Являясь основным оборудованием для производства полых пластмассовых изделий, машины экструзионного формования под давлением реализуют превращение термопластичных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид, в различные полые продукты посредством непрерывного процесса «пластификация исходного материала — экструзия паразиона — зажатие и закрепление давлением — формование под давлением — охлаждение и вынимаются». Их конструктивное решение должно гарантировать однородность пластификации расплава, точную точность размеров паразиона, стабильность формования и эффективность производства. Они в основном состоят из трех основных модулей: системы экструзии, системы зажима и системы формования под давлением, а также системы управления и вспомогательных устройств. Все модули сотрудничают в качестве единой цепной замкнутой схемы производства. Ниже приведено подробное анализ состава, функций и ключевых технических моментов каждого структурного модуля.
I. Core Power Unit: Система экструзии.
Система экструзии является «сердцем» экструзионно-формующего оборудования. Ее основная функция – преобразование твердых гранулированных пластмассовых гранул в равномерно плавленую расплавленную массу и непрерывную и стабильную экструзию ее с образованием трубчастой донной части. От поведения этой системы зависит качество расплава, а от него, в свою очередь, – физико-механические свойства и точность профиля изделий. Она состоит из винта и барабана, устройств для нагрева и охлаждения, трансмиссионного устройства и устройства подачи.
1. Screw and Barrel: Core Plasticizing Components
Достоверность подбора между винтом и барабаном имеет большое значение для качества пластификации, и два компонента образуют закрытое пространство для транспортировки и плавления материала. Как основной подвижный компонент винт делится на две конструкции в зависимости от свойств перерабатываемых материалов: плавно изменяющийся винт и внезапно изменяющийся винт. Плавно изменяющийся винт подходит для кристаллических пластмасс, таких как полиэтилен, и обеспечивает стабильное переваривание через постепенную вариацию глубины протекания винта, в то время как внезапно изменяющийся винт подходит для некристаллических пластмасс, таких как поливинилхлорид, и содействует нагреванию среза путем внезапной вариации глубины протекания винта для повышения эффективности переработки. В промышленных приложениях обычно устанавливают отношение длины к диаметру винта (соотношениевидимой длины к диаметру) в пределах 20:1 – 30:1 и отношение глубины подачи к глубине выпрессовки (соотношение глубины подачи к глубине метрирования) – 2,5:1 – 4:1. Например, при обработке высокодисперсного полиэтилена (ВДПЕ) выбор винта с отношением длины к диаметру 28:1 и производственным отношением 3,5:1 может повысить однородность расплава на 15 %.
Цилиндр представляет собой металлический цилиндр с высокой прочностью, а внутренняя стена которого покрыта нитридом или спрейом. Твердость должна достигать выше HV900, чтобы противостоять износу материала. Расстояние между цилиндром и винтом контролируется в пределах 0,1-0,3 мм, чтобы обеспечить эффективность транспортировки материала и результат резки.
2. Устройства для нагрева и охлаждения: Гарантирование точного контроля температуры
Для постепенного плавления и стабильного пластификации материалов внешняя часть цилиндра нагревается разделёнными электрическими нагревательными катушками со силой тока 1,5-3,0 Вт / см², обычно разделенными на 3-5 сегментов для независимого регулирования температуры. Температура различных стадий обработки должна точно соответствовать свойствам материала. Например, при обработке полипропилена (PP) температура секции загрузки контролируется на уровне 160-180℃, секции сжатия – 180-200℃, а секции дозирования – 200-220℃. Чрезвычайно важно строго контролировать колебания температуры в пределах ±2℃, чтобы избежать расплавления с перегревом и деления или плохого пластификации.
Система охлаждения сотрудничает с устройством нагрева, чтобы обеспечить баланс температур. Как правило, используется охлаждение воздухом или охлаждение водой. Температура воды должна контролироваться ниже 30℃. Его основная функция заключается в охлаждении материалов в секции загрузки, чтобы предотвратить преждевременное плавление, что приводит к нехарактерному поступлению материала. В то же время она может регулировать точность температуры в каждой секции цилиндра, чтобы обеспечить стабильную производительность расплава.
3. Девайсы трансмиссии и подачи: гарантия мощности и подачи. Девайс трансмиссии состоит из частотного преобразователя, редуктора и муфты, обеспечивающего стабильное приводное вращение шнека. Мощность двигателя выбирается в соответствии с диаметром шнека. Например, для Φ65mm шнека обычно используется частотный преобразователь мощностью 30–45кВт, а диапазон регулировки скорости варьируется от 10 до 100 об/мин. Точное регулирование объема экструзии может быть осуществлено путем управления частотной преобразователькой. Соотношение редуктора обычно составляет от 10:1 до 20:1. Точность выравнивания муфты необходимо регулярно проверять, чтобы обеспечить радиальное отклонение ≤ 0,1 мм и отклонение ободной поверхности ≤ 0,05 мм, благодаря чему удается избежать износа шнека, вызванного колебаниями при передаче.
Устройство передачи состоит из двигателя с частотной преобразованием, редуктора и муфты, обеспечивающего стабильное приводное вращение шпинделя. Мощность двигателя выбирается в зависимости от диаметра шпинделя. Например, для Φ65 мм шпинделя обычно используется двигатель с частотной преобразованием мощностью 30-45 кВт, а диапазон регулирования скорости составляет 10-100 об/мин. Точное регулирование объема экструзии может быть реализовано с помощью управления частотной преобразовкой. Соотношение редуктора обычно составляет 10:1 или 20:1. От точности центрирования муфты зависит надежность ее работы и точность осей. Спутниковый радиальный зазор не должен превышать 0,1 мм, а отклонение торцов не более 0,05 мм, чтобы исключить износ шпинделя, обусловленный вибрацией передачи.
Устройство для загрузки основано на бункере, где установлен автоматический вакуумный насос для обеспечения непрерывной подачи. Пропускная способность составляет 500-2000 кг / ч, а объём бункера обычно 50-200 л. Для материалов, абсорбирующих влагу, таких как нейлон, требуется соединение сушильной установки. Температура сушки составляет 80-120℃, а время сушки 4-6 часов, чтобы обеспечить содержание влаги в исходном материале ≤0,1%, предотвращая образования пузырьков в расплаве, что может влиять на качество продукции.
II. Molding Accuracy Guarantee Unit: Система захватывания.
Система зажима: ответственна за функции закрывания, закрепления, отключения и отводки изделия. Ее стабильность напрямую влияет на точность размеров продукта, срок службы формы и безопасность производства. Она в основном состоит из шаблонов и направляющих столбов, механизма зажима формы и устройств защиты безопасности.
1. Шаблоны и направляющие столбы: основа ориентирования и позиционирования
Подвижный шаблон и фиксированный шаблон являются носителями для установки формы, как правило, изготовленными из стали Q235 или 45 с толщиной 200-500 мм, и реализуют точные ориентирование и соединение посредством направляющих столбов. Диаметр направляющего столба составляет Φ50-150 мм, его длина составляет 1000-3000 мм, требование к пройметсности — ≤0,02 мм/м, а твердость поверхности — HRC50-55, что гарантирует, что параллелизм движущегося шаблона составляет ≤0,1 мм/м для предотвращения срезания или деформации изделия, вызванной смещением форм во время зажима. В практике приложения направляющие столбы необходимо регулярно смазывать противоизносным высокотемпературным смазкой на основе лития, один раз в 200 часов, чтобы предотвратить появление царапин на поверхности вследствие трения при сухой контактной нагрузке.
2. Механизм зажима формы: основная функция удерживания ядра
Основная функция механизма зажима формы – обеспечение достаточного усилия зажима для противодействия изгибающей нагрузке компрессируемого воздуха на форму, обеспечивающей точную закрепленность. В промышленности чаще всего используются гидравлические и механико-гидравлические компоновки механизмов зажима: гидравлический механизм зажима формирует выталкивающее давление посредством цилиндра диаметром Φ100-300 мм и с рабочим давлением 16-25 МПа. Вычисление силы зажима осуществляется по формуле «сила зажима = проектируемая площадь изделия × площадь единицы зажимного усилия», а площадь единицы зажимного усилия в основном составляет 3-5 тонн/кв. м. Компоновка прерывистого зажима усиливает гидравлическое натискание в 3-5 раз посредством штокового механизма, что позволяет сократить затраты на энергетику на 20-30%, но необходимо периодически проверять зазор в переключательном соединении, чтобы он был ≤0,2 мм, для предотвращения ослабления механизма зажима.
3. Защита и безопасность Devices: Key to Production Protection
Для обеспечения безопасности оборудования и операторов система зажима оснащена множеством устройств защиты: детектор форм предотвращает наличие посторонних предметов до закрытия формы посредством инфракрасного датчика, упреждая повреждение оборудования метическим шламом и другим отходом, попавшим в форму; гидравлическая защита от перегрузки реализуется посредством реле давления и установлена на 110% от максимального зажимного усилия для предотвращения деформации механизма вследствие перегрузки. Одно предприятие некогда понесло прямые потери в размере около 80 000 юаней из-за повреждения форм вследствие того что детектор форм не включался, подчеркивая необходимость задействования устройств защиты.
III. Molding Execution Unit: Blow Molding System
Система кросслинга – основной узел, который преобразовывает прутчатый напар в целевую форму изделия. Внося газообразный кислород в напар, прядь расширяется и плотно прилипает к внутренней стенке формы, и образует полую форму после охлаждения и затвердевания. Она, в основном, состоит из кросслинговой иглы, устройства управления газосборным циклом и структуры выдувания форм.
1. Кросслинговой игла: «ядро» ввода газа
Кросслинговая игла – конструкция из пустого стального трубопровода, экранированного с наружным диаметром Φ5-20 мм и толщиной стенки 1-3 мм. Глава изогнута кросслингами под 30°-60°, что удобно для плавного введения в напар и для предотвращения обрывов в оболочке прядни. Кросслинговая игла должна быть точно отстоящей в центре напаря, с отклонением ≤1 мм, а глубина введения составляет 1/3-1/2 длины напаря. Например, при длине напаря 300 мм глубина введения контролируется в пределах 100-150 мм. Слишком малой глубиной введения может привести к недообливания верхней части изделия, а слишком большой глубине введения – к повреждению напаря.
Устройство управления газосборным циклом: устойчивый процесс формовочного кросслинга гарантия
Система воздушной циркуляции отвечает за обеспечение стабильного компрессионного воздуха. Основными компонентами являются компрессор, резервуар для хранения воздуха, соленоидный клапан и датчик давления. Работой компрессора обеспечивается расход равный 0,5-5 м³/мин, а рабочее давление составляет 0,8-1,2 МПа; Вместительность резервуара для хранения воздуха равна 0,5-2 м³, используется для стабилизации давления источника воздуха и предотвращения колебаний давления во время процесса экструзионного литья; Время реакции соленоида составляет ≤50 мс для обеспечения точного управления временем впрыска; Точность датчика давления составляет ±0,01 МПа, осуществляется круглосуточный мониторинг давления к уплотнению.
Параметры впрыска необходимо настраивать в зависимости от особенностей материала: давление к уплотнению для изделий из полиэтилена (ПЭ) составляет 0,3-0,6 МПа, а для изделий из поликарбоната (ПК) – 0,8-1,0 МПа; время впрыска изменяется в зависимости от толщины стенки изделия: около 3 секунд для толщины 2 мм и 8 секунд для 5 мм, что обеспечивает полное расширение изделия и равномерную толщину стенки.
Структура выпуска воздуха из формы: гарантия качества внешнего вида
Внутри полости формы должна быть предусмотрена равномерно распределенная система отверстий диаметром 0,5-1,0 мм и шагом 5-10 мм, предназначенная для выпуска воздуха из полости во время процесса расширения прототипа, что позволяет избежать депрессий на поверхности изделия, вызванных задержкой воздуха. В то же время, положение отверстия к уплотнению должно избегать ребер или резьбовых структур изделия для предотвращения деформации, вызванной чрезмерным местным давлением.
IV. Central Control Unit: Control System
Система управления является «мозгом» машины экструзионного литья, отвечающей за координирование совместной работы различных систем, реализующей точный контроль параметров процесса, таких как температура, давление, скорость и время, и обеспечивающей стабильность и повторяемость производственного процесса. В основном она состоит из электрического блока управления, интерфейса человек-машина и исполнительных компонентов.
1. Модуль точного контроля: основная функция регулирования
Контроль температуры осуществляется с помощью контроллера PID (например, пропорционально-интегрально-разностный), чтобы выполнять сегментированный контроль температуры на валу экструдера, в форме и других частях. Каждый сегмент оснащен датчиком температуры с точностью ±0,5°C, а мощность тепловой нагревательной спирали регулируется посредством твердотельных реле с точностью регулирования ±1°C; давление гидравлической системы регулируется путем использования пропорционального клапана с точностью регулирования ±0,5 МПа. Скорость зажатия выполняется с помощью трехступенчатого контроля «медленно-быстро-медленно», при этом низкая скорость равна ≤5 мм/с, а высокая скорость – 50-100 мм/с, чтобы избежать соприкосновения формы. Давление циркуляционного воздушного хода регулируется с помощью электро-пневматического пропорционального клапана, а время стабилизации давления составляет ≤0,1 секунды для обеспечения равномерного расширения прототипа.
Человек-машина и мониторинг неполадок: гарантия работы и защиты
Интерфейс человек-машина обычно выполняется с помощью сенсорного экрана диагональю 7-15 дюймов. Операторы могут менять параметры процесса, такие как скорость экструзии, сила зажима и время к уплотнению, и на графическом дисплее просматривать данные о статусе производства, например, кривые температур и значения давления. Система имеет полную функцию алармирования при нарушениях, позволяющую своевременно выдавать сообщения о неисправностях и прекращать работу машины в случае таких аномальных условий, как повышенная температура, пониженное давление и предметы в форме, а данные о неисправностях записываются для удобства устранения неполадок. Применяется иерархическое управление полномочиями. Обычные операторы могут только изменять параметры процесса, а администраторы могут изменять программу управления для предотвращения неполадок от человеческого фактора.
V. Блок гарантии производства: вспомогательные устройства
Хотя вспомогательные устройства не участвуют непосредственно в самом процессе формовки, однако они имеют принципиальное значение для непрерывности производства, качества изделий и защиты окружающей среды. В основном это охладительная система, устройство отделения от формы, устройство обработки раструба отброса и устройство предварительной обработки исходного сырья.
Система охлаждения разделяется на охлаждение формы и охлаждение изделия: охлаждение формы осуществляется с помощью циркулирующей воды температурой 20-30℃, а водопроводные трубы расположены рядом с полостью с расстоянием ≤10 мм, чтобы обеспечить различие температуры поверхности формы ≤5℃; охлаждение изделия может быть достигнуто при помощи задержанного выдувания в форме (давление 0,2-0,4 МПа, задержка 0,5-2 секунды) или охлаждения воздухом извне формы (скорость ветра 5-10 м/сек), что позволяет сократить цикл литья на 20-30%. Устройство извлечения преимущественно представляет собой робототехнический механизм или цилиндр емкости с силой извлечения 5-50 кН. В позиции извлечения избегаются слабые места изделия (например, резьбы и острые углы), чтобы предотвратить повреждение изделия. Устройство обработки краев отходов состоит из автоматического ножа и дробилки. Твердость рёбра ножа находится в диапазоне HRC55-60, а зазор с формой составляет ≤0,1 мм, чтобы обеспечить чистое резание краев отходов. Размер частиц измельченных частиц составляет 2-5 мм, которые могут быть переработаны и повторно использованы, но коэффициент повторного использования не должен превышать 30%, чтобы не влиять на рабочие характеристики продукта.
VI. Сводный анализ структурного согласования и оптимизации производительности
Структурный состав машин для экструзионного формования под давлением характеризуется такими свойствами, как «согласованная работа множества систем и точная совместимость»: система экструзии обеспечивает однородность расплава, система зажима обеспечивает точность литья, система формования под давлением реализует формирование формы, система управления координирует работу в целом и вспомогательные устройства обеспечивают непрерывное производство. Совместимость параметров каждой системы непосредственно влияет на эффективность производства и качество продукции, например соответствие соотношения длины и диаметра винта требованиям пластификации материала, соответствие силой зажима проектированной площади продукта и давлению выдувания материала.
С развитием интеллектуальных технологий производства конструкция современных машин для экструзионного формования под давлением постепенно развивается в направлении «прецизности, автоматизации и энергосбережения»: повышение эффективности пластификации путем оптимизации структуры винтов и барабана, снижение энергопотребления путем использования пружинного механизма зажима пресс-формы и внедрения интеллектуальных систем контроля, позволяющих осуществлять реальное опротествование параметров процессов. В будущем, с интеграцией технологий полимерных материалов и технологий производства оборудования, структура машин для экструзионного формования под давлением будет все больше соответствовать производственным потребностям сложных изделий, таких как мдежематериальное экструдирование, изделия с тонкими стенами и крупных масштабах, что будет способствовать качественному развитию индустрии полых изделий из пластмас.
