摘要：有关注塑成型机适用的驱动技术的争论常常激起人们的情绪。一种全液压、混合动力和电动注塑成型机之间的客观比较揭示了这些方法之间的相似性和不同之处。通过对不同驱动方法的重复性研究表明其优缺点。
哪种注塑成型机适用于生产？机器购买者进入市场选购时会面对范围宽广的机器类型。现在的采购者一般基于成型部件、工具及另外重点考虑的资金成本因素来选择注塑成型机。最近，机器采购者也开始重点考虑机器的能量消耗。
对于注塑成型机选用哪种驱动系统的决定往往居于次要地位。由于缺乏客观标准来进行比较，关于液压、电动和混合驱动设计的优缺点的讨论通常都基于个人感觉。通常来讲，机器之间的比较只是基于一个生产循环而言 — 但该结论对于在其它操作点上该机器的运行情况如何并无定论。
驱动系统间的客观比较
德累斯顿工业大学的流体动力研究院(Institut für Fluidtechnik - IFD)和RWTH亚琛大学的塑料加工研究院(Institut für Kunststoffverarbeitung - IKV)目前完成了一个研究项目，其目的是开发一种用于客观比较四种采用了不同驱动技术的现代注塑成型机的方法。这种设计使其能够描述成型机器驱动系统的性能，而不考虑注塑成型机在特定的操作点上如何执行，以及它所生产的部件是怎样的。
其中的一些研究包括对机器的锁模轴和注射轴的测试。为此，轴的静态和动态行为都根据一种预设的方法来进行了检查。第二步包括在不同的生产点生产部件并测试生产重复性、能量消耗和噪音水平。为了证实驱动和噪音类型对注塑加工的影响，在每台机器上对超过100个不同的操作点进行了测试。
机器的选择基于当前市场上那些机器的可比性原则(表1所示)。所有的注塑单元都有直径为35 mm的标准三段式螺杆。具有高速注塑能力的机器C有一个与常规目的使用的注塑机不同的外形，因为其通常用于生产包装部件。
注射轴的动力学
对发生在注射阶段与保压阶段转换时间附近的压力泄露的动态补偿十分重要。这种迅速补偿在设定点所发生的改变和偏差的能力是一个评价注射单元动力学的标准，并且能决定注塑工艺的独立性。随着喷嘴的关闭，对在900到100 bar的设定点内注射轴变化的轨迹进行了测试。评价标准为达到最终值的90%所需的时间，按照DIN 19226(T0.9)来进行。
全液压式机器A比其它所有机器对设定点的改变响应得更快(图1)。在其封闭循环的液压系统内有一个伺服操作阀。分别由阀和泵控制的机器C和D表现出相似的动力学行为。机电一体机B对这种改变的响应最迟钝。对于在压力方面的改变，研究发现螺杆需要被主动地拉回。驱动系统需要同时克服马达和传动装置的惯性并重新调整运转中的圆形螺杆，并且这会导致相当低的动力学。 
图1. 机器注射轴的动力学明显不同
在生产过程中被测量的这些注塑轴实际动力学性能的比较证实了该理论的有效性。此处被比较的变量为注射速度和保压的变化。
在实际加工中的比较
如果要获得关于机器操作行为的有用信息，就需要在生产循环中进行研究。为了进行我们的研究，两种不同成型部件外形的典型工艺部件被选用：一个齿轮机构和一个开关部件 (图2)。
用不同的聚合物生产这些部件能够使很宽范围内的注塑应用被进行评价。为生产开关部件，一种短玻纤增强尼龙6和一种未增强尼龙66被选用。所有的研究都选用同一批次的材料以减少材料变化所带来的影响。
这些研究的可比较性通过确保所有机器上的生产循环是同一的来得以保证，以便成型部件生产所需的要求被满足。在周期顺序排除了机器平行移动的情况下，对用于每一种材料和成型部件组合形式的参考循环进行了测试。该周期不以最小化生产循环周期为目的，而是为了最大化加工的稳定性并获得高质量部件(表2)。 
在注塑和保压阶段的行为
在生产过程中，注射速度特征值VIn=f(t)被设定来用于所有成型部件的生产。图示表明了在PA-GF大齿轮生产周期中的注射速度的跟踪行为(图3)。设定点和实际测量的比较配有封闭液压回路和伺服阀的机器A对设定值的响应最快。机电一体机B也能快速和准确地捕捉在设定点值的变化。在部件生产时，机器C随设定点曲线的变化而很慢地改变。这种行为是由于其已被设计成高速成型机(液压、阀控制)的结果，机器能达到超过500mm/s的注射速度。当注射压力升到1.8 s上时，机器D逐渐减慢了转速。在再次达到正确的速度值之前，泵控制型机器首先必须密切注意泵的输出情况。
图3. 注射单元的跟踪行为通过比较设定值和实际值来进行
机器不同动力学行为的影响在转换点4变得尤其明显。更低的动力学意味着操作者必须延迟转换点，以使腔内的压力在转换到保压阶段时没有太高的压力。如果过度模压要被避免的话，动力学越低，转换就必须更早。
在保压控制好的情况下，在注射阶段的工艺波动能在一定程度上以当作一种增加成型部件质量的方式来得以补偿。图4所示为PA-GF大齿轮部件生产过程中设定和实际熔体压力对保压时间的曲线。图中的开始点为保压阶段的开始(转换点)。 
图4. 技术部件的动力学要求在保压期间被所有的机器很好地满足了
所有的机器能够精确地跟踪设定的保压压力值。对于机电一体机B而言，梯度形的曲线设定必须在控制端被累加式的达到。这个令人激动的目标能被再次很好地跟踪。
注射模塑工艺的重复性
一个建立在注射单元注射速度和压力基础上的质量控制单元，其标准就是部件生产的重复性。重复性研究通过改变气缸壁的温度、注射速度和保压程度来进行。实验设置的重复性实验生成27个实验点。对于每一个实验点，在稳定状态达到后十个连续的循环被进行了评价。在不同工艺点的模塑部件质量的测试说明了两个因素的影响：
●在不同时间重复相同的机器设定揭示了机器的绝对精度。
●接着的在一个工艺点多于十个循环的波动揭示了机器的重复性。
如评估所示(图5)，模塑部件重量的平均值大量依赖于工艺参数的改变，特别是保压程度。然而，当工艺点在不同的时间被重复时，它所产生的差异并没有被发现。这对于所有机器的研究都是如此：一旦机器的设定值被找到，以后每一个参数都能再达到该设定值。
图5. 重复性实验在一系列的测试中被证实
成型部件平均质量的偏差用标准偏差来评价。其提供了在一个固定工艺点上机器波动的信息。在27个点被研究的情况下，没有明显证据表明机器参数设定对模塑部件质量的波动有直接影响(图6)。机器(A)在所有的测试操作点下都很一致的工作。
图6. 标准偏差的评估未能揭示机器设置对部件
重复性有任何直接影响
结合成型部件和材料的所有27个实验点现在用于计算平均标准偏差，以用于和其它机器相应的值来比较。尽管采用不同的驱动方法，所有测试机器都能达到2 mg的标准偏差 (图7)，为模塑部件质量的0.01至0.03%，代表了极好的重复性。进一步的分析表明，不管所用的材料和成型部件如何，在这种状态在调查的四个机器的所有操作点上都可保持。
图7. 模塑部件的低标准偏差确认了生长的重复性
(缺失数据记录，机器B，大齿轮PP)
从0.01%到0.03%的波动不能在任何所调查的机器上得以通过。然而，其对驱动系统的依赖性可以排除。这些波动的原因被发现是环境方面的影响，如模温，以及止逆阀的不可重复性闭合。诸如很薄壁或者高精度的复杂部件的生产需要多种条件保持不变。
总结
一个在采用不同驱动方法的塑料注塑机之间的客观比较揭示了其相似性和不同之处。对于注塑机不同驱动系统的限制，通过每种独立于工艺过程的驱动技术的静态和动态性能的评价来予以揭示。利用其相对低的惯性结合电动式液压控制技术，研究的液压封闭回路控制式注射轴提供了液压开路控制或者机电轴向驱动所不匹配的高推动力。
对于用已定义的实验周期来生产技术部件的加工相关变量的研究揭示了采用不同驱动方式的机器之间的共同和不同之处。注塑阶段表明了不同的驱动方法之间本质上的不同，也就是，具有受控制注射轴的机器(液压或电动)适合于生产诸如包装部件或者光学零件这些需要高度动力学的生产循环。另一方面，在装置研究中，对于到保压阶段的转换，反应更慢的电驱动不如快速的液压驱动方式。然而对于所研究的技术部件，产生的这种差异可在保压阶段得以补偿。
就操作点或者驱动技术的选择而言，部件的重复性没有被显著影响。研制的机器能在保压阶段显著补偿注射阶段所产生的差异。对于许多标准部件的生产而言，采用单一驱动方法(泵控制型)全液压式机器具有廉价、耐用并且非常高精度的优点。对于在注射阶段对动力学有更高要求的情况而言，被控制的液压或者机电系统优势明显。工艺的框架条件被窄化得越精确，就越容易选择一个符合“尽量满足，并越少越好”的概念的合适的驱动方法。(end)
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