹縮值和翹曲變形值，分別為4.324%，0.1546mm。
石則滿［10］通過(guò)對(duì)薄壁產(chǎn)品特點(diǎn)的分析，找出生產(chǎn)薄壁產(chǎn)品的設(shè)備應(yīng)該具有的性能特點(diǎn)，再通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這種分析的科學(xué)性及有效性，指出生產(chǎn)薄壁注塑產(chǎn)品需要采用高速高壓注塑機(jī)才能實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。
同時(shí)，北海煉化與中國(guó)石化的聚丙烯產(chǎn)品取代國(guó)外進(jìn)口材料，進(jìn)入聚丙烯注塑飯盒生產(chǎn)領(lǐng)域，也被廣泛報(bào)道。從材料的角度給出了薄壁注塑一次性飯盒生產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素：原材料問(wèn)題已得到有效解決。
綜上所述，原材料與模具結(jié)構(gòu)等都得到了合理、可靠的解決，但在薄壁注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)裝備上，并未得到充分的分析探討與研究。本文將從高速注塑機(jī)的設(shè)計(jì)與方案實(shí)現(xiàn)的角度，為聚丙烯薄壁注塑生產(chǎn)一次性餐盒提供有效的裝備方案支撐。
1聚丙烯高速薄壁專(zhuān)用注塑機(jī)性能要求
注塑機(jī)要實(shí)現(xiàn)聚丙烯高速薄壁注塑，需滿足以下要求：（1）薄壁注塑。注射速度要高，液壓系統(tǒng)回油要快。（2）高速注塑機(jī)。縮短注塑成型周期，縮短注射部件的注射時(shí)間和預(yù)塑時(shí)間，縮短合模部件的開(kāi)合模時(shí)間和頂出時(shí)間。（3）提高高速注塑機(jī)的注射壓力。合模力增加，注塑機(jī)的剛性要好，在保證高速運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工作平穩(wěn)可靠。（4）注塑機(jī)高速運(yùn)行時(shí)磨損加劇，要提高機(jī)器耐用度，改進(jìn)油箱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定。此次設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)如表1所示。
表1 技術(shù)參數(shù)
2高速薄壁注塑機(jī)的設(shè)計(jì)
2.1優(yōu)化注射部件結(jié)構(gòu)，提高塑化能力和注射速度
熔體填充模腔時(shí)，遇冷的模壁形成固化層，流動(dòng)通道變窄，在薄壁注塑時(shí)，模壁小于0.5mm，流動(dòng)通道因固化層消失形成短射，因此要求注塑機(jī)高速注射，在固化層不太厚時(shí)填滿模腔。通用注塑機(jī)的注射速度在100mm/s左右，不能應(yīng)對(duì)薄壁注塑，應(yīng)增加油泵功率提高注射速度或采用雙泵注射進(jìn)一步提高速度，由于薄壁件的注射量不大，也可設(shè)計(jì)小直徑螺桿和小直徑注射油缸，使注射速度提高到300mm/s及以上。
要實(shí)現(xiàn)塑化均勻和高的塑化能力，最重要的是螺桿結(jié)構(gòu)，選擇專(zhuān)用聚丙烯螺桿以提高其剪切力得到高的熔融速度，具有低溫塑化能力，得到高的混煉溫度，在低背壓情況下提高螺桿塑化能力，實(shí)現(xiàn)塑化均勻。塑化能力與螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿均化段螺紋深度、螺桿直徑有關(guān)，在螺桿直徑確定情況下，螺桿均化段螺紋深度變化不大，此時(shí)應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速較高的預(yù)塑液壓馬達(dá)以提高塑化能力。設(shè)計(jì)專(zhuān)用加長(zhǎng)噴嘴、螺桿頭和爪型止逆環(huán)，實(shí)現(xiàn)啟閉靈活，升壓快，注射時(shí)熔料回泄量降至最低，止逆環(huán)區(qū)域內(nèi)發(fā)熱量保持最低，提高注射部件使用壽命。
2.2適當(dāng)提高系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)多級(jí)注射控制
小直徑螺桿和小直徑注射油缸可以提高注射壓力。為提高制品質(zhì)量，改善注塑缺陷，適合薄壁制品的長(zhǎng)流程，在注射過(guò)程中，設(shè)計(jì)多級(jí)注射控制，當(dāng)螺桿向模腔內(nèi)推進(jìn)熔體時(shí)，在不同位置的注射壓力和注射速率均可控。塑化熱能主要來(lái)自料筒加熱和螺桿剪切，料筒加熱圈采用陶瓷絕緣材料，實(shí)現(xiàn)熔融物料溫度波動(dòng)小，料筒溫度分布合理并控制準(zhǔn)確，陶瓷加熱圈如圖1所示。射臺(tái)采用線性導(dǎo)軌導(dǎo)向，底座采用橋式焊接結(jié)構(gòu)，高速注射時(shí)工作平穩(wěn)（見(jiàn)圖1）。
圖1 陶瓷料筒加熱圈
2.3優(yōu)化合模機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)工作的可靠性
注射壓力提高后，模腔壓力增加，模板反彈力大，所需的合模力大，液壓直壓合模機(jī)構(gòu)比曲肘連桿合模機(jī)構(gòu)的模板變形要小，但考慮臥式注塑機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，仍采用曲肘連桿合模機(jī)構(gòu)，此時(shí)要求模板有較好的剛性，減少模板變形，合模力分布均勻，合模平行度好，實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉高速。在設(shè)計(jì)模板和拉桿時(shí)應(yīng)選擇剛性好的材料，通過(guò)布置加強(qiáng)筋，適當(dāng)增加模板厚度，采用緊湊型的頂出和注射油缸，以減小模板中心孔位的變形，實(shí)現(xiàn)模板的高剛性，使模具在高壓鎖緊時(shí)產(chǎn)生的變形小，提高制品精度。采用比普通注塑機(jī)更高的機(jī)械加工精度和選擇合理的熱處理，在摩擦副間加裝石墨銅套，在機(jī)器高速開(kāi)合模時(shí)，減少摩擦系數(shù)，提高耐磨性，延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命。通過(guò)軟件對(duì)合模部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確定最佳的響應(yīng)。餐盒產(chǎn)品高度不高，縮短合模部件的開(kāi)模行程，縮短開(kāi)合模時(shí)間，縮短頂出距離，減少頂出時(shí)間，以提高注塑機(jī)效率。
2.4優(yōu)化的液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速注射
注射速度快，傳統(tǒng)的注射油缸來(lái)不及回油，重新設(shè)計(jì)液壓缸結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加后活塞桿實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的快速回油；采用雙注射油缸，使注射動(dòng)作更加平衡；采用雙動(dòng)力液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)塑、開(kāi)模的復(fù)合動(dòng)作，以提高其效率，又可合并動(dòng)力，注射速度大幅度提高，注射部件示意圖如圖2所示。液壓系統(tǒng)油路采用硬管提高油路的剛性，采用伺服控制，使系統(tǒng)的輸出量（如位移、速度和力等）能自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大，實(shí)現(xiàn)高速控制，同時(shí)能節(jié)能?？紤]到薄壁制品生產(chǎn)周期短，開(kāi)合模頻率高，注塑機(jī)為連續(xù)工作，液壓油溫度會(huì)升高，選用大油箱，進(jìn)行熱平衡設(shè)計(jì)，選擇與之匹配的冷卻系統(tǒng)，必要時(shí)考慮溫度控制和報(bào)警功能，提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1-雙出桿防護(hù)罩； 2-雙出桿活塞桿； 3-防塵圈壓蓋； 4-注射前缸蓋； 5-注射活塞； 6-注射油缸； 7-彈簧擋圈； 8-密封圈； 9-注射后缸蓋； 10-注射活塞桿螺母； 11-注射活塞桿壓板； 12-導(dǎo)桿支座； 13-導(dǎo)桿； 14-注射防護(hù)罩； 15-預(yù)塑馬達(dá)； 16-射臺(tái)后板； 17-防塵圈； 18-銅套； 19-射臺(tái)前板； 20-D-A-S 活塞封； 21-銅套； 22-密封圈； 23-防塵圈； 24-螺桿料筒組件； 25-前模板
圖2 注射部件示意
2.5優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和友好用戶界面
通過(guò)改變PLC控制為計(jì)算機(jī)控制，提高其高速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)工作模式，通過(guò)輸入變量實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)注塑參數(shù)和溫度的過(guò)程控制。采用計(jì)算機(jī)控制后存儲(chǔ)量增大，還可以把常用物料的工藝參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)常用塑料注塑工藝推薦值；實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)通過(guò)網(wǎng)路同時(shí)控制多臺(tái)注塑機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。采用觸摸屏操作，實(shí)現(xiàn)用戶界面友好。
3 結(jié)語(yǔ)
本文以研究聚丙烯高速薄壁成型為應(yīng)用背景，以注塑機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種針對(duì)傳統(tǒng)注塑機(jī)在不使用儲(chǔ)能器的情況下實(shí)現(xiàn)高速薄壁成型的研究。通過(guò)優(yōu)化注塑機(jī)的注射、合模、液壓和控制系統(tǒng)，可以大大提高注塑機(jī)的塑化能力，提高注射速度和壓力，提高回油能力，實(shí)現(xiàn)高速注射，優(yōu)化注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高機(jī)器可靠性，實(shí)現(xiàn)聚丙烯薄壁餐盒的高速生產(chǎn)，突破塑料薄壁成型和高速機(jī)壽命短可靠性低的技術(shù)瓶頸。
當(dāng)然要得到高質(zhì)量的薄壁制品，必須綜合考慮模具、注塑機(jī)以及成型工藝的因素，以改善制品短射、翹曲變形和熔接線等缺陷。采用高速薄壁注塑機(jī)注塑CO-PP一次性250mL餐盒，實(shí)現(xiàn)注塑周期3.8s，制品壁厚0.45mm。
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