全电动注塑机结构性能研究

作者：宁波海达塑料机械有限公司 张友根

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 以现代能源、材料、生物、污染治理、资源回收、环境监测、清洁生产、网络、数字等科学技术为指导，充分发挥和挖掘全电动注塑机的成型加工能力，拓展高端注塑技术，才能实现液压驱动注塑机无法实现的注塑工程技术，实现高附加值、高社会效益带来的高经济效益。 全电动注塑机执行机构的发展和研发要点 根据伺服电机动力驱动的特点及成型加工的性能，创新执行机构，提高注塑成型加工的性能，扩展注塑成型加工领域。 塑化注射机构 全电动注塑机的注射装置所采用的伺服电机有两种结构，一种用同步带传动，一种用电机直接转动。同步带传动，精度会受影响，同步带的碎屑微粒会给无尘室带来问题；不用皮带，结构较简单，但要求电机转速较低、转动力矩大，而且超载保护作用较弱。不过总的来说，采用伺服电机控制螺杆的塑化计量精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。采用伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射，由于此时滚珠丝杆负载大，高速旋转磨损也比较严重。 住友(SHI)德马格全电动注塑机驱动理念是基于创新的直接驱动技术。采用直接驱动技术的注塑机和非直接驱动技术的注塑机相比，前者不仅提供了更高的节能效率，而且由于其具有更灵敏的响应速度，从而确保了更高的精确度、重复性以及更短的运行时间。直接驱动技术更好地满足了生产厂商对于大批量生产精密注塑件的质量要求，提高能源利用率，伺服电机驱动所产生的热量小。日精树脂工业株式会社全电动薄壁成型专用机，配备低惯性伺服马达和新开发的薄壁成型用超高速射出机构，在射出速度达到同级最高水准的1000mm/s的同时，使射出加速度提高到以前设备的3.5倍，还实现了使射出压力达到295MPa的高压化。 合模机构 全电动注塑机为适合精密注塑，合模机构的刚度按精密注塑要求设计。为达到精密控制高压低速锁模的控制性能，肘杆机构采用大行程比的型式，达到在高压锁模的位置区域，肘杆的大位移转化成模板相对较小的位移，确保在模板受到最小应力的情况下能获得非常灵敏的开合模控制。 Krauss Maffei公司伺服电机驱动的Z型肘杆机构，支承点较少，从而减少了摩擦和润滑点，并采用循环油润滑的方式，使得这些润滑点被完全包封起来形成一个封闭系统，移动模板于拉杆无接触设计，完全杜绝了润滑油污染生产区域的可能性。配备一副24腔的模具，生产2.0g的HDPE瓶盖，循环周期不到2秒。 北京化工大学在现有注塑机合模系统的基础上，创新性地将混合驱动机构与全电动注塑机合模机构结合，研发出一种全电动注塑机混合驱动式合模机构，由大功率常规电机取代原有大功率伺服电机，与小功率伺服电机共同驱动合模机构。在合模机构开合模的过程中，伺服电机只能提供小功率，而常规电机提供大功率锁模力，二者的结合实现了动模板慢 - 快 - 慢的理想运动曲线，以优化动模板速度曲线为目标，在常规电机速度曲线确定的情况下，改变伺服电机的速度曲线来得到较为理想的动模板速度/位移曲线。该结构较大程度地降低了成本，增强了合模系统的可控性，该研究成果有助于我国全电动注塑机的快速发展。 总体结构 实现不同注塑工艺要求的多种总体结构型式。为适应多样化及特殊制品生产需求，立式和角尺式电动注塑机得到相应的发展，并且性能不断提高。Niigata的MDVs-IV 和MDVRs-IV立式电动注塑机 (55-110吨)配有新软件，能提高注射速度、反应灵敏度和注射精度，切换或转盘的反应提高了20%，操作台振动降低了20%。A U.S.的ET-90HR4 全电动垂直合模、水平注射，四工位1秒左右旋转90°。Toyo/Maruka 90吨的立式电动注塑机ET-90VR2连接一个45吨的模头，允许操作工为不同模具设定不同的注塑过程。 全电动注塑机技术及性能参数的分析研究 全电动注塑机的主要成型加工对象为工程塑料及其复合材料的聚合物制品，这些材料熔融温度一般都要达到350℃以上；制品的特点为内应力、尺寸、质量（密度、重量）等性能的精密性及寿命周期性。主要技术参数的设置需达到以上要求，才能实现成型加工的需求。 注射压力和注射速度 压力和速度是两个互相依存的参数，压力依赖于速度，同样速度也依赖于压力。日精公司最近开发了NEXllO-6EH，注射速度可达1000 mm/s，注射压295 MPa。 如果注射速度设计为500mm/s，而注射压力设计为160MPa，则实际运行中，注射速度不可能达到500mm/s。耐高温聚合物的流变性能和粘度必须在高的注射速度和高的注射压力下，才能实现成型加工。例如PPA，为了获得高的注射速度，通常需要200MPa的注射压力。注射速度300mm/s，注射压力应设计不低于200MPa；注射速度500mm/s，注射压力应设计不低于280MPa；注射速度1000mm/s，注射压力应设计不低于350MPa。 机筒加热 加热系统型式。工程塑料及其复合材料聚合物的熔融温度一般都要达到350℃以上，聚苯硫醚的最高熔融温度达到343℃，可见普通的电阻丝加热圈不能胜任熔融温度的要求。加热元件应选用耐高温的绿色加热型式，例如电磁加热系统。 温度控制性能。温度控制的实时性能是其主要性能。工程塑料及其复合材料聚合物制品的拉伸强度直接与熔融温度相关。例如，PPA制品的熔融温度在330℃时，其拉伸强度达到36kpsi的最佳状态；如果熔融温度波动到350℃，其拉伸强度下降到34kpsi，下降率为5.6%。往复式塑化的熔融性能缺陷是熔融料的前后温度误差大，特别在全塑化行程工况下，情况更严重。所以温度控制的主要作用是补偿这种缺陷，尽力使熔融温度达到前后一致。 排汽控制 一般塑化的螺杆机筒没有排汽功能，不利于熔融料的质量控制。熔融料的水汽含量变化影响材料的粘度和制品的密度，密度的变化将表现为制品尺寸和重量的改变，而且很难建立一个稳定的成型过程。在极端的情况下，溢料和缺胶可能会发生。塑料原料虽经干燥后进行塑化，但大多数耐高温塑料都具有吸湿性，由于一些不可预见的原因，塑料原料的干燥度发生变化，所以螺杆机筒设计具有排汽功能，才能确保熔融料中的水分在严格控制的范围之内。 理论注射速度与实际注射速度 注射速度为平均注射速度，即需要考虑注射起始和结束的响应时间。在超高速注射的工况下，注射起始及结束的响应时间对注射速度的影响比较大。即注射速度与伺服电机的动态响应性能直接相关。例如一个产品总的注射时间为500ms，注射速度为1000mm/s，目前伺服电机最快动态响应时间为15ms，再考虑到注射系统中其余运动惯量的影响，系统注射起始响应及结束的响应时间各约为20ms，则实际注射时间为460ms，注射速度需要达到1087mm/s，才能达到1000mm/s的速度要求。所以，如果设计的理论注射速度为1000mm/s，则在实际运行中，注射速度只能达到920mm/s。 如果选用普通的响应时间为60ms的伺服电机，考虑到注射系统中其余运动惯量的影响，系统注射起始响应及结束的响应时间各约为65ms，理论注射速度为1000mm/s，实际注射速度只能达到740mm/s。所以，如要达到注射速度为1000mm/s，理论注射速度需设计到1350mm/s。海天长飞亚天锐VE系列采用高响应伺服驱动系统，提高启动和制动的动态灵敏度，螺杆注射速度从0至500mm/s只需20ms的加速时间，为超薄制品的成型提供了保证。 传动型式与效率 低速大转矩交流力矩伺服电机直接驱动螺杆塑化，省去同步带等减速机构，可提高传动效率。Krauss Maffei公司EX 系列全电动注塑成型机，塑化和注射的两个装置安装在不带同步带传动装置的同一轴上的两台相联直接驱动器上，每根轴分别由单独的电机驱动，保证了运行方向直接将力传递给螺杆，减少了运动链和横向力。伺服电机直接驱动滚珠丝杆，提高了传动精度及传动效率。日本住友SE-DU Direct-Drive新型全电动注塑机由4个闭环控制和数字传感器的直接驱动交流伺服电机作为动力源。直驱电机均无需同步带传动，除塑化外直接采用滚珠丝杠和螺母传动，传动效率、重复性能和持久性能显著提高。 伺服电机的动态性能 全电注塑机的响应速度较高。Niigata的新型MD-X 系列电动注塑机分别有55、85和110 吨的，在注射厚件时，新的注射单元、伺服机及控制可在19,575 psi压力下使保压时间长达60 至100 秒，注射反应时间为55毫秒。日本JSW的J-AD Advantage 系列电动注塑机从40吨至1800吨不等，可最终代替其JSW的ELIII系列机，后者反应时间250毫秒，而前者只需62毫秒。东芝110吨位的ECNII电动注塑机生产厚0.4mm、长2.7 in的PC指示灯，注射反应时间低于38毫秒。住友的SE-HS中型电动注塑机适于高速生产薄壁件，生产周期为15秒，其吨位从242 至385 tons不等，注射反应时间为25毫秒。 高速注射与运行机构 东芝机械制造有限公司推出了EC-SX全电动注塑机，它采用伺服电机直接驱动螺杆，注射速度可达1100mm/s。Fanuc 2000il00B超高速注塑机，通过在射出轴备超高输出伺服电机，直连式驱动超高速注射速度可达1000mm/s。日本Fanuc公司开发了磁悬浮列车技术的直线电机来驱动超高速注塑机，其注射速度可达2000mm/s，加速度可达17 G。 高速化 电动注塑机以高速注射著称，普通电动注塑机注射速度已达到300-400mm/sec。宁波海天HTD电动系列从64吨到396吨不等，标准注射速度150mm/sec，较高速度可达300mm/sec；克劳斯玛菲的EX系列、住友的SE-HS中型系列注射速度均可达300mm/sec；米拉克龙推出的Fanuc Roboshot S2000i-B系列从55吨至330吨，注射速度为330mm/sec；Netstal的新型Elion电动注塑机可以提供三种不同的塑化系统，具有高速或高扭矩的特点或同时兼备高速、高扭矩的特点，注射速度可达250至450 mm/sec。东芝110吨位的ECNII电动注塑机生产厚0.4mm、长2.7 in的PC指示灯注射速度达400mm/sec；20吨位的生产薄壁PC件(0.4mm)注射速度可达550mm/sec。据称，Niigata Engineering 公司的全电动注射成型机的注射速度最高可达600 mm/sec。(end)

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