SCJC30×2双层双工位中空成型机的设计与应用

梁宽强 白春杰

(陕西秦川机械发展股份有限公司)

前言

随着石油、化学、医药、食品工业的发展，塑料中空包装制品的应用越来越广泛。与之相应地，各种型号规格功能的塑料挤出吹塑中空成型机(简称中空机)也不断增多。研发各类型中空机，首先需解决的问题是:如何节约能源降低成本与整机占地空间、提高生产效率、降低整机重量、提高加工性能等。SCJC30×2中空机是秦川机械发展股份有限公司(简称秦川发展)开发研制出的一种新型双层双工位中空机，其具有低能耗占地空间小、效率高、性能稳定等优点。

合模机构、储料机头是中空机关键的两个部分，下面就针对该两部分做相应的分析介绍。

1 合模机构

合模机构应具有精度高、速度快、装卸模具方便、占用空间小等特点。早期的合模装置大都采用四板液压直动式，能耗较大，结构复杂，后来发展为现在使用较广泛的四拉杆三板联动式［1］。在过去的十年内，各公司投放市场的中空机的合模装置，其外部的形状变化较大，也有采用三拉杆的，但实质都可以归入三板联动式结构。早期的三板联动式合模装置的主要缺点是必须带有3～4根拉杆。模板的受力不均匀，易涨模。使装夹模具的空间受到一定的限制，装置本身结构比较庞大，使机械手的操作空间受到约束。近年来大型中空机的合模机构逐步趋向于采用两板销锁式机构，这种两板式合模装置的合模力是由两对或三对(4或6个)位置可调、位于模板两侧的锁模缸来实现，但对锁模缸的装配位置及精度要求高、导致制造成本上升。

屈臂平移式合模机构(专利号:2005 200788849)由秦川发展研制开发出并已成功的应用于SCJ30×2中空机。合模机构与通常塑料成型机上应用的三模板、三拉杆合模机构相比较，具有结构简单、紧凑，便于调整、装夹模具方便、节省空间，模板受力均匀、效率高，适应多种规格制品生产等特点，同时节约生产制造成本。

1.1 主要结构及其功能

合模机构的结构如图1，主要由模板、转臂、屈臂、平移直线导轨、工作平台、开合模油缸、机架、同步机构等组成。

图1 屈臂平移式合模机构结构图1－模板2－转臂3－屈臂4－直线导轨5－工作平台6－开合模油缸7－机架8－模板9－开模位置10－同步机构

1.1 .1 模板

两模板通过其底座用螺栓与直线导轨的移动滑块相连接，用于承载不同型腔的中空模具。模板的材质采用QT500铸件，时效处理。与以往的钢件焊接结构的模板比较，避免原材料的特殊订货，避免焊接时出现焊接应力的残存及焊接裂纹的出现，保证质量，并大量减少机加工余量，节约生产成本。在额定的锁模力下，其变形量小，两模板的平行度小于0.4mm。

1.1.2 转臂、屈臂

两组受力件，转臂的前端与两块模板相连接，下部与开、合模油缸相连接，使其有充分的自由度，并合理的分配力矩，用以保证在最大及最小开合模范围内根据不同的模具厚度来完成相应的动作。

1.1.3 工作平台、机架

工作平台是该合模机构主要的受力零件，是模板运动的台面。机架是该合模机构的工作基础。

1.1.4 开、合模油缸

油缸的两端分别与屈臂采用转轴连接。在开模时，仅需克服摩擦力，通过控制液压系统使油缸带动模板完成快、慢开模的动作。在合模时，首先完成快、慢合模的动作，并通过液压系统额定压力的控制达到设计的最大锁模力，完成中空制品的成型过程。其次，对油缸活塞杆的行程进行控制，适应规定范围之内不同厚度的成型模具。

1.1.5 同步机构

两根齿条与齿轮上下啮合，通过连接块分别与两模板连接，组成一体。在开、合模油缸动作时，保证两模板在直线导轨上运行同进、同退，同步误差为齿条与齿轮的啮合间隙。

1.2 工作原理及应用

1.2.1 工作原理

该合模机构是典型的两模板合模机构，利用对开、合模油缸6的作用及控制在油缸的驱动下，通过屈臂3、转臂2的运动，首先保证模板1、模板8在工作平台5及平移导轨4上作水平移动。辅助以同步机构10，完成模板在水平方向上同时开、合模的精确动作。其次，到达锁模位置时，开、合模油缸后腔通入高压油锁紧模具，通过屈臂3上力矩的合理分配，对转臂2上作用力的分解，根据高压油的额定压力，使该机构在塑料制品成型时最大额定锁模力达到150kN(15吨)，最大制品容积30L(30升)。锁模时，利用转臂2的结构点分解模具的重量，使成型机的工作平台上平移导轨4所受垂直分力大为减小。并且通过调整开、合模油缸6活塞杆的移动距离，调整模板上模具在水平、竖直两个方向的安装距离，使该合模机构完成规定范围内不同规格塑料制品的成型过程，生产不同规格的塑料制品。开模时，油缸后腔压力油压力释放，油缸的前腔进油，转臂、屈臂反方向移动，带动模板模具移动，打开模具，到达开模设定位置，取出制品完成动作。然后进入下一个锁模、开模的动作循环。

1.2.2 合模机构的应用

该合模机构在SCJC30×2双层双工位中空机上的应用如图2，双工位生产时，两组合模机构在机架的直线导轨上通过移动油缸的驱动交替工作，在制品成型的生产过程中节约大量成型冷却吹气时间，使该机的生产效率提高二倍，解决了生产效率低下的问题。生产过程中用户根据市场的需求，可以同时生产不同规格、不同形状、不同重量的制品，解决过去中空机同时只能生产一种规格制品的问题。所以该合模机构的使用提高了中空机的技术水平，具有很好的市场前景与经济效益。

图2 SCJC30×2双工位中空机成型机

1.3 设计计算要点

从设计的安全性可靠性原则出发，重点探讨该合模机构的主要技术参数、主要零件的设计及计算。

1.3.1 锁模力Pn

Pc=P1×Saη1(1)

Pn=Ac×Pη2×η3(2)

Pc=Pn(3)

式中:Pc:最大合模力N;

P1:高压吹气时系统工作压力Pa;

Sa:最大模具纵向截面积m2;

η:气压系统工作效率，一般取0.96;

Ac:高压锁模腔活塞受压面积m2;

P:液压系统额定工作压力Pa;

η2:液压系统工作效率，一般取0.96;

η3:机械工作效率，一般取0.95。

1.3.2 模板的设计

模板设计的要点

(1)在制品的成型过程中，保证模板的平行度精度，以保制品的外型精度。

(2)降低模板的重量。

(3)加工及工艺性。

1.3.3 模板的受力分析

合模机构的两块模板，由于转臂直压受力在中心区域，模具受力区域较大，

通过用Pro/E造型，并用ANSYS软件进行有限元分析。图3、4、5为模板设计结构简图及其分析结果:

图3 模板背面等效应力等值线图

从图3、4可以看出:在模板背面，转臂座与模板连接处出现正负应力变化过程。在模板正面，模板中心的应力较其它部位稍大，但总体来说，应力分布比较均匀。

从图5可以看出，模板变形很小，应变数量级为微米级。

1.3.4 屈臂的设计

屈臂是该合模机构的主要受力件之一，两端承受开合模油缸的锁模力及成型压力，所以屈臂与工作平台转动截面为最危险截面。简化后以中心截面为界一边受拉应力，一边为压应力。进行简化应力校核。

σ=M/W≤［σ］(1)

［σ］=σs/n(2)

式中:σ－工作截面应力 MPa

M最大弯距 N·mm

W－抗弯截面系数 mm3

［σ］－许用应力 MPa

σs－屈服极限 MPa

n － 安全系数，一般取 1.5 ～2.5［3］［4］

2 双层储料式机头

该储料式机头结构设计的难点在于内、外层流道要保证形成的料坯两层的分布一定要均匀，不出现层厚变化，储料注射在吹制制品时不能混层混色。同时塑料熔体进入机头流道分配、储料、到塑料熔体从口模挤出，其流动过程要符合“先进先出”原则。

在设计时，流道采用复合式双层包络流道，上部流道保证料坯熔接痕对称互补，提高了制品的强度。下部流道保证塑料熔体再次分配，分层良好分布均匀。通过流道分析软件不断地修正流道的深度、断面形状以及角度的变化、数量的多少。使熔体各层在流道内各处的压力分布均匀，既保证了熔体从口模流出时稳定，又避免了因局部塑料熔体停留时间长引起的降解，影响制品强度。另一方面，停留时间长的熔体与停留时间短的熔体，性能有差异。停留时间长的位置，原料松弛时间长，从而影响制品厚度，影响了型坯强度。通过优化设计，使熔体在机头内经过流道分配，变得更均匀，出口能具有相同的压力降，挤出满意的型坯，进而生产出满意制品

2.1 主要结构及其功能

储料式机头结构如图6，主要由伺服缸、注射缸、注射推杆、储料缸体、内套及芯轴、内外流道体、口模芯模、加热圈、挤出机连接及检测调整零件等组成。

图6 双层储料式机头结构图1－伺服缸2－注射缸3－注射推杆4－储料缸体5－内套6－内外流道体7－口模及芯模

2.1.1 伺服缸

主要由缸体伺服活塞密封元件组成，在机器工作时，根据制品料坯的长度、壁厚的设定。工作节拍时间的设定，完成口芯模的关闭切断料坯，控制料坯轴向壁厚以满足合格制品的要求。

2.1.2 注射缸

主要由缸体注射活塞密封元件组成，由挤出机来的塑料原料通过流道体在储料缸内储存，推动注射活塞向上移动，当储料量达到制品需要的设定值时，注射活塞向下移动，使储料缸里的原料通过口芯模形成合格料坯。

2.1.3 储料缸体

完成塑料原料的储存。

2.1.4 内外流道体

作为储料式机头的核心部分，主要完成塑料熔体的分配，使得塑料熔体分层良好分布均匀，各处的压力分布均匀，保证熔体从口模流出时稳定，达到设定的理想状态。

2.2 设计计算分析要点

由于储料式机头的结构特点及应用特性，首先要考虑伺服缸、注射缸、储料缸及口芯模之间的关系，给定储料量确定储料缸的面积及行程，选择合适的口芯模范围开口量，确定伺服缸的行程，根据挤出机来料压力、内外流道系统的压力、液压系统的压力计算确定伺服缸、注射缸之间的面积关系及具体数值。其次进行流道结构的分析计算，储料结束后注射时达到要求的分层壁厚比例并分布均匀不乱层、不断层，并使系统内压力不超过20Mp，降低对主要零件的机械性能及生产成本要求。

2.2.1 流道的设计

根据单层流道的设计数据及使用情况，内外层流道采用复合式双层包络流道，对称分布保证料坯熔接痕对称互补，提高了制品的强度;下部流道保证塑料熔体再次分配，分层良好分布均匀。

图7 内层流道设计图

图8 外层流道设计图

2.2.2 流道模型分析

流道设计时，针对高密度聚乙烯采用专业的流动分析软件在多组流量、多组流道形式、多组流道尺寸进行分析计算，得到最终的流道结构形式及流道尺寸，经过实际生产验证取得满意结果达到设计要求。图9、10、11、12为内层流道主要参数的分析结果。图13、14、15、16为外层流道主要参数的分析结果。

由图9、图13可以看出内外层流道出口流量的变化范围非常小，仅小于±1%。图10、图15是塑料熔体通过内外层流道时产生的压力降，也就是熔体通过流道的压力损失，内层2.246 MPa、外层2.103 MPa。图11、图14是塑料熔体通过内外层流道时具体数量值，内层为0.723cm3/s、外层为0.722cm3/s。图12、图16是塑料熔体通过内外层流道时的滞留时间，即通过流道需要的时间，内层为27.07s、外层33.52s。分析计算的结果显示流道各参数满足设计要求，通过了实际的生产验证。

3 实际生产应用

3.1 SCJC30×2双层双工位中空机通过试验生产及在多家制品生产企业的实际生产，可靠性、生产效率得到验证。屈臂平移式合模机构已经在SCJ30×2及SCJ30×2A两种机型上大量应用，具有刚性好、运动精度高、重复精度高、运动轻快的优点，把机床制造技术运用于中空吹塑成型机的制造技术中来。并且通过对合模机构上力臂及力矩的合理分配，使机构本身的受力更加合理。由于该机构的结构简便，占用空间小，最适用于双工位的生产，在制品成型的生产过程中节约大量成型冷却时间，使中空机的生产效率提高两倍，解决了生产效率低下的问题。在生产过程中用户根据市场的需求，可以同时生产不同规格、不同形状、不同重量的制品，解决过去中空机同时只能生产一种规格的制品的问题。

3.2 双层储料机头在该机型应用时，根据所生产塑料制品的功能要求，内层采用功能原料以便于适应内装物，而外层可以采用一般的普通原料或者再生原料作为基础层满足塑料制品要求。按最普通内外层厚比例1:1，可以节省50%的功能原料。如果在现有层厚调整范围内加以精确调整，则会获得更高制品性能。如果所生产塑料制品没有功能要求时，内层可以采用新原料，而外层可以采用再生原料或者回料，节省50%新原料，可以大幅降低制品的原料成本，提高经济效益。

总之，SCJC30×2双层双工位中空机的成功开发和及时顺利的投放市场，提高了我公司中空机的技术水平，具有很好的市场前景与经济效益。

［1］张友根.我国塑料中空成型机的现状及发展方向［J］.塑料机械，2004，(2)，1 ～6.

［2］北京有色冶金设计研究总院主编.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社，1993.

［3］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2001.6.