全電動注塑機(jī)結(jié)構(gòu)性能研究

以現(xiàn)代能源、材料、生物、污染治理、資源回收、環(huán)境監(jiān)測、清潔生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字等科學(xué)技術(shù)為指導(dǎo)，充分發(fā)揮和挖掘全電動注塑機(jī)的成型加工能力，拓展高端注塑技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動注塑機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的注塑工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高附加值、高社會效益帶來的高經(jīng)濟(jì)效益。

全電動注塑機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展和研發(fā)要點(diǎn)

根據(jù)伺服電機(jī)動力驅(qū)動的特點(diǎn)及成型加工的性能，創(chuàng)新執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高注塑成型加工的性能，擴(kuò)展注塑成型加工領(lǐng)域。

塑化注射機(jī)構(gòu)

全電動注塑機(jī)的注射裝置所采用的伺服電機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)，一種用同步帶傳動，一種用電機(jī)直接轉(zhuǎn)動。同步帶傳動，精度會受影響，同步帶的碎屑微粒會給無塵室?guī)韱栴}；不用皮帶，結(jié)構(gòu)較簡單，但要求電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)動力矩大，而且超載保護(hù)作用較弱。不過總的來說，采用伺服電機(jī)控制螺桿的塑化計(jì)量精度較高，轉(zhuǎn)速也較穩(wěn)定，還可以多級調(diào)節(jié)。采用伺服電機(jī)帶動滾珠絲桿驅(qū)動螺桿進(jìn)行注射，由于此時滾珠絲桿負(fù)載大，高速旋轉(zhuǎn)磨損也比較嚴(yán)重。

住友(SHI)德馬格全電動注塑機(jī)驅(qū)動理念是基于創(chuàng)新的直接驅(qū)動技術(shù)。采用直接驅(qū)動技術(shù)的注塑機(jī)和非直接驅(qū)動技術(shù)的注塑機(jī)相比，前者不僅提供了更高的節(jié)能效率，而且由于其具有更靈敏的響應(yīng)速度，從而確保了更高的精確度、重復(fù)性以及更短的運(yùn)行時間。直接驅(qū)動技術(shù)更好地滿足了生產(chǎn)廠商對于大批量生產(chǎn)精密注塑件的質(zhì)量要求，提高能源利用率，伺服電機(jī)驅(qū)動所產(chǎn)生的熱量小。日精樹脂工業(yè)株式會社全電動薄壁成型專用機(jī)，配備低慣性伺服馬達(dá)和新開發(fā)的薄壁成型用超高速射出機(jī)構(gòu)，在射出速度達(dá)到同級最高水準(zhǔn)的1000mm/s的同時，使射出加速度提高到以前設(shè)備的3.5倍，還實(shí)現(xiàn)了使射出壓力達(dá)到295MPa的高壓化。

合模機(jī)構(gòu)

全電動注塑機(jī)為適合精密注塑，合模機(jī)構(gòu)的剛度按精密注塑要求設(shè)計(jì)。為達(dá)到精密控制高壓低速鎖模的控制性能，肘桿機(jī)構(gòu)采用大行程比的型式，達(dá)到在高壓鎖模的位置區(qū)域，肘桿的大位移轉(zhuǎn)化成模板相對較小的位移，確保在模板受到最小應(yīng)力的情況下能獲得非常靈敏的開合?？刂?。

KraussMaffei公司伺服電機(jī)驅(qū)動的Z型肘桿機(jī)構(gòu)，支承點(diǎn)較少，從而減少了摩擦和潤滑點(diǎn)，并采用循環(huán)油潤滑的方式，使得這些潤滑點(diǎn)被完全包封起來形成一個封閉系統(tǒng)，移動模板于拉桿無接觸設(shè)計(jì)，完全杜絕了潤滑油污染生產(chǎn)區(qū)域的可能性。配備一副24腔的模具，生產(chǎn)2.0g的HDPE瓶蓋，循環(huán)周期不到2秒。

北京化工大學(xué)在現(xiàn)有注塑機(jī)合模系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地將混合驅(qū)動機(jī)構(gòu)與全電動注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)結(jié)合，研發(fā)出一種全電動注塑機(jī)混合驅(qū)動式合模機(jī)構(gòu)，由大功率常規(guī)電機(jī)取代原有大功率伺服電機(jī)，與小功率伺服電機(jī)共同驅(qū)動合模機(jī)構(gòu)。在合模機(jī)構(gòu)開合模的過程中，伺服電機(jī)只能提供小功率，而常規(guī)電機(jī)提供大功率鎖模力，二者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了動模板慢 - 快 - 慢的理想運(yùn)動曲線，以優(yōu)化動模板速度曲線為目標(biāo)，在常規(guī)電機(jī)速度曲線確定的情況下，改變伺服電機(jī)的速度曲線來得到較為理想的動模板速度/位移曲線。該結(jié)構(gòu)較大程度地降低了成本，增強(qiáng)了合模系統(tǒng)的可控性，該研究成果有助于我國全電動注塑機(jī)的快速發(fā)展。

總體結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)不同注塑工藝要求的多種總體結(jié)構(gòu)型式。為適應(yīng)多樣化及特殊制品生產(chǎn)需求，立式和角尺式電動注塑機(jī)得到相應(yīng)的發(fā)展，并且性能不斷提高。Niigata的MDVs-IV 和MDVRs-IV立式電動注塑機(jī)(55-110噸)配有新軟件，能提高注射速度、反應(yīng)靈敏度和注射精度，切換或轉(zhuǎn)盤的反應(yīng)提高了20%，操作臺振動降低了20%。A U.S.的ET-90HR4 全電動垂直合模、水平注射，四工位1秒左右旋轉(zhuǎn)90°。Toyo/Maruka90噸的立式電動注塑機(jī)ET-90VR2連接一個45噸的模頭，允許操作工為不同模具設(shè)定不同的注塑過程。

全電動注塑機(jī)技術(shù)及性能參數(shù)的分析研究

全電動注塑機(jī)的主要成型加工對象為工程塑料及其復(fù)合材料的聚合物制品，這些材料熔融溫度一般都要達(dá)到350℃以上；制品的特點(diǎn)為內(nèi)應(yīng)力、尺寸、質(zhì)量（密度、重量）等性能的精密性及壽命周期性。主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)置需達(dá)到以上要求，才能實(shí)現(xiàn)成型加工的需求。

注射壓力和注射速度

壓力和速度是兩個互相依存的參數(shù)，壓力依賴于速度，同樣速度也依賴于壓力。日精公司最近開發(fā)了NEXllO-6EH，注射速度可達(dá)1000mm/s，注射壓295 MPa。如果注射速度設(shè)計(jì)為500mm/s，而注射壓力設(shè)計(jì)為160MPa，則實(shí)際運(yùn)行中，注射速度不可能達(dá)到500mm/s。耐高溫聚合物的流變性能和粘度必須在高的注射速度和高的注射壓力下，才能實(shí)現(xiàn)成型加工。例如PPA，為了獲得高的注射速度，通常需要200MPa的注射壓力。注射速度300mm/s，注射壓力應(yīng)設(shè)計(jì)不低于200MPa；注射速度500mm/s，注射壓力應(yīng)設(shè)計(jì)不低于280MPa；注射速度1000mm/s，注射壓力應(yīng)設(shè)計(jì)不低于350MPa。

機(jī)筒加熱

加熱系統(tǒng)型式。工程塑料及其復(fù)合材料聚合物的熔融溫度一般都要達(dá)到350℃以上，聚苯硫醚的最高熔融溫度達(dá)到343℃，可見普通的電阻絲加熱圈不能勝任熔融溫度的要求。加熱元件應(yīng)選用耐高溫的綠色加熱型式，例如電磁加熱系統(tǒng)。

溫度控制性能。溫度控制的實(shí)時性能是其主要性能。工程塑料及其復(fù)合材料聚合物制品的拉伸強(qiáng)度直接與熔融溫度相關(guān)。例如，PPA制品的熔融溫度在330℃時，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到36kpsi的最佳狀態(tài)；如果熔融溫度波動到350℃，其拉伸強(qiáng)度下降到34kpsi，下降率為5.6%。往復(fù)式塑化的熔融性能缺陷是熔融料的前后溫度誤差大，特別在全塑化行程工況下，情況更嚴(yán)重。所以溫度控制的主要作用是補(bǔ)償這種缺陷，盡力使熔融溫度達(dá)到前后一致。

排汽控制

一般塑化的螺桿機(jī)筒沒有排汽功能，不利于熔融料的質(zhì)量控制。熔融料的水汽含量變化影響材料的粘度和制品的密度，密度的變化將表現(xiàn)為制品尺寸和重量的改變，而且很難建立一個穩(wěn)定的成型過程。在極端的情況下，溢料和缺膠可能會發(fā)生。塑料原料雖經(jīng)干燥后進(jìn)行塑化，但大多數(shù)耐高溫塑料都具有吸濕性，由于一些不可預(yù)見的原因，塑料原料的干燥度發(fā)生變化，所以螺桿機(jī)筒設(shè)計(jì)具有排汽功能，才能確保熔融料中的水分在嚴(yán)格控制的范圍之內(nèi)。

理論注射速度與實(shí)際注射速度

注射速度為平均注射速度，即需要考慮注射起始和結(jié)束的響應(yīng)時間。在超高速注射的工況下，注射起始及結(jié)束的響應(yīng)時間對注射速度的影響比較大。即注射速度與伺服電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能直接相關(guān)。例如一個產(chǎn)品總的注射時間為500ms，注射速度為1000mm/s，目前伺服電機(jī)最快動態(tài)響應(yīng)時間為15ms，再考慮到注射系統(tǒng)中其余運(yùn)動慣量的影響，系統(tǒng)注射起始響應(yīng)及結(jié)束的響應(yīng)時間各約為20ms，則實(shí)際注射時間為460ms，注射速度需要達(dá)到1087mm/s，才能達(dá)到1000mm/s的速度要求。所以，如果設(shè)計(jì)的理論注射速度為1000mm/s，則在實(shí)際運(yùn)行中，注射速度只能達(dá)到920mm/s。

如果選用普通的響應(yīng)時間為60ms的伺服電機(jī)，考慮到注射系統(tǒng)中其余運(yùn)動慣量的影響，系統(tǒng)注射起始響應(yīng)及結(jié)束的響應(yīng)時間各約為65ms，理論注射速度為1000mm/s，實(shí)際注射速度只能達(dá)到740mm/s。所以，如要達(dá)到注射速度為1000mm/s，理論注射速度需設(shè)計(jì)到1350mm/s。海天長飛亞天銳VE系列采用高響應(yīng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，提高啟動和制動的動態(tài)靈敏度，螺桿注射速度從0至500mm/s只需20ms的加速時間，為超薄制品的成型提供了保證。

傳動型式與效率

低速大轉(zhuǎn)矩交流力矩伺服電機(jī)直接驅(qū)動螺桿塑化，省去同步帶等減速機(jī)構(gòu)，可提高傳動效率。Krauss Maffei公司EX 系列全電動注塑成型機(jī)，塑化和注射的兩個裝置安裝在不帶同步帶傳動裝置的同一軸上的兩臺相聯(lián)直接驅(qū)動器上，每根軸分別由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動，保證了運(yùn)行方向直接將力傳遞給螺桿，減少了運(yùn)動鏈和橫向力。伺服電機(jī)直接驅(qū)動滾珠絲桿，提高了傳動精度及傳動效率。日本住友SE-DU Direct-Drive新型全電動注塑機(jī)由4個閉環(huán)控制和數(shù)字傳感器的直接驅(qū)動交流伺服電機(jī)作為動力源。直驅(qū)電機(jī)均無需同步帶傳動，除塑化外直接采用滾珠絲杠和螺母傳動，傳動效率、重復(fù)性能和持久性能顯著提高。

伺服電機(jī)的動態(tài)性能

全電注塑機(jī)的響應(yīng)速度較高。Niigata的新型MD-X 系列電動注塑機(jī)分別有55、85和110 噸的，在注射厚件時，新的注射單元、伺服機(jī)及控制可在19,575psi壓力下使保壓時間長達(dá)60至100 秒，注射反應(yīng)時間為55毫秒。日本JSW的J-AD Advantage 系列電動注塑機(jī)從40噸至1800噸不等，可最終代替其JSW的ELIII系列機(jī)，后者反應(yīng)時間250毫秒，而前者只需62毫秒。東芝110噸位的ECNII電動注塑機(jī)生產(chǎn)厚0.4mm、長2.7 in的PC指示燈，注射反應(yīng)時間低于38毫秒。住友的SE-HS中型電動注塑機(jī)適于高速生產(chǎn)薄壁件，生產(chǎn)周期為15秒，其噸位從242 至385 tons不等，注射反應(yīng)時間為25毫秒。

高速注射與運(yùn)行機(jī)構(gòu)

東芝機(jī)械制造有限公司推出了EC-SX全電動注塑機(jī)，它采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動螺桿，注射速度可達(dá)1100mm/s。Fanuc2000il00B超高速注塑機(jī)，通過在射出軸備超高輸出伺服電機(jī)，直連式驅(qū)動超高速注射速度可達(dá)1000mm/s。日本Fanuc公司開發(fā)了磁懸浮列車技術(shù)的直線電機(jī)來驅(qū)動超高速注塑機(jī)，其注射速度可達(dá)2000mm/s，加速度可達(dá)17 G。

高速化

電動注塑機(jī)以高速注射著稱，普通電動注塑機(jī)注射速度已達(dá)到300-400mm/sec。寧波海天HTD電動系列從64噸到396噸不等，標(biāo)準(zhǔn)注射速度150mm/sec，較高速度可達(dá)300mm/sec；克勞斯瑪菲的EX系列、住友的SE-HS中型系列注射速度均可達(dá)300mm/sec；米拉克龍推出的FanucRoboshot S2000i-B系列從55噸至330噸，注射速度為330mm/sec；Netstal的新型Elion電動注塑機(jī)可以提供三種不同的塑化系統(tǒng)，具有高速或高扭矩的特點(diǎn)或同時兼?zhèn)涓咚?、高扭矩的特點(diǎn)，注射速度可達(dá)250至450 mm/sec。東芝110噸位的ECNII電動注塑機(jī)生產(chǎn)厚0.4mm、長2.7 in的PC指示燈注射速度達(dá)400mm/sec；20噸位的生產(chǎn)薄壁PC件(0.4mm)注射速度可達(dá)550mm/sec。據(jù)稱，NiigataEngineering 公司的全電動注射成型機(jī)的注射速度最高可達(dá)600 mm/sec。(end)

來源：SDK機(jī)械手

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