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    基于生態環境保護原則的“十三五” 注塑機的“新常態”創新驅動(三)

    [ 寧波市塑料機械行業協會 ] 發表于 2016-04-22 10:47:10 瀏覽量:0
     4 基于生態環境保護原則的注塑機的綠色機構/結構的“新常態”創新驅動

    注塑機的型式不同,但都有合模、注射兩大注塑機構,服務于成型加工對象的“現實需求”和“潛在需求”的綠色化的前提下,實現自身的基于生態環境保護原則的機構/結構的科學發展

    基于生態環境保護原則的注塑機機構/結構的新常態創新驅動科學發展的研發要點:

    1)創新機構,實現資源節約化、能效高效化、運行高速精密清潔化,最大限度提高生態環境保護的性能。

    2)成型多能化、功能化,最大限度拓展成型加工能力的效率。

    3)結構模塊化,減少主體的制造量,達到鋼材資源利用的最小化、減少碳排放。

    4)加工綠色化,大力開發低污染、低能耗、無公害的加工工藝,最大限度地利用原材料,減少制造過程中污染物的排放,有害排放物降到最低。

    5)零件壽命最大化,減少零件報廢給生態環境帶來的污染。

    4.1 合模機構/結構的新常態創新驅動

    基于生態環境保護原則的合模機構的新常態科學發展的研發重點:

    1)鋼材資源節約型制造。合模部件鋼材用量占到整個設備的40~60%,實現資源節約型制造的重點。創新創造傳動效率高效化的制造材料節約化的機構。CAD設計、有限元分析等先進設計手段,實現單件模板的材料配制合理化。CAE制造,實現金加工切削材料最小化,合格率最大化。

    2)潤滑污染控制。肘桿合模機構整機潤滑污染的重點。創新創造清潔化潤滑結構,實現無潤滑污染運轉。

    3)節能化運行。科學設計,提高合模機構的傳動及運行效率,降低無效能耗。

    4)壽命可靠化。合模部件一旦失效而維修的工作量和成本很大,成型加工穩定性、使用壽命可靠化極為重要,是設備可靠性的設計重點。

    4.1.1 合模機構的能效設計

    合模機構的能效直接反映在機構效率上,機構效率高,意味著所需動力驅動能量少,對液壓驅動系統來說,減少了液壓系統對環境的污染的因素。

    提高合模機構的能效的設計核心是提高機構的能效。根據能量守恒定律,成型加工一個制品,不論采用何種型式的合模機構,其制品所消耗的能量是相同的,但實際消耗的能量是不同的,這就是機構的能效不同。驅動肘桿合模機構的液壓工作油量小,液壓能量在輸送過程中的損耗空間小,所以,液壓能利用率高。普通的直壓式合模機構,所需的液壓工作油量大,液壓能量在輸送過程中的損耗空間大,液壓能利用率低。油液再生的直壓式合模機構,高壓鎖模僅需很小體積的高壓液壓油,快速移模的大體積液壓油來自于油缸的回油腔,把回油再生為工作油,工作過程中,僅需少量的系統補給油,系統實際輸給油缸的工作油同比肘桿機構還要小,所以液壓能利用率高,也就是能效更高。

    傳動效率高效化。伺服電機驅動肘桿機構的綠色設計的重點是研究是降低傳動機構的能量損失,例如用力矩伺服電機直接驅動滾珠絲桿副取代高速伺服電機通過同步帶傳動副間接驅動滾珠絲杠副,簡化了中間環節,達到提高系統傳動效率。

    合模機構的形式方案確定之后,機構的資源消耗與能耗之間兩者關系的類似設計上,考慮到機構制造的資源消耗是一次性的、機構的成型能耗效率是生命周期的長期性的因素,貫徹能耗優先的設計原則。

    肘桿合模機構的效率同機構的剛度相關聯,直接反映在機構彈性變形主要件拉桿剛度和肘桿系統兩者的剛度比值上,兩者的剛度之比與機構效率成類似正比關系。

    4.1.2 基于合模機構關聯剛度的零件減量化設計

    肘桿合模機構的力學性能是機構內部以模具為力作用點、主動推力與拉桿等彈性變形件被動產生彈性反作用力組成平衡力系的內力矢量循環的力封閉的彈性變形的剛度系統。

    傳統對合模機構的零件設計上,脫離合模機構的彈性變形的剛度性能及零件之間的關聯剛度性能,用強度理論孤立地設計機構主要彈性變形件拉桿直徑和肘桿等彈性變形件的截面積,造成彈性變形件的設計與機構彈性變形性能相互脫節,例如在肘桿、拉桿等彈性變形件截面的幾何尺寸、模板撓度值等的設計上,沒有深入研究機構及零件的彈性變形之間互相聯系、互相制約的彈性力學運行的本質,沒有運用彈性變形的理論和準則來研究分析零件的減量化設計。

    基于合模機構關聯剛度的設計理論[3],機構內各彈性變形件的減量化的剛度值以拉桿為基準剛度值的原則確定。拉桿截面積以合模機構成型加工精度要求的延伸率進行設計,精密注塑,拉桿延伸率取0.036~0.038mm/100mm;普通注塑,拉桿延伸率取0.041~0.043mm/100mm。肘桿系統(前、后肘桿)的彈性延伸率以拉桿的延伸率為基準的等同延伸率,前、后肘桿橫截面積采用等延伸率原則進行設計。實際證明,根據關聯剛度進行合模機構零件的減量化設計,即充分發揮合模機構的性能,又能取得科學節約資源的良好效果,實現零件減量化設計有充分的科學依據。 

    4.1.3 模板CAD優化設計實現減量化

    模板(固定模板、移動模板)CAD優化設計實現減量化得到較多的應用。優化設計版本較多,不同的版本優化的結果差別較大,例如,同規格的移動模板的厚度相差近三分之一,重量相差20~30%。優化設計軟件更切合實際狀況,還需做更多的科學研究。

    4.1.4 模板受力性能創新設計實現減量化

    模板的功能有兩個,即受力鎖緊模具和安裝模具。傳統的整體結構式的模板是把兩個功能合在一起,為保證模具的平行度,由于受到繞度許用值的約束,雖然可通過CAD優化設計,實現減量化,但畢竟是很有限的,一般在10~15%的減量化。

    可見,實現對模板較大幅度的減量化,需把繞度許用值降低(數值增加)。整體結構式的模板不允許繞度許用值降低的設計,唯有模板受力性能創新設計才能達到繞度許用值降低的設計。 

    減量化的功能分離型連體模板。在模板結構設計上,把受力鎖緊模具和安裝模具的兩個功能分開,達到模板受力撓度不影響安裝模具面的平行度,這樣,模板的受力撓度可是當降低,達到從根本上實現模板減量化。國內有廠家在大型機上應用了功能分離型連體模板,但如何保證拉桿螺母與固定模板的接觸面不受模板較大撓度的影響,還沒有結構上上的創新,這樣,雖然模板實現了減量化,但使用壽命受到影響。

    減量化的功能分離型分體模板。日本東芝公司肘桿合模機構的移動模板分為受力支架和模具安裝板的功能分離型分體式,移動模板與拉桿無接觸,由模具安裝板、受力支架、固定螺釘、定位銷等組成。受力支架承受鎖模力,繞度變形產生在模具安裝板中心圓形區域,不同于普通整體模板產生繞度作用于模板上下兩則,因而受力支架產生繞度基本不影響模具安裝板。整體移動導向為底部的兩直線導軌,不同于普通移動模板依靠拉桿與安裝于移動模板拉桿孔內的導套導向,因而無需潤滑油,提高了清潔度,提高了拉桿使用壽命,并且穩固可靠。可卸式的模具安裝板,提高了維修性能,提高了使用靈活性。導向采用高精度高負荷的滾珠導軌,實現無間隙運動,提高機械系統的運動剛度。成對使用導軌副,具有誤差均化效應,從而降低基礎件(導軌安裝面)的加工精度要求,降低基礎件的機械制造成本。

    4.1.5 合模機構的綠色創新創造

    在原有合模機構基礎上的綠色設計,說到底僅是一些小改小革,難以取得突破性的綠色技術進步。創新創造合模機構,根本上實現合模機構的綠色技術革命。針對專用化功能化的注塑成型,創新創造專用化功能化的合模機構,

    4.1.5.1雙曲肘斜排列七支點合模機構

    雙曲肘斜排列七支點合模機構,革新了傳統的雙曲肘四支點、五支點的合模機構,同比雙曲肘斜排列五支點合模機構,行程比大于一倍,縮短了加工軸向尺寸,拉桿長度實現了減短的減量化設計;后模板、移動模板受力型式同外翻肘桿機構,實現了模板減量化設計;液壓驅動節能35%,系統液壓驅動裝載功率下降40%

    4.1.5.2 液壓驅動的斜卡式鎖模機構

    傳統注塑機的鎖模原理是,鎖模動力執行機構把力通過模板作用于模具上,產生鎖模力,這種設計思路,必須考慮到模板的剛度與合模力相匹配,運用到超大型注塑機的設計上,模板的重量及幾何尺寸必然會很大,不但鋼材資源消耗大,而且在制造加工上,難度很大,不利于低碳排放。

    卡式節能鎖模機構,把鎖模與移模的兩個功能分開,移模僅負責模具上模具的開模與合模,鎖模僅負責對模具鎖緊,去掉傳統的占整機重量很大份額的中間鎖緊力傳遞的模板,直接鎖緊模具,大幅度降低了合模部件的重量及能耗。卡式節能鎖模工作原理是待模具閉合后,利用機械斜楔增力及自鎖的原理,兩個對稱的內徑160mm、行程200mm的鎖模小油缸直接驅動斜楔增力結構,卡緊并鎖緊模具,產生30000kN的鎖模力,約4秒內完成鎖緊運行。

    4.1.5.3 全液壓二板式合模機構

    二板式合模機構起源于上世紀九十年代歐洲,熱鬧了一陳子。二十一世紀初,Engel公司為適應客戶特定的汽車裝飾件的成型,開發了二板機。國內有的企業盲目跟蹤,僅從節材方面了解,認為找到了一條降低企業制造成本、獲取更高利潤的道路,雄心勃勃普通三板機,經過幾年的努力,不能實現。在市場理念上,沒有認識到,二板機是對注塑成型市場的補充,共同和三板一起發展注塑工程;在技術開發上,未能充分掌握二板機的結構及運行性能的特點,與之相關的技術開發理論,出現的拉桿失效等不應發生的故障,嚴重影響了市場聲譽。

    順德市秦川恒利塑料機械有限公司國際首創全液壓四缸直鎖二板式合模機構,解決了力和速度的矛盾,克服了傳統全液壓式速度慢、耗能多、易漏油等難題,實現了鎖模力與注射壓力的自適應和鎖模位置自適應,它是目前世界上唯一可任意改變開合模行程、模板的形狀、大小的注塑機,既減少投資又節能。

    二板合模結構的拉桿的鎖緊段容易失效,同比三板合模結構的拉桿的可靠性要低。究其原因,我們可觀察合模機構的發展歷程。在塑料機械發展的早期,許多注塑機只用二板,此后,生產商們添加了第三塊板以增加穩定性,讓注塑機運行更穩固可靠。長期以來,在如何使二板合模機構達到三板合模機構一樣的穩固可靠,在結構設計方面還沒有得到根本性的解決,失效累積發生在拉桿鎖緊部分。二板合模機構的技術關鍵的挑戰在于:施加鎖模力后,移動模板的偏轉的問題。

    4.1.5.4 無拉桿合模機構

    無拉桿合模機構由ENGEL公司首創。合模力由“C”型架受力彈性變形產生,沒有拉桿,從根本上杜絕了拉桿合模機構的拉桿導向潤滑副帶來的污染,而且易設計成全封閉的制品成型環境,提高了成型環境的潔凈度。2013 K展上,恩格爾新開發合模力為300kN無拉桿E-mac 注塑機首次亮相將最高精確度及能源效率與較低的機器重量和緊湊型設計相結合,其最顯著的創新是其新型智能框架概念,它取代了較大的無拉桿全電動機器的雙機器框架,這個概念保證了非常高的模板平行度與整個定模板上鎖模力的完美分布鎖模單元具有一個密封的增力裝置,為在1秒以內的極短空循環周期時間提供了基礎,可提供包括整合自動化解決方案能力的完整模塊既節約了生產空間又降低了運營成本。

    4.1.5.5 清潔化“C”型立式合模機構

    清潔化“C”型立式合模機構起源于歐洲。合模力由“C”型架受力彈性變形產生。合模機構沒有拉桿,所以不存在拉桿與模板的導向潤滑副,具有與無拉桿合模機構同樣的潔凈度性能。安裝模具空間大,相對節約了合模部件的鋼材消耗量。

    4.1.5.6 肘桿—直壓復合鎖模機構

        博創公司創新開發了肘桿—直壓復合鎖模機構,把肘桿合模機構和頭板的四拉桿液壓同步鎖模機構聯合為一體,把兩種合模/鎖模機構的性能優點結合起來,肘桿合模機構的功能為實現移模及高壓啟模,液壓同步鎖模機構的功能為實現高壓鎖模,解決了肘桿合模機構的模板平行度不能自適應調節的性能問題,解決了四拉桿液壓同步鎖模的二板注塑機調模微調的性能問題,四拉桿液壓同步鎖模行程僅微大于拉桿額定延伸量,提高了高壓鎖模的液壓動態反映性能,并且節約了高壓鎖模能耗,降低了裝載功率。

    4.1.6 多組分合模機構的水平轉盤機構

    機構是組分合模機構的特有的結構部件。傳統的垂直旋轉的轉盤一般運用在鎖模力1,500噸以下的多組分合模機構,但是當產品尺寸更大,需要更高的鎖模力,以及模具結構相對復雜的時候,垂直轉盤即受到限制。富強鑫經過多年的潛心研究和技術積累,富強鑫公司2012年推出了具有國際先進水平的HB-1900R大型水平轉盤機構,模具均衡掛載于中央轉盤模壁兩側,無明顯之重力與機構限制問題,得以實現大型雙色件之成形量產工作,且免除了垂直轉盤因模具置重而產生傾斜磨耗,導致運轉不順等問題相較于垂直轉盤,在相同大柱內距之下,模具可使用范圍更大,填補了國內空白。

    4.1.7 成型細分化與模板繞度兩者之間資源節約型的關聯性能的設計

    注塑成型的細分化對模板的剛度要求也不同。精密注塑的模板撓度為普通注塑的模板撓度的二分之一,鎖模力1000kN以下的,模板撓度取0.05mm;1250kN至5000kN鎖模力,模板撓度取0.08mm。撓度太小,浪費鋼材;撓度太大,達不到精密成型的鎖模機構的剛度要求。

    4.1.8模具自鎖模合模機構

    模具上模在移模油缸推動下,模具拉桿插入液壓組合鎖模器,哈夫定位螺母扣住模具拉桿,液壓組合鎖模器在高壓液壓油的作用下,延伸模具拉桿產生彈性變形力,達到成型所需的鎖模力。液壓組合鎖模器內高壓油的液壓能釋放,模具上模在移模油缸拉動下,實現啟模和開模。

    由于拉桿工作的彈性延伸量很小,所以液壓組合鎖模器工作的液壓能的高壓油量也很少,數量級降低了液壓系統的裝載功率。

    4.1.9 合模機構的二維定位的分析研究

        合模機構的有左右及上下的兩類二維定位:無負載情況下的二維自然定位;負載工況下的二維動態定位。二維空間的自然定位和動態定位,兩者的定位精度趨于一致,才能保證合模機構的運行精度的壽命周期及成型的性能。DEMAG的通用注塑機都設計有尾板二維定位的機構,HUSKY的二板機的移動模板有可調的二維定位的機構,日產的全電動注塑機的二板有滾珠導向副,ENGEL的無拉桿注塑機有有滾珠導向副,實現二維空間的自然定位和動態定位兩者的定位精度趨于一致。

        合模機構的二維定位的類型及功能:

        1)移動模板二維定位。持續固定模板和移動模板之間的平行度,全靠移動模板的二維動態移動定位精度來實現。例如,移動模板采用滾珠導軌副,實現精密的二維動態移動定位

        2)尾板二維定位。合模機構在注射工序中,拉桿受力產生軸向延伸,由于四根拉桿延伸量不一致,聯同尾板產生自由偏轉。移動模板二維定位的目的就是消除這種現象產生的機構缺陷,達到二維空間的自然定位和動態定位兩者的精度一致。作者在上世紀八十年代引進DEMAG技術,運用DEMAG的尾板二維定位技術,實現精密鎖模,提高合模機構的精度的壽命周期。

    目前,國產注塑機的合模機構無二維定位機構,運行工序處于自由狀態,破壞了模具的定位精度,極大降低了機構及零部件、模具的壽命系數,降低了制品的成型質量。這種狀況不但在三板機上普遍存在,在二板機上同樣存在。或許有人會說,我們幾萬臺都賣出去了,合模機構的二維定位沒有必要。但是我要問,你的注塑機值多少價值,故障率多少,成型精度多少,壽命系數多少,這種理論上站不住的設計,說明先天存在不足,實際中必然產生較高故障率,制品質量波動大,只能用于底端制品、底端模具的成型。

    合模機構的二維定位屬于機械設計的基本常識,但卻忽視了,說明國內注塑機的設計存在嚴重的知識缺陷。合模機構的二維定位機構的缺乏,大大縮短了壽命周期,是對資源的浪費;降低了成型性能,是對注塑機的倒退。

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