节能超大型注塑机的开发

【资料简介】

摘要:本文介绍了kH-40000节能超大型注塑机的主要节能原理、成型工艺特性，介绍了挤出注射的复合塑化注射的节能高性能机构、卡式同步节能锁模机构、高性能复合节能液压系统。经实际应用表明，kH-40000节能超大型注塑机比普通大型注塑机成型能耗低近50%。HH-40000节能超大型注塑机的开发为超大型注塑机的开发提供了有益的启示，可供有关人士参考。

关键词：节能    注塑机   开发

 

   1         前言

   由于世界范围的环境保护，塑料货运托盘替代木托盘在世界各国已成为趋势，在这个市场需求的带动下，促进了节能、环保的超大型注塑机的开发。如何降低设备投资及降低成形能耗达到低成本注射成形超大型注塑件是国内外注塑加工行业研发的重点。目前，国内外超大型注塑机，基本上是在传统的普通的中、小型注塑机的原理上放大研发的，对传统注塑机进行简单放大，其机械机构，结构，控制原理没有作根本性的突破，其注射成形的原理还停留在传统的单射嘴注射成形原理，在注射成形工艺上主要存在着不能适应可用废旧塑料成形托盘之类超大型注塑件的加工，成形周期长，由于装机容量大、能量利用率低，成形能耗高，在整机的制造上主要存在着耗材多、重量大、装机容量大。目前，已开发的塑料托盘机，由于能耗高，不能加工回料等问题，托盘生产成本降不下，在一定程度上阻碍了超大型注塑机的发展，其发展空间已很小。本项目，针对以上情况，从降低注射制品的能耗出发，研发能加工回料、高速的40000g节能超大型注塑机，主要加工对象为以回料为主的塑料托盘，以适应市场的发展需求。

   2  节能超大型注塑机的节能特性分析

   2.1  注塑机节能特性分析

    注塑机能耗的本质，就是动力系统输出的能量，加工一个同样的制品，输出的能量少即节能。注塑机的成形能耗性能主要反映在制品成形所需的注射力与锁模力上,一台注塑机能够达到低压注射与低压（较低的锁模力）成形出与普通注塑机在高压注射与高压（较高的锁模力）的工况下成形出同制品，显然这台注塑机节能。注塑机的能耗性能主要反映在动力驱动系统的结构形式及能量转换效率上，以及驱动机构的结构形式上。注塑机的节能，实际上主要包涵三个方面，一是执行机构（合模机构、注射机构）的型式及其效率，二是动力控制系统的型式及其效率，三是节能注射成形原理。近年来，注塑机的节能有了很大的进展。注塑机生产厂家及塑料制品厂都很重视节能技术的研发和应用，主要在中、小型注塑机上进行节能技术开发，在动力驱动源上作开发，在液压驱动注塑机上，有变频控制装置的运用和负载敏感泵的运用等两种型式达到节能，用全电动或部分电动取代液压驱动源达到节能。从目前注塑机节能技术的现况来看，主要对注塑机节能技术的研发，缺少对节能注射成形原理的创新开发，还不能达到节能注塑机的节能性能的特征。节能注塑机与注塑机的节能既有相同点又有不同点，相同点是都具有节能的动力系统和节能的执行机构，不同的是节能注塑机还应必需具备节能的注射成形。从根本上实现节能注射成形，必须进行节能注射成形原理的开发，机构、电气控制及液压动力系统是为注射成形原理服务的，是一种辅助性节能。只有开发出新的节能的注射成形原理，配上节能的动力系统和执行机构，才能实现真正的节能，达到节能注塑机的节能性能。能耗直接反映到制品的生产成本，高能耗的设备使制品高成本，在市场激烈竞争的情况下，高能耗的设备没有生存的活力。

     2.2  节能超大型注塑机的节能特性

    根据超大型注塑机加工塑料制品的要求，节能超大型注塑机节能成形的主要特性是能够实现低压注射及低压成型,也是达到降低超大型注塑机成形能耗的关键。多点复合热流道注射成型，减小了模塑流长比，达到大幅度降低注射压力和制品成形所需的模腔平均压力，降低成型所需的锁模力，达到节能。如：加工1.2mX1.0mX0.16m塑料托盘，设定模塑流长比小于1：50，当进行结构微孔注射时（HDPE），注射压力30Mpa,模腔平均压力6.5MPa，需锁模力7800KN；当进行普通实体注射时（HDPE）注射压力为51Ma，模腔平均压力9.5MPa，需锁模力11400kN。而现在国内外“塑料托盘机”多为单点注射,流长比大于1:150,机器注射压力:110MPa，模腔平均压力:20-30MPa，需锁模力为30000kN。

   3  kH-40000节能超大型注塑机的主要节能特点

    3.1  节能超大型注塑机的开发关键思路

   超大型注塑机与一般注塑机的节能特点有所不同, 一般注塑机的一些节能技术可以运用到超大型注塑机上，但更重要的是必须根据节能超大型注塑机对节能的具体要求,开发节能技术。本项目围绕低压注射及低压（模腔压力）成型的节能原理，针对超大型注塑机的特点，开发节能技术、节能机构、控制系统，研发节能超大型注塑机。

   3.2  低压多点热流道注射成形，达到降低注射压力损失和减小了模塑流长比，实现注射节能

   3.2.1  降低注射压力损失

降低注射压力损失实现注射节能的重要措施不力。目前，普通的超大型注塑机，基本上是单一喷嘴单点注射，大约有50%以上的注射压力在物料通过喷嘴过程中损失掉，仅有一小部份的注射压力起到注射成形制品的作用，特别在大型塑料制品的注射成形中注射压力损失优为明显，而且单一射嘴，在短时间内射出大量熔融物料，必定为造成喷嘴处局部物料过热，制品性能劣化。注射压力的损失，不但造成能量的大量浪费，而且影响到制品的质量，主要缺陷，一是由于高压成形制品内应力大，二是制品内部应力分布不均，三是浇口出物料容易变色，特别在大型塑料制品的质量上特别明显，如德国REMANPLAN专门生产塑料托盘超大型的加工回料注塑机，注射为加大直径的单一射嘴，对其生产的1.5mX1.2mX0.16m托盘观察：托盘中心浇口处呈现明显黑色，说明浇口处注射压力大量损失转化为热能,使物料过热变黑。

    降低注射压力损失，通过增大喷嘴口面积途径才能达到。增大喷嘴口面积，加大单个喷嘴口径，但这是有限的，本项目采用多喷嘴多点注射，同时加大单个喷嘴口径，结合热流道技术，实现多点热流道注射成形，达到减小了流长比及大幅度降低了注射压力。可实现模外热流道注射，把注射压力损失降到zui低，同时简化了热流道及喷嘴的结构。

   3.2.2 多点热流道实现低压注射

    本项目为使每个喷嘴的射出温度正常, 每个射点的注射速率小于500g/s，射出的熔融物料小于4000g，注射点数可根据此要求设置，可为9、13、17、25、32等射点数。以注射垃圾桶为例，在普通注塑机上，注射压力需120MPa，在本项目上，注射压力仅需60MPa，从注射压力能耗来比较，后者比前者节能50%。

     3.3 电驱动连续不间断塑化，达到塑化节能

    注射塑化的能耗约占注射能耗的70%，所以降低塑化能耗是节能注塑机的关键。降低塑化能耗，主要通过提高驱动塑化螺杆执行机构的效率及传动效率和降低塑化的驱动功率，前者一些厂家用电驱动取代液压驱动达到提高工作效率，后者的节能形式在超大形注塑机上的开发应用优为重要。本项目根据注射塑化的本质，结合超大型注塑机的注射成形的实际，开发把电驱动和降低塑化驱动功率两者结合起来的新型的塑化机构，达到大幅度降低塑化能耗的目的。

    降低塑化驱动功率，必需减小螺杆直径及降低螺杆长径比，但同时必须满足塑化能力的要求。根据这一性能要求，根据挤出塑化的原理，开发了连续不间断塑化的机构，即在整个注射成形过程，塑化动作独立，塑化螺杆始终运转。塑化注射机构为卧式结构形式，主要由塑化部件，储料部件、柱塞注射部件、塑化储料两个筒与注射筒之间的流道及流道开关等组成。塑化机构的主要工作的原理是：螺杆塑化的熔融料进入储料筒，流道开关打开，储料筒中熔融料及塑化的熔融料进入注射筒，注射筒储料开始，注射筒储料结束，流道开关关闭，塑化料进入储料筒。由于塑化为连续不间断，大大减小了塑化螺杆的直径，本项目的塑化螺杆的直径仅为90mm，而同注射量的普通注塑机的塑化功能为塑化量止螺杆塑化停，螺杆的直径为230mm，前者的塑化驱动功率仅为后者的1/5，极大降低了塑化能耗。本项目的驱动塑化螺杆执行机构采用了交流变频电机带动减速机驱动螺杆塑化的传动机构，提高了驱动效率，同时起到了使塑化量与成形周期达到*的匹配，驱动电机的功率为45kW。

     3.4  直接锁紧模具的液压-机械卡式锁模机构，降低锁模能耗

     锁模的本质是锁紧模具，移模的本质是移动模具和启模。本项目根据这工作原理，把锁模和移模的两种功能分别在两个部件上进行，整个部件的结构形式为立式，上下垂直移模，水平横向移动锁模。液压-机械卡式锁模机构，是应用斜面增力机构的原理，用两个小油缸同步推动各自的斜锲锁模块卡紧模具上相配对的斜锲，产生锁模力，在注射及冷却过程中，锁模缸卸符。本项目的该种合模机构，移模行程如全液压注塑机那样不受机构结构的限制，可根据用户的需要进行制造，锁模如肘杆机构那样具有快速及节能的特性。

    3.5  应用液压节能新技术，大幅度降低液压系统驱动装载功率

    根据本项目注射成形塑料制件的要求及节能机构的要求，充分应用液压节能的新技术，大幅度降低系统驱动装载功率，降低了系统驱动能耗。

    蓄能器节能技术的应用。本项目注射速率要求达到5000cm³/s，注射时间为8s，为此应用了8个100L的蓄能器。启模要求快速，以缩短成形周期，在启模液压回路上加了一个100L的蓄能器。

    充液阀节能技术的应用。在移模的无杆腔回路上，应用充液阀，减少了对系统的流量需求。

    负载敏感比例节能泵的应用。为达到液压系统*的节能效果，泵源的液压泵应用了负载敏感比例节能泵。

    插装阀节能技术的应用。整个系统基本上都应用了插装阀，起到了快速灵敏和节能的效果。

    整个液压系统应用了液压新技术，泵源的液压泵的流量仅为70L/min，驱动电机仅为37kW，相当于普通1000g注塑机的泵源的装载。

    4   kH-4000节能超大型注塑机的主要部件特点及注射成形原理和工序

    4.1  主要部件及主要特点

     kH-40000节能超大型注塑机,由挤出塑化部件、柱塞注射部件,全液压移模部件、液压机械斜锲扩力锁模部件、自动取件机械手、热流道注塑系统,人机对话通讯控制系统,比例液压动力系统等组成。

    本机为水平注射装置，立式合模、锁模。开模时“取制品车”进入，制品落在“取制品车”上，取制品车自动退回，其过程无人操作，完成自动生产。传统卧式大型注塑机开模时，操作工进入机器内取出制品，属于危险作业。普通型传统卧式大型注塑机，由于取超大型制品的机械手还没法实现，不能实现机械手取制品。

     普通型传统卧式注射量40000cm³大型注塑机重200吨，需要委托专业大件运输安装公司进行作业，对厂房、设备基础都有很高的要求。

本超大型塑料注射成型机总质量55吨，以液压接口为界点，分成若干模块，可用5吨吊车安装，可用普通卡车运输，厂房为普通厂房。

    新料、回料的实体注射成形,微孔发泡注射成形。

   4  .2  节能主要机构的创新

    4.2.1  节能合模机构的创新

    整个合模机构为立式。合模机构把移模与锁模分为两个部件，移模仅负责模具上模具的开模与合模，锁模仅负责对模具锁紧，在液压回路中设有蓄能器和大流量充油阀，起到了节能快速移模。下模具安装在模具车上。锁模是两锁模油缸活塞杆同步推动两锁模卡直接卡紧模具模脚通过斜锲扩力机构产生锁模力，锁模力直接作用于模具上，而不是普通注塑机那样锁模油缸的推力首先作用于模板上然后通过模板作用于模具上产生锁模力，所以不需要普通注塑机那样需要刚度十分*的固定模板与移动模板，两个内径160mm的锁模小油缸，大幅度降低了对系统能量的需求量。移模的推板仅起到固定上模具的功能，厚度仅为120mm。可见，这种合模机构，在达到成形所需锁模力的情况下，移模与锁模速度快周期短；由于锁模原理从根本上作了创新，省去了超大型普通注塑机中占整机重量很大份额的模板，所以大幅度降低了合模部件的重量。

     4.2.2  节能注射塑化机构的创新

    普通的卧式大型注塑机的注射塑化机构，普遍采用低速大扭矩油马达直接驱动螺杆的一线式机构，这样为达到塑化量必须采用大直径的螺杆，而且在成形工艺上，螺杆塑化为间歇式工作，对塑化油马达的资源没有得到充分利用。本项目根据超大型注塑机的注射塑化的实际情况，把塑化与注射分为两个机构，使塑化机构在整个工作过程中，连续不间断工作，这样在达到塑化量的前提下，大大减小了塑化螺杆的直径，从而大幅度降低了系统的装载功率及塑化驱动力。注射机构采用柱塞式，提高了运转可靠性。

    4.3  注射成形工序

    挤出塑化由电机带动减速机传动螺杆连续运转塑化，熔融物料可进入存储缸及注射缸。

   自动过程开始的必要条件：动模板处上位，锁块处后位，注射缸料量到，分配器关闭，取制品车处后位。（此时熔融物料进入存储缸，存储缸自由后退。）

自动过程：自动始，动模板压下、合模，（快速转慢速）锁块锁模，注射缸注射，（注射分段：注射Ⅰ，注射Ⅱ，保压）注射毕，分配器开放，存储缸推进，（注射缸快退）至前位自锁。熔融物料直接进入注射缸，当注射缸到料量，分配器关闭，同时注射缸微后退（防流诞）（此时存储缸又自由后退）至设定冷却时间，锁块打开，动模板上升，（慢速转快速）取制品车进入，制品经推料杆顶出，制品落入取制品车，取制品车后退至原位，自动终。

     其它说明：制品为普通实体注射嘴、实体注塑*相同，熔接痕也与实体注塑相同。

     射嘴为普通实体注射嘴，射嘴的设计、浇口锥度、球面R均按普通实体注塑模具技术规范。

    注射缸、存储缸的予塑背压，以螺杆背压力为基准进行换算，按换算调定二者背压值。

     5  kH-40000节能超大型注塑机主要技术参数

 

理论注塑量	cm3	40000
注塑重量（PS）	g	36000
zui大注射压力	MPa	90
注射速率（PS）	cm3/s	5000
塑化能力（PS）	g/s	103
塑化螺杆直径	mm	90
注射柱塞直径	mm	160
塑化螺杆长径比	L/D	1：20
塑化装机容量	kW	45
锁模力	kN	32000
zui大成型投影面积	cm2	18000
快速移模	cm/s	20
低速移模	cm/s	3
zui大模厚	mm	1200
zui小模厚	mm	700
锁模行程	mm	2X305
移模行程	mm	1600
推荐注射点数		9，17，25，36
顶出力	kN	480
顶出行程	mm	240
液压系统装机容量	kW	37
塑化电机	kW	45
加热系统装机容量	kW	125
总装机容量	kW	210
机器质量	t	55

 

 

 

    6 kH-40000节能超大型注塑机的开发推动了超大型注塑机的科技进步

    6.1  突破了超大型注塑机超大注射塑化量的开发瓶颈

    突破了超大型注塑机的注射塑化量开发瓶颈。注射塑化量是超大型注塑机的一个重要参数，普通注塑机的机构结构形式，注射塑化量依赖于注射塑化螺杆直径，注射塑化螺杆的直径决定了塑化驱动元件（液压马达）的驱动能力，决定了液压系统的装载功率。注射塑化量的设计成为超大型注塑机的开发瓶颈，例如，在普通卧式注塑机上开发50000g的注射塑化量还可以，如要开发100000g的注射塑化量，甚至于更大，在理论是可行的，但在制造加工上有很大的难度，在驱动塑化元件上还存在很大的困难，在制造成本上更是难以接受。本项目的注射塑化机构结构，注射塑化量与塑化螺杆直径无紧密直接的，用小螺杆可塑化达到大的注射量，用现有的开发及加工技术可达到300000g注射量的要求。   

    6.2突破了传统注塑机的锁模原理    

    传统注塑机的锁模原理是，锁模动力执行机构把力通过模板作用于模具上，产生锁模力，这种设计思路，必须考虑到模板的刚度与合模力相匹配，运用到超大型注塑机的设计思路上，模板的重量及几何尺寸必然会很大，在制造加工上，难度很大，成本很高。本项目根据锁模的本质，把锁模与移模的两个功能分开，在满足安装模具的情况下，尽可能减小移模的移动模板的几何尺寸，移动模板的厚度仅为120mm。

     7 项目与传统的单射点、卧式大型注塑机技术性能对比

    kH-40000超大型节能注塑机其机构、结构、控制原理、注射成形原理、注射工艺作了根本性的突破，为*,超大型注塑件的注射成形能耗达到，总体技术水平达到*。

本项目与传统的单射点、卧式大型注塑机技术性能对比

	传统的单射点卧式大型注塑机	kH节能超大型塑料注射成型机
工艺形式	老工艺： 小注塑工艺被直接拿 来用于大注塑成型	创新工艺：多点复合注射成型及结构微孔注射、普通实体注射的可转换。
注射点数	1	9、13、17、25等
注塑质量	工艺实践：当25g熔融物料瞬间经单一射嘴注射，制品浇口处有黑斑，制品颜色变暗。经检测射嘴处温升至900℃，物料局部燃烧，使制品品质劣化，单一射点进行超大注射属工艺缺陷。	每射点射出物料小于4000g，射嘴工艺温度正常，熔接痕与单点注射品质相同，制品应分布均匀，长期存放不易变形
模塑流量比控制	大于1：150	小于1：50
加工回收废塑料及流动性差的物料	不能	能
装机总容量（kW）	400~420	205
锁模力作用位置	作用在模板上	直接作用在模具上
机器重量（吨）	160~180	55
机器安装、运输、厂房条件	需专业大件运输、专业大件安装、专为机器设计厂房	普通卡车运输、普通5吨天车安装、普通厂房。
1210A塑料托盘价格（元/件）	220 （原料）	150 （含40%塑料回料）
1210C塑料托盘价格（元/件）	无	98 （全部为塑料回料）
平均每件耗电 （度）	18	9
高分子材料大注射技术的发展及意义	老工艺用于大注射成型已无发展空间。	立足本工艺和现有技术能力，可发展生产注射量达180000cm3的超大型塑料注射成型机，如加工风力发电超大型塑料扇叶，注塑的汽车塑料外壳，HDPE回料的铁路“塑料枕木”、高速公路塑料防护墩、军事工业大型密封塑料容器等。 本项目创新技术的突破，改变了高分子材料大注射成型这一技术领域长期被欧美*国家垄断的局面，具有国家技术进步意义。
项目技术转化为新兴产业的可能性	传统的单射点、卧式大型注塑机的“高能耗”、不能“吃回料”、机器庞大笨重、机器价格昂贵。 老工艺不适合我国环保产业政策，在市场激烈竞争的今天，更不会得到用户的认可。	HH超大型塑料注射成型机为高分子材料大注射成型的工艺创新，节能50%、“吃回料”、机器成本低。具有超大型注塑的突破和显著的环保、节能意义，符合我国国情，体现国家技术进步。 本项目可实现两大环保新兴产业：塑料托盘替代木托盘的新兴产业和大型塑料垃圾箱用于社会化垃圾分类、回收，垃圾资源化的新兴产业

    8 本项目推广应用前景

   kH-40000超大型节能注塑机适应加工塑料原料范围广，能进行多种型式注射成形，能耗低，生产效率高，安全性能好，性能价格比适应市场，符合国家的环保和能源发展政策及再生资源利用政策，具有良好的推广应用前景。