大容量中空吹塑机机头的关键技术研究

李卫民，黄 建，卢广亮

(辽宁工业大学，锦州 121001)

0 引言

中空薄壁塑料制品的加工采用的是中空吹塑的方法。一般而言，容积大于50L的中空制品就称为大容量吹塑制品。对于大容量吹塑制品的吹塑，需采用在很短时间内挤出大容量熔体的储料式机头来形成型坯。目前，我国现有的中空吹塑设备多为中小型吹塑机，大容量中空吹塑设备很少，且存在很多问题，产品质量远低于国外。本文针对200L以上大容量中空吹塑设备机头的关键技术进行了分析与研究。

1 大容量中空吹塑机头的结构研究[1]

储料式机头分为中心入料式和侧向入料式。侧向入料式是应用非常广泛的一种方式。在储料式侧向入料中空吹塑机中，机头所起的作用是融合融料，并形成型坯。融料融合的关键是机头中的流道。目前我国一些企业研究出了双层心形包络流道，但双层心形包络流道流道长度较短，压降较大，熔料融合后周向均匀性较差。本文参考国外资料研究出了双层双螺旋流道，如图1所示。

图1 双层双螺旋流道机头

图1中，外芯设有两条呈180o对称缠绕的外螺旋流道，内芯设有两条呈180o对称缠绕的内螺旋流道，内螺旋流道与外螺旋流道呈180o对称布置，外芯和内芯上的每条螺旋流道（内螺旋流道与外螺旋流道）的缠绕角度均为360o，以使外芯和内芯的360o的外壁面上的熔料充分均匀地融合。工作时，熔料从入料口进入机头外筒，经过分流芯套的分流孔，由外芯上的分流锥顺利完成分流，熔料向分流锥两侧流动，并经导向流道转向90o后，引流到内、外芯分流处，一部分熔料由外芯上的外螺旋流道向下螺旋流动，另一部分则通过导流通孔流入到内芯的内螺旋流道中，熔料在内、外螺旋流道内流动时，一部分熔料随着内、外螺旋流道向下流动，另一部分熔料顺着内、外芯壁向下流向储料腔，这样可以保证360o都有熔料下流，使得熔料均匀融合。

2 大容量中空吹塑机头工艺参数与结构尺寸的研究[1～3]

本文以吹塑200L塑料（高分子高密度聚乙烯)桶为例，研究了大容量机头工艺参数和结构尺寸的确定方法。桶的参数为：直径580mm，最小壁厚6mm，桶重13Kg。

1）机头口模直径D

机头的口模直径与制品直径、吹胀比有关，需按式（1）公式计算。考虑离模熔体膨胀效应、流道末端效应、冷却收缩效应和自重下垂效应，引入修正系数α。α的大小与熔融物料的流速、温度，口模定型物料的相对分子质量等有关。

式中：D为口模直径；α为修正系数，一般为0.5～1.0，本文取0.7；Dz为制品直径，本文为580mm；b为吹胀比，对于大型或薄壁制品b取为1.5～3.0，通常为1.5，本文取1.5。由此得口模直径为260mm。

2）机头口模间隙h1

机头口模问隙与制品厚度、吹胀比有关。由于熔融物从口模间隙中挤出成为型坯时，存在着熔体膨胀效应等现象，因此在口模间隙设计时引入修正系数β。

式中：h1为口模间隙；β为修正系数，一般为0.5～1.0，对于粘度大的塑料取小值，本文取为1.0；t为制品壁厚，本文为6mm；b为吹胀比，本文取1.5。由此得口模间隙应大于9mm。

3）机头口模闭合间隙h2

机头闭合时要把管坯切断，还要保证不漏料。机头闭合时口模与芯模之间会产生不良影响。实践证明最佳间隙为0.4mm＜h2＜0.8mm。

4）储料腔长度

储料腔能使融合后的熔料进一步地融合，并能使型坯形状更规则。但过长的储料腔会使生产效率低，并会使型坯产生由温差引起的分层现象。本文根据经验取储料腔长度为560mm。

5）储料室容积V

储料室的容积要大于制品熔料、夹口料及余料等体积之和。通常夹口料及余料等体积之和为制品体积的1/3。储料室容积的计算公式为：

式中：V为储料室容积；γ为修正系数，一般为1.4～1.5，本文为1.45；G为制品质量，本文为13Kg。ρ为熔料密度，本文制品材料为0.953×10-3kg/cm3。由此得储料室容积为20L。

限于篇幅，其他结构尺寸略。

3 大容量中空吹塑机头型坯壁厚控制系统的研究

型坯壁厚的自动控制有轴向控制和径向控制两种。对于径向控制技术，我国还处于研究阶段，相对而言，轴向控制的研究成熟一些。本文针对200L以上的大容量中空吹塑机进行了型坯壁厚的轴向控制研究。

型坯壁厚的轴向控制采用的是闭环控制技术。用户在壁厚控制器的触摸屏面板上设定型坯壁厚轴向变化曲线，PLC控制器根据曲线把相应的电压或者电流信号传至电液伺服阀，由电液伺服驱动伺服油缸控制中心杆的上下移动，从而改变机头口模间隙。同时，连接中心杆的伺服油缸活塞杆上安有传感器(磁悬浮电子尺)，电子尺可感知机头口模间隙的大小并反馈给PLC控制器，在PLC控制器内与标准信号进行比较，然后经伺服功率放大器传送给电液伺服阀，再通过伺服阀驱动伺服油缸，油缸带动中心杆移动，最终控制口模的开度，完成对型坯壁厚的控制。型坯壁厚控制的结构图如图2所示。

本文研究的型坯壁厚控制系统是一个位置控制系统，由电液伺服系统组成。控制的核心部分是中心杆的位置，其中中心杆位置控制精度是决定型坯壁厚控制效果的关键。因此本系统的研究重点为中心杆位置控制精度，即型坯壁厚的控制精度和系统的响应速度。

图2 壁厚控制系统的硬件结构图

型坯壁厚的控制方法是：将每一个型坯形成过程分成数个点，分别对这些点的壁厚进行控制。控制点数越少，响应速度越快，但是点数太少，达不到所要的壁厚控制精度，且在型坯周围形成了熔接缝（环纹）；点数太多，会造成系统响应时间过长，伺服油缸来不及对接收的信号做出反映，型坯就已经出来了。传统的200L塑料桶壁厚控制器都是64点或者128点的。本文针对200 L双L环桶进行了研究，经过实验验证，在满足壁厚控制精度为±1mm，每点的响应时间为0.3～0.4秒的前提下选用256点壁厚控制更为合适。

4 结束语

针对200L以上的大容量中空吹塑机机头的关键技术进行了研究。所设计的双层双螺旋流道形式相比于其它结构形式。其使熔料融合更加均匀，熔体的流动更加顺畅，消除了理论接缝，提高了制品强度；根据功能要求，采用优化方法确定了工艺参数和尺寸，为200L以上大容量中空吹塑机产品的优化设计奠定了基础；在已有的型坯壁厚控制的基础上，研究了200L双L环桶最优的控制点数和控制点的连接方法，提高了壁厚的均匀性、精度和制品的强度。

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