中空成型机吹塑技术研究进度
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多数机型还配备有液压伺服系统，以实现塑料型坯挤出时的壁厚控制系统。根据原料和挤出成型方法的不同，挤出吹塑中空成型可分为多层中空成型和单层中空成型(包括共挤出吹塑)。目前广泛使用的挤出吹塑中空成型机主要有单层挤出吹塑中空成型机和多层挤出吹塑中空成型机两种，每种机型又分为连续挤出和间歇挤出两种方式。此外，根据工位的数量，大型中空成型机还有单工位和双工位之分。
2各组成重要部件的研究与发展现状
2.1挤出机挤出机由加料系统、挤压系统、传动机构、加热冷却系统和控制系统等组成。螺杆为其关键部件之一，目前较为广泛使用的是单螺杆。在实际的生产过程中，我们注意到制品容量在100L以内时，中空成型机多采用普通单螺杆挤出机；但如果制品容量在150L以上，则多采用IKV结构挤出机。这是因为，容量在150L以上时，制品要达到所需强度、刚度、使用寿命，原料则多采用高分子量高密度聚乙烯(HMWHDPE)。普通单螺杆挤出机对HMWHDPE材料的加工能力不足，主要表现在挤出效率不高；而IKV结构挤出机具有强制进料、强制冷却的优点，其机筒加料段衬套上开有宽而深且形状不同的纵向沟槽，并设计有强制冷却的夹套结构，这样就可以极大地提高物料输送效率，从而使挤出量保持稳定。虽然IKV结构仍存在如螺杆与机筒的进料段前端约4~10倍螺杆直径的区域磨损较快等不足，但在这一部位上采用双金属螺杆和双金属机筒的结构即可使其耐磨性提高1~2倍[2]。目前一些大型的中空成型机制造厂家在IKV结构螺杆的基础上，将分离螺杆、屏障型螺杆形式和IKV结构形式完美结合在一起，研制出了高效、综合性能优良的单螺杆挤出机，并且已将其应用在大型中空成型机上，同时取得了较好的效果。目前，挤出机加热系统普遍采用的是电加热圈装置，它的能源利用效率较低，而正在研究开发的螺筒感应加热技术则是一种用于挤出机机筒加热的新型高效节能的加热技术[2]。首先，它采用了优化设计的高频电源，加热系统中两个半圆形的螺筒与线圈之间存在一个减缓散热的真空成型保温层，这样可使螺筒加热效率达到95%以上，同时明显改善和提高了温度控制的响应；其次，利用绝缘套管，进一步将感应加热的辐射损失降至最小；此外，螺筒感应加热系统位于挤出机机筒内部，使热传导时间明显缩短，与电加热圈相比，其达到稳定响应的时间可缩短至原来的2/3~1/2。综上所述，使用螺筒感应加热后，提高了挤出机的加热效率、改善了热量分布状况，缩短了对温度控制的响应时间，进而显著提高了成型制品的质量。可以预见，螺筒感应加热器技术可能在未来几年内得到更多的试验与研究，并使该技术迅速地在挤出机和大中型、超大型储料机头的加热系统方面得到推广和应用。
2.2大型储料机头储料机头是间歇式吹塑成型机的核心部件，它是把储料腔设置在机头的流道内，由挤出机直接向机头挤料，进而保障了塑料熔体的“先进先出”。目前，储料机头的流道主要有两种形式：单层心形包络流道和双层心形包络流道。早期较多采用的是单层心形包络流道，但是由该流道的储料机头挤出的型坯周围存在明显的熔合缝区；而采用双层心形包络流道的储料机头挤出的型坯，其周围被完整的熔料层所覆盖，从而使熔合缝区的强度得以提高。双层心形包络流道的储料机头是一种高性能储料机头，其工作原理是将熔合缝区分成两处并错开分布，使型坯被完整的熔料层所覆盖，从而有效提高熔合缝区的强度。双层心形包络流道的储料机头较多地应用在大型全塑桶的中空成型机上，目前，国内1000L以上的大型中空成型机的圆形储料机头基本采用该流道设计。储料机头的一个重要的衡量指标是其换色、换料的速度。国际上很多著名的公司在解决换色、换料速度问题时，更多地还是依靠合理的流道设计，如在储料机头储料腔的上部设计了溢料孔，同时，溢料孔还可保障储料机头的安全：一旦生产过程中伺服系统出现意外故障，可控心模不能下移，电控系统的保护同时失灵，而挤出机仍在挤出时，溢料孔对储料机头即可起到最后的保护作用。合理的结构再加上先进的设计手段才能取得最佳的效果。目前国内有些厂家已将CAD/CAE技术应用于设计之中，并选用了优质钢材和精密的加工设备，从而确保了储料机头较高的质量和性能。目前多层共挤中空成型机在国外发展迅速，在国内却仍是一个薄弱环节。多层共挤机头设计的关键是流变设计。合理的流变设计，可使机头摆脱原料黏度(与原料分布有关)对生产率的影响；使机头在低挤出量下具有良好的自清洁功能，在高挤出量下剪切热较少；促进层组合原料均匀分布，且使挤出量和挤出量比可调，还能增加可加工的塑料原料的种类。另外，大型多层共挤出中空塑料成型机采用的是配有同心环形活塞的储料式机头，其中主机头在各层机头的上方，并且使机头与储料腔成为一体，从而实现低压下型胚的高速挤出[3]。近些年来，随着市场上对多层共挤制品需求的不断增加，一些厂家相继推出了双层双色储料式中空成型机，产品质量得到了极大提高，生产成本大大降低。例如，衡阳华意机械橡塑机有限公司开发的HYB-75D三层共挤双工位模内贴标中空成型机，采用四模头双工位，配备了精确的集成PID温控系统，并可实时检测各螺杆的挤出压力，自动去飞边，在不影响制品阻透性的情况下通过精确的西门子全电脑控制减小中层及内层厚度(0.03~0.05mm)，填补了国内空白；另外，陕西秦川塑料机械厂生产的六层500L共挤出中空塑料成型机，已达到德国同类机的水平。
2.3合模机构挤出吹塑中空成型机合模机构主要作用是固定吹塑模具，使塑料型坯能在模具中快速成型为吹塑制品。合模机构应具备如下功能：模具的开合既能快速也能慢速，四开模机构能够上下开合；能够实现塑料型坯的扩坯、预夹与吹胀，高压锁模，制品的低、高压吹胀成型，安全门的开合，以及模具的快速更换等。大型中空机的合模机构，近年来正逐渐向节能方向发展[4]。其结构早期大都采用四板液压直动式，现在广泛使用的是液压节能型的四拉杆三板联动式及更先进的斜对称二拉杆三板联动式。通过将快速移模缸与增压缸分开，用较小的液压缸推动三块模板的联动快移，在较小的液压泵的条件下获得更高的移模速度，再利用增压缸进行高压锁模，这样既缩短了移模时间，又具有节能的效果。另外，销锁式无拉杆合模机构是近年发展起来的一种新型节能合模机构，具有锁模力分布均匀、运动精度高、装卸模方便、模具容量大、节能等特点。其移模运动由较小的移模压缸或伺服电动机通过滚珠丝杠来实现；运动副采用摩擦系数小、运动平稳、运行精度高的滚珠直线导轨，由伺服电机驱动移模机构，既高效节能又具有高刚性、高精度、高灵敏度的运动性能。
2.4型坯壁厚控制系统良好的预成型坯设备可以以最小的原料消耗获得壁厚分布均匀且结构稳定的制件，因而对于形状要求日趋复杂的中空塑料制品而言意义重大。在型坯忌型阶段，同时考虑各部分的吹胀比、挤出膨胀、下垂及回弹等因数，设计出合理的型坯壁厚分布曲线，从而调节电液伺服系统，对模芯缝隙的开合度进行调控，进而实现了对型坯壁厚分布的调节。这样既节省了原料，缩短了成品的冷却时间，又降低了次品率，提高了生产效率和产品质量。制品耐冲击试验表明，壁厚均匀的制品在强度上有很大的提高。壁厚控制系统即位置伺服系统，在中空容器的生产过程中，为了保证制品的质量，要求被控量能够准确地跟踪设置值，同时还要求响应过程尽可能快速。它主要由显示装置、PLC控制器、电液伺服阀、动作执行机构和位置检测元件构成。当机头口模打开时，PLC控制器读取位置检测元件反馈的型坯长度，然后根据型坯壁厚曲线，通过高精度模拟量输出模块输出电压信号给电液伺服阀，伺服阀直接驱动执行机构控制模芯上下移动，从而调整口模与芯模的间隙大小来控制口模的开度，进而完成型坯壁厚的闭环控制[5]。目前中空成型机的储料机头一般都具有轴向壁厚控制系统，可以改善制品高度方向的壁厚分布，但对部分在某一对称方向有较大拉伸要求的制品仍显不足，因而产生了径向壁厚控制系统，目前径向壁厚控制系统主要由柔性环式和口缘修型式两种。将轴向壁厚控制与径向壁厚控制技术相结合可获得更为理想的塑料型坯。目前研发一套径向壁厚控制系统的附加费用还是很高，但可以预见，随着对径向壁厚技术研究的逐步深入，其在中空成型机上的应用必将更为广泛。塑料加工机械的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。国外先进塑料机械的控制系统普遍采用以PLC等为核心的可编程系统，并在一些高精度塑料机械上采用了模糊控制、统计过程控制(SPC)，以及基于网络的远程监控、故障诊断和控制系统。例如，美国穆格公司研制的30点和100点的壁厚控制器(DIGIPACK)，可用于控制储料缸式和连续式吹塑成型机的型坯壁厚。储料缸式吹塑成型机常用于制造较大的容器，DIGIPACK根据储料缸电子尺的反馈控制口模开度，液晶显示屏(LCD)上的纵坐标显示储料缸位置，横坐标显示口模开度；连续式吹塑成型机通常有多个模头，DIGIPACK根据工作循环时间控制口模开度，此时LCD上的纵坐标显示循环时间(通常是以切刀动作作为一个完整循环的开始)。目前国内中空成型机上的壁厚控制系统多为国外品牌，如穆格、贝加莱、西门子等，从而出现国内中空成型机的成本较高，而附加值和效益却相对较低的尴尬局面。
2.5电气自动控制系统大型中空成型机的电气自动控制系统主要由PLC、触摸屏和外围电气设备构成，从而实现对整机动作程序、液压伺服系统、温度控制系统、主液压系统、挤出机设备、配混料系统、自动上料系统及边废料回收粉碎系统的全面控制。大型中空成型机的电气自动化控制系统中，主控制器多采用PLC，显示器及数据、参数的修改(人机界面)则较多地采用了触摸屏。而作为挤吹中空机核心技术之一的型坯自动闭环控制技术被美国的穆格、巴勃-考曼、奥地利的贝加莱等少数几家公司垄断，提供给国内厂商的只是单一的型坯壁厚伺服控制装置或PLC系统，相关技术核心都被层层加密，国内厂商只能被动使用，无法根据自身特点形成全方位的控制系统，而且以上系统售价昂贵(10000美元以上)，大大增加了设备的生产成本。因此，95%以上的国产吹瓶机不具有型坯自动闭环控制功能，其余也只是简单叠加了进口型坯壁厚伺服控制器。同无型坯控制设备相比，简单叠加进口伺服控制器虽提高了型坯的精度，但总体来说它只是小闭环，对挤出、机械动作等的波动无抑制作用，无法对整个型坯产生过程的各个环节进行闭环控制[6]，因此，为使制品的力学性能达到要求只能整体加厚制品壁厚，致使制品单重增加，浪费了原料，并造成制品壁厚控制不精确(其偏差高达15mm)、制品单重偏差大(4%)、合格率低。
2.6液压与气动系统随着新技术和新产品的采用，液压系统作为中空成型机的主要动力系统正向节能环保的方向发展，国内多家中空成型机设备制造厂均已开发出较为节能的设备。但由于国产液压元件的稳定性不佳，国内中空成型机设备制造厂家大多采用进口元件来组装液压系统。液压传动的挤吹中空成型机是一个多执行机构系统，各执行机构/元件周期性断续工作，各个动作的液压能量需求差别大，并且仅短时需大流量，如制品冷却、保压时基本不需要液压能，而挤坯时液压系统的能耗则占整机能耗的30%~50%。挤吹中空成型机液压系统由动力驱动系统和型坯壁厚控制系统两个部分组成。挤吹中空成型机的动力驱动节能技术，就是通过动力驱动源能耗与执行机构所需液压能之间的适当匹配，使液压系统达到装载功率最小、电能利用率最高、液压能耗最低的要求。目前主要有以下几种先进的型式和系统[7]：(1)变量泵+双比例液压驱动系统；(2)双联泵+蓄能器辅佐动力驱动系统；(3)交流伺服电动机动力驱动系统；(4)变频液压动力驱动系统。此外，中、大型挤吹中空成型机液压系统中一般都设置了蓄能器，从而进一步确保了大流量、低能耗、低装载功率的节能环保生产。
3中空成型机的发展方向
随着化学工业的迅猛发展以及化工产品在国际贸易中的比例不断扩大，对大型挤吹中空容器的需求增长迅猛，从而将带动大型挤吹中空塑料成型机的发展。大型挤吹中空塑料成型机研发的重点将主要集中在节能、高效等方面。缩短生产周期、提高生产效率是大型挤吹中空塑料成型机发展的重要内容。与生产效率有关的主要因素是塑化能力与吹塑冷却成型时间。提高塑化能力，即提高螺杆机筒的塑化性能和输送能力，是提高生产效率的先决条件。缩短吹塑冷却成型时间的关键是提高吹塑系统性能，其主要技术指标是吹气压力和气体温度。大型中空塑料制品的壁较厚，所以吹塑系统性能不但关系到生产效率，而且关系到制品的质量，尤其是型坯熔合缝的强度；而提高吹气压力，使用低温干燥高压空气吹塑，是缩短吹塑冷却成型时间以及提高制品质量的关键。高性能储料式机头必须具有合理的流道结构，能充分适应塑料熔体的成型工艺要求，并可实现快速换色换料[8]。为提高储料式机头的性能，必须使机头能够提高熔体熔合缝区的强度。积极的做法是采用先进的CAD/CAE技术，优质的钢材和精密的加工设备，以及先进的CAM加工方法。合模机构应具有运动精度高、速度快、装卸模具容易等性能。近年来发展起来的液压同步驱动无拉杆合模机构，采用互相对称的两套液压驱动机构同步分别驱动各自的模板，由于锁模时受力均匀，在不影响模板强度的情况下可使模板材料使用量大大减少，所以能降低模板的重量，减小锁紧变形量，使装卸模具更容易、容模量更大、更适合机械手的操作，而性能则比插销式无拉杆合模机构更优越，更值得推广应用。制品壁厚最佳化是大型挤吹中空塑料成型机制造商追求的一个主要目标，同时也是一项关键技术。径向壁厚分布系统可对在对称方向有较大拉伸要求的制品进行最佳壁厚控制，并使挤出的型坯在某要求的区段内呈非圆截面变化，因而对提高制品质量，改善曲面部件内外部半径的厚薄均匀性具有重要意义。同时，它还能在保证质量的前提下，降低制品重量。
4展望
近年来，中空成型机设备制造业获得了高速发展，并在我国塑料机械制造行业中占有重要地位。随着国家将高端塑料成型设备制造业纳入政策支持的重要装备行业，以及国内外用户需求的快速发展，中空成型机制造业将得到进一步的发展与进步。从国内外市场的发展趋势来看，由于塑料瓶、塑料桶、汽车配件和工业吹塑件等多种吹塑制品规模化生产的需要，各种高速、稳定、节能、辅机配套完善的专业化、全自动生产线将是未来几年的发展主流。由于国内地区间工业发展不平衡，以及国外市场对中空成型机技术要求的不同，中空成型机企业的研发与制造不仅要满足不同档次设备的市场需求，还应注重研发生产运行稳定并且高效节能的专用中空成型机设备，为进一步拓展市场空间和进军高端产品市场奠定基础。
作者：张礼华张萍邱建成何建领单位：江苏科技大学机电与动力工程学院苏州同大机械有限公司
