坚持自主创新塑料机械的科学发展观
张友根
(宁波海达塑料机械有限公司  315200)
樀要:提出了塑机自主创新十个科学发展观的转变,研究了开发塑机伺服技术应用和开发功能化塑机,探讨了普通注塑机提高性能及节能技术的科学发展,分析了人才资源自主创新科学发展观转变的方向,指出了自主创新是塑机科学发展的根本。
关键词:注塑机  自主创新 科学发展

2009年是中国塑机行业奋力应对风险挑战、加快转型升级、迈向塑机自主创新的重要之年,塑机行业经受住了前所未有的严峻考验,实践科学发展观的企业在金融风暴中迎来了新的发展时期,转向了生产轻量化、节省资源、节省能源、再生循环利用制品的机械设备的专业化方向发展,得到了丰厚的回报。2009年塑料机械的生产销售形势节节向上,正如作者在年初所说的“塑料机械回暖,销售量上升,说明党中央、国务院扩大内需振奋经济已体现出来,塑料机械前途光明”(见《塑料机械》2009年第2期 “转型升级是塑料机械自主创新科学发展的理念”。一些企业年初意想不到市场发展如此之快,现在生产跟不上市场的需求,丧失了大好机遇。2010年,保持2009年科学发展的势头,关键是坚定不移实践自主创新塑料机械的科学发展观。本文从十个方面论述了进一步自主创新塑机的科学发展观的转变,研究了自主创新伺服控制技术应用于塑机所需进一步解决的课题,分析了自主创新塑机的研发方向及所要解决的问题,为读者提供进一步科学发展塑机的有益启示。
十个自主创新研发理念的科学发展观的转变
转变产品开发观念,增强塑料机械科学发展观的紧迫感和自觉性,树立产品“你无我有,你有我精,你精我变,你变我新”的持续自主创新的科学发展观。塑机拓展的科学技术,总体技术主要向高端方向发展,所谓高端即节能、高速、高效、精密、环保、网络化、智能化、专用性、特定性、功能化,以满足日益发展的高科技塑料制品的需要。正如国际上一位著名开发商所说,中国正在走向高端塑机市场。
1.1 变“测绘仿制”为“创新开发”的产品开发方式发展观转变
我国多数产品主要还是仿制、测绘,稍加国产化改进,对被测绘的设备也是一知半解,任意进行改动,根本谈不上自主开发研究。纵观国际上著名的公司,产品都有自己的特色,而不是简单的重复及小改小革的提高。热衷于模仿,依样画瓢,不肯多动脑子,多问一个为什么,不但跟不上,而且会越来越落后。要树立设计的一划一点都要有理论根据和实际依据,想一想科技含量多少,能提高产品性能有多少贡献。
一些企业往往急功近利,最好今天开发,明天出效益。需要化几年努力开发,绝不会干。市场出现新设备,买一台测绘仿制。这种理念严重阻碍了产品的自主创新和发展。
创新要体现在“自主”两字上,科技含量高的技术靠模仿是学不到的。科学技术没有捷径,只有靠自已,才能创新突坡。掌握国外先进技术和设计思想、设计方法、测试方法及关键设计数据、制造工艺等技术诀窍,逐步形成自主开发能力和提高创新能力,开发适应市场需要及具有潜在发展前景的设备。
1.2  变“单机开发”为“设备开发”的产品开发理念的转变
作者在这儿所以把常规称之谓“机”改称谓“设备”,说明我们的产品开发观念应作改变。英语中“machine”含有“机”和“设备”两个译词。把“机”理解为“设备”,更为确切。
国内的制造厂把塑机的开发看作是单机的开发,而不是设备的开发。这种片面的开发理念严重阻碍了塑机的发展。塑机的开发,不但是主机的研发,而是与之相关的配套机械等的研发,主机仅是其中一部分,设备组成中各部分相互牵制,决定着设备的成败;各部分可弥补关联部分的不足,提高设备的整体水平。例如,成型PET瓶坯,必须把注射机、模具、控制系统三位一体综合开发,如瓶坯用于医疗瓶的成型,同时还必须研发洁净生产装置及环境设施,这样才能被市场接受。纵观国际上研发PET瓶加工的公司,无一不是成型设备的销售,没有一家公司仅靠研发单机而成功的。Husky公司的PET瓶坯注射设备就是包括主机、模具、特色的控制系统捆绑开发销售,使用户能迅速顺利投入生产取得经济效益,自己又能得到丰厚的回报。国内PET瓶坯注射机的生产公司,没有一家在开发过程中与开发模具结合起来的,控制系统不具有PET瓶坯注射的高速高效特色,这样,一开始就走上了一条死胡同,产品与国际水平的距离越来越远。
1.3  变“设备开发”为“在线开发”的产品成套开发观的转变
专用产品在市场上的需求越来越大,是一个待开发的未来市场。所谓“专用”,主要是指为特定塑料制品成型加工的设备。特定塑料制品成型后的制品质量,取决于成型原料的研发、成型工艺、成型设备的性能、模具、后处理设备的性能及工艺、检测设备及手段、制品包装等一系列环节,其中任何一个环节出了纰漏,就达不到制品要求的质量。由此产生了对这种特定塑料制品成型的“在线开发”的产品开发理念。精密注射成型是典型的一例。精密注射成型是针对特定精密塑料制品成型的一种小型、微型注塑机,最终检测的唯一标准就是制品能否达到应用单位要求的质量。制品应用的环境不同,精密质量标准也不同。要实现精密注射成型,只有把上述提到的有关精密注射成型因数通盘研发,才能实现。精密注塑机只是其中一个环节,根据制品性能标准及其他成型因数,精密注塑机的机构、结构、性能、技术参数等也不同,例如,原料的研发不能过关,任何一种注塑机也成型不出精密制品;制品后处理不能过关,即使成型出精密几何及尺寸公差的制品,制品也不能达到精密的质量标准。
1.4  变“价位开发”为“性能开发”的产品价值开发观的转变
在市场国际化的今天,设备的开发不能仅满足于“国产化”,与国际先进成型设备竞争,决不能把重点放在价格上进行竞争,而应当在成型性能及功能上进行竞争。
无创新科学发展能力的企业开发塑机往往把“价位开发”放在第一位,把性能开发放在第一位,所以看到人家新产品出来,想到的是如何降低市场价位,而不是考虑如何进一步开发更高性能,提高产品档次,赢得市场,结果恶性的价位拼搏,把新产品也拖向了绝境,高性能回复到普通性能水平,同时为国际上高性能的产品敞开了更大的市场。
开发产品,首先要把产品的性能在市场上是否具有竞争优势放在第一位,没有性能竞争优势,只有价位优势的产品,只有死路一条。国内研发制造吹瓶机的单位很多,但无法与SIDEL、SIPA、KRONES等少数几家公司相比;国内研发PET瓶坯注塑机的公司不知有多少家,但无法与HUSKY一家公司相比。他们的市场越走越大,而我们的市场越走越小,这充分说明了只有走性能开发才是塑机开发的光明大道。
1.5  变“通用化开发”为“功能化开发”的产品研发观的转变
塑料制品科学发展应用,对加工设备提出了越来越多的特殊要求,市场需要的这种所谓“特殊机”的量越来越大。这就需要我们变“通用化开发”为“功能化开发”的产品开发观的转变,增加了创新开发的深度和难度。塑机分类也越来越模糊,朝着成型最终产品发展,例如,在线配混复合材料的挤注复合塑化注射设备,由配混塑化挤出和注塑共同组成的设备,属于挤出机还是注塑机。随之一些技术标准也应作改变,例如新制定的注塑机能耗标准,能适合这种复合设备的能耗评定吗?
近年来,国际上研发的塑机新产品,许多是塑机复合设备,即功能化的塑机设备,例如,高光塑注塑设备、模内装配注塑设备、吹-灌-装复合设备、挤-注成型设备,等等,用于特定制品的成型加工,达到社会的最大效益和用户最大的经济效益。
1.6  变“中低端开发”为“高端化开发”的产品整体开发观的转变
国外先进的技术越来越多进入我国,随之这些先进技术的进入,高端塑料制品需求量越来越多。高端塑料制品的加工基本上为进口的高端塑机,为客户成形利润高的高端塑料注射制品,同时也为高端注塑机研发制造单位带来丰厚的回报。我国高端塑机的研发是一个薄弱环节,实质性的发明创新少之又少,不少的专利无一点推动高端注塑机发展的发明创新。一些单位满足于在低水平低阶位上恶性竞争,不愿化人力财力开发附加值高技术含量高的高端注塑机,到国际舞台上去与发达国家高端注塑机著名制造商比高低,提高塑机水平,结果是留给了国际上高端注塑机制造商在中国更大的发展空间。
高端就是处在制高点的顶端,不断向上的顶点。电脑控制、双比例液压系统,在上世纪八十年代是高端技术,现在是普通的控制技术;二十一世纪初,伺服电机控制是高端技术,现在已走入普通控制队伍。今天的高端技术,明天就是普通技术。唯有不断创新技术,才能永远站在高端。
1.7 变“产品改进”为“产品升级”的产品进步观的转变
企业对常规产品,一般注重于外形、结构、制造成本等方面的改进,而对其性能的升级方面考虑不够,可以说很少,产品样本的技术参数几年不变,说明产品没有升级。产品升级需要对常规产品伤筋动骨,一些企业有碍于生产成本方面考虑,注重于小改小革,产品性能及主要技术参数基本不变,一直至产品滞销才动手进行升级提高。一些有创新潜力的企业,产品的主要技术参数年年变化,不断升级换代,与市场同步发展。
常规产品唯有升级,才能持续生命力,适应制品加工的科学发展。产品升级第一位是提高成型性能,包括效率、速度、能耗,第二位是提高性价比。产品没有先进技术及先进技术参数,价位再低,也无人问清。宁波海天注塑机为何热销,产品年年升级换代是一个主要因素。
1.8  变“设备开发”为“成型工艺和设备综合开发”的产品工程开发观的转变
设备创新,首先是制品成型工艺的创新,根据制品成型工艺的要求,运用新技术、新材料、新工艺开发相应的高效低能耗的新设备。成型工艺是设备开发的指导思想和灵魂,首先要研发制品的成型工艺,才能研发出新设备。例如,微型塑料制品,必须超高速才能注射成型,用普通的塑化注射装置,在很短的注射行程范围内,无论是全电动驱动,还是伺服阀驱动,动态响应都需要一段时间,无法达到超高速注射。ENGEL公司开发了膨胀注塑技术,膨胀注塑是一种非传统的用于小和/或薄壁产品的高速注塑技术,是基于利用存储在螺杆前部的2000 bar到2500 bar压力下的高压溶胶,注射时,打开针阀开关,溶胶突然爆发在不到一秒的时间充满模穴,实现了超高速注射。为保证膨胀注塑技术,设备研制解决充模过程中螺杆保持位置不变,以保证极好的重复性。
1.9  变“成本效益”为“性能效益”的产品性价比开发观的转变
长期来,产品开发,强调成本效益,高科技的技术不敢采用,先进的元器件不敢应用,现代化的加工不敢投入,简化设备结构及控制系统,降低设备制造成本,以取得效益,其结果是适得其反,经济效益越来越低,市场占有率越来越小。国际上知名企业,不断创新研发提高设备的性能,以高性能设备占领日益发展的新市场,提高设备的性价比,取得高效益,其结果是市场占有率越来越大。国产设备填补他们摒弃的低端市场,取得一些可伶的效益。低端市场也在发展,为取得更高的经济效益,对设备的性能要求也在不断提高,低性能的设备必将逐渐淘汰,高性能的设备必将扩大应用。上世纪八十年代,高性能的电脑控制的设备难以进入生活塑料制品加工市场,现在是没有电脑控制的设备进不了市场,就说明了这一道理。把“性能效益”作为产品性价比开发,产品才有明天的市场。
高生产率是塑机性能的首位性能。设备不能仅满足于能成型加工,而应达到高生产率,才有市场与发展前途。没有高生产率成型能力,其他都是没有实际意义的。国产设备的生产率低,是一个致命的弱点,也是不能与国际上先进设备竞争的主要因数。例如,国内PET瓶坯注射成型设备,以一模96腔为例,国际上先进的瓶坯的注射成型产能已达到每小时48800支,国内先进水平才刚达到28800支,而且产品合格率有较大的差距。上海紫江、珠海中富等PET瓶生产的老大单位,没有一台PET瓶坯注射成型设备是国产的。再如,以吹瓶设备为例,法国Sidel公司,其型号为SBO-24DC,成型0.5L的PET瓶的产量达到60000支/h。国产的旋转式PET吹瓶机,生产速度最高刚达到每小时24000支,相比于国际上先进水平的差距比较大的。国产的吹瓶设备只能打游击。
没有高生产率,设备就没有市场。实现高生产率,需要对设备的机构、结构、控制等诸多方面进行全面创新提高,这个创新过程,不是一朝一夕就能完成的,甚至需要走五年、十年,更长时间。Krones公司PET瓶吹拉成型设备从每小时1600支发展到1800支,用了两年时间的努力。SIPA公司1980建立,到1988年才推出PET吹瓶设备。SIDEL公司经过10年的努力,Combi机实现了吹塑、灌装和压盖的完美同步运行,速度达到每小时 61200支。
全数字化高精度交流伺服控制技术、液电混合伺服节能控制技术,等等先进的高端技术越来越多应用于塑机上,提高了塑机的技术水平,但在应用这些高端技术中存在一个不容忽视的问题,就是如何通过这些技术的应用进一步提高生产率。博创公司开发的瓶盖专用注塑机,伺服电机独立驱动塑化,塑化不受成型周期制约,缩短了成型周期,提高了生产率。
不能实现高生产率,设备永远跟在人家后面。
1.10  变“系列化开发”为“模块化开发”的产品组合开发观的转变
交货期短,要求多样化,特殊要求的用户越来越多,这是当今市场供需的特点。以注塑机为例,以前是按生产制造的规定的规格型号向市场供货,现在这种供货方式一逐渐不适应市场的需求,有的用户需要大吨位的合模力小注射量的注塑机,有的用户需要加大驱动功率高速注塑机,等等。生产制造单位必须迎合市场需求变化,变“系列化开发”为“模块化开发”,提高应变能力,以灵活多样的模块组装配置形式及时提供给用户。
设备整体按功能分成几个模块,交叉搭配组装。注塑机可分为注射、合模、电气控制、液压系统、底箱(机身)等五个模块,液压系统根据执行功能又可分为动力、注射、合模等三大模块,电气控制又可分为主控箱和操纵箱等二大模块。国际上制造商早已进行这项工作,例如,DEMAG公司的一种规格合模力的注塑机,可搭配三种规格的注射部件,动力驱动源可搭配两种不同功率的驱动源。ENGEL VICTORY的中小型多组分注塑成型机。组合形式分为“L”式 、“V”式和“piggyback”式。“L”形组合注塑装置易于接近,可以配合范围很广的射出单元。“V”形的垂直组合的立式注塑装置安装在机器定模板上,当更换模具时,它可以很轻松地沿水平方向被推开,射嘴中心的回位非常容易和精确。国内制造商一般还是一种规格的合模力的注塑机,配一种规格的注射部件,一种规格的动力驱动源,所以当用户提出特殊要求时,往往措手不及,延长交货期。现在一些单位着手这方面的工作,及时为市场服务,扩大了市场份额。
2  自主创新伺服高端技术应用塑机的科学发展观
伺服技术在塑机上的运用,根据塑机的特点进行创新开发,提升塑机的性能和扩大其应用范围,达到高性能和高效节能,实现科学创新塑机,是塑机科学技术的发展趋势,也是进一步研发的课题。
2.1高动态响应性能的伺服电机驱动液压泵动力驱动系统的开发[1]
交流伺服电机驱动定量泵系统是近年发展的一种先进的高性能节能系统。高性能的伺服变速动力控制系统,在塑机成型过程中针对不同的压力流量,调整相应的频率输出,形成对压力、流量的精确闭环控制,实现对塑机能量需求的自动匹配和调整,可节省电量40%~80%,同时提高系统的精密控制性能。提高其成型功能和扩大成型能力,升级塑机,达到节能和性能的双重优势,是进一步研发的课题。
2.1.1 研发重点        
提高交流伺服电机驱动液压泵系统的动态响应性能。任何一种先进技术运用于塑机,首先必须使塑机的成型性能得到提高,才有发展潜力。交流伺服电机驱动液压泵系统的节能性能是人所共知的,但提高交流伺服电机驱动液压泵系统的动态响应速度,减少动作切换时间,加快动作节拍,达到提高系统的成型性能,是交流伺服电机驱动液压泵系统运用于塑机的进一步研发课题。
交流伺服电机本身动态响应性能优异,但如何使下位的连接件(联轴器)、液压泵、管路、液压缸等液压系统,达到高的动态响应性能,匹配于伺服电机的动态响应性能,使系统具备高动态响应性能,还是一个深入研究的课题。
液压泵的选用。 一般的交流伺服电机驱动液压泵系统,液压泵为定量泵。定量液压泵的惯性矩决定了交流伺服电机驱动液压泵系统的动态响应性能,螺杆泵的惯性矩小于齿轮泵,齿轮泵的惯性矩小于柱塞齿轮,从动态响应角度分析,系统运用螺杆泵易达到较好的动态响应性能。定量泵的动态响应性能差于变量泵的动态响应性能,可见系统要达到理想的动态响应性能,运用变量泵是高性能的动力驱动系统,变量特性可降低对伺服电机的扭矩负载,实现极低流量下的长时间保压,既达到节能,又提高了动态响应性能,这在油研公司双排量变量泵上发挥了出来。伊之密公司的SH系列伺服注塑机,把交流伺服电机的节能性能与伺服泵的快速动态响应性能结合起来,运用高性能的日本油研公司伺服泵,组成全伺服动力驱动系统,实现压力、流量全闭环控制系统,运动时压力流量自动补偿,保持压力与流量的稳定性,控制精度及重复精度高,射胶速度从静止到最大仅需46ms的动态响应时间,取得了突破性的成果。震雄集团的超霸HCEV伺服注塑机,采用日本高科技权威DAIKIN公司 最先进的伺服电机系统构成的超级单元,配合独有的高效率IPM马达驱动,全线性无级PQ(压力、流量)控制。70dB以下的低噪音运行; 1%的流量、1%的压力的高精度的可靠控制; +0.5%的高定位精度。
联轴器的选用。伺服电机驱动液压泵的高速联轴节,须具备高速运转的性能,又要具备快速启动和停止的性能,才能满足塑料成形加工要求。因高速联轴节设计的性能不佳,导致伺服电机驱动液压泵的系统失败的例子有之,影响了伺服电机驱动液压泵系统的推广应用。联轴节要达到高速运转性能,尽可能把各个运行部件在微观上成为互不干扰的运行,不影响系统的运转惯量,即,联轴节的功能仅起到动力传递功能,伺服电机与联轴节之间的联结的运转不干扰联轴节与齿轮泵之间的联结的运转性能。刚性联轴节,动态响应的特性大幅度优于柔性联轴节。减小联轴节转动惯量,提高动态响应性能。为达到伺服电机驱动液压泵的运转的动态性能指标,研发一种具有良好动态性能的刚性联轴节是关键。
2.2  高动态响应性能全电动驱动塑机的开发[2]
伺服电机驱动执行机构系统同比与伺服阀驱动驱动执行机构,动态响应性能优异,对成形参数的控制具有极高的应答反映速度,以高速、高效、精密、节能等体现出其加工成形的优势,显示出高端成形的优势。发挥伺服电机的高动态响应的性能,开发高动态响应性能的伺服电机驱动执行机构系统,是进一步研发的课题。
2.2.1 研发重点
2.2.1.1  伺服电机直接驱动执行机构高性能动态响应系统
一般的全电动注射塑化机构及合模机构,都为伺服电机、同步齿轮带减速机构、执行机构等三者组合,可见,由于同步齿轮带减速机构的存在,整个系统的惯性矩增加、控制带宽变窄、精度下降,降低了动态性能,要想达到非常高的加速性能及低速性能是不可能的。伺服电机直接作用于负载,控制带宽达到最大化,可在非常短的时间内,迫使负载达到理想的扭矩、速度、运行轨迹。
伺服电机驱动的主要性能是能实现快速灵敏的动态响应精确控制,提高成型动态控制精度。实现超高速注射,关键是要实现超高速动态响应速度,既要达到注射从0速到最高速/注射从最高速到0速的超高加速度,如没有超高加速度,就不能达到超高的平均注射速度。实现超高的加速度,系统必须达到超高的动态响应速度。超高的加速度要达到2.5G以上,对系统的机构、结构设计,以及伺服控制系统、伺服电机的性能,是一个挑战。
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齿轮带传动装置的同一轴上的两台相联直接驱动器驱动,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。
震雄公司与MOOG瑞士公司开发不需滚珠丝杆的非线性注射系统,彻底解决了因丝杆磨损影响射出精度,同时可实现超长时间保压。
2.2.1.2  超高速动态响应运行机构
运行机构采用滚珠直线导轨,减小摩擦力,达到提高动态响应性能。日本东洋金属株式会社的SI-IV系列全电动注塑成型机,注射部分的滑动导轨采用了低阻力的直动式滚珠导轨,而且滑动阻力的减少也有利于可塑化计量的稳定,把背压的差异减低了1/2。合模机构采用滚珠直线导轨,提高了低压护模灵敏度及模板平行度的稳定性。
2.2.1.3  超高速动态响应控制系统[2][3][4]
开发适合于注塑机的伺服控制,提高高速注射性能。交流伺服电机是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象,常规的PID控制,其抗干扰和抗参数摄动的鲁棒性不够理想,难以得到满意的调速和定位性能。超高速注射需要伺服系统的速度环具有良好的动态响应速度、宽广的调速范围、优异的抗干扰特性,才能达到快速准确的定位与跟踪。根据不同塑机的特定功能,针对系统给定与反馈之间的误差,开发提高系统动态响应速度和控制精度的各种专业控制算法的应用。 将现代可拓、变结构等非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法,以消除磁阻电机参数的非线性影响,且对电机与控制器进行一体优化设计,实现永磁-磁阻伺服电机输出力矩的精确控制,使系统快速响应并且超调小;开发给定非线性信号校正算法,有效解决设备的低速控制特性问题。日精树脂工业株式会社ELJECT NEX系列全电动注塑机控制系统,射出扫描时间100μ秒(新控制装置TACT)的超高速控制,从而实现了高精度、稳定成形,提高了工艺控制、V-P切换控制的应答性能、再现性能, 发挥高速成形的威力。通过直接检测螺杆反作用力的测力传感器的配置以及提高控制性能, 实现了高精度背压控制。
3 功能化塑机的自主创新发展观
功能化塑机是指具备特定加工能力和性能的塑机。功能化的塑机基本上没有特定的模式,根据制品的成型工艺的要求,采纳现有的机构、结构、控制等,进行组合自主创新。功能化塑机越来越多出现在市场上,例如,薄壁轻量化PET吹瓶机、高速薄壁注塑机、微型精密注塑机、大口径波纹管挤出机组、在线混炼挤注复合机组,等等。功能化塑机使塑料制品进入更多的应用领域,推动了塑料制品的科技进步。塑料制品进入新的领域,需要更多的功能化的塑机。
功能化塑机的开发是技术难度高的项目,提高开发人员的技术素质是关键。技术人员变“应用开发”为“创新研发”的科学发展观, 企业变“应用人才”为“培养人才”的人才资源转型。技术开发人员除具有丰富的比较全面的塑料工程知识面外, 必须要跟上塑料制品科技进步,更新自主创新思维,创新设计理论,开拓新工艺、新材料、新结构、新机构、新设备。
3.1  医疗塑料制品成型设备
医疗塑料制品成型设备是塑机应用的一个新兴的市场,现有的设备经过技术改造基本上都可加工普通的医疗塑料制品,精密微型的塑料人体代用器官的成型设备还是空白。
3.1.1  研发方向
医疗塑料制品成型净房生产标准是:必须达到美国US联邦标准209E和国际通用标准EN ISO 14644-1的要求。成形过程中不受经由空气传送的粒子(灰尘,细菌,病毒)污染,整个成形过程处于一个洁净的环境中,无尘室的能力达到ISO净房等级7级标准以及US FS10000中的规定:每立方米空气中,≥0.5μm的空气颗粒最多不超过352000个。
根据医疗塑料制品成型净房生产标准,成型设备不能产生对成型环境的再生污染。动力驱动尽可能用伺服电机等直接驱动执行机构,无油润滑导向运动副,防静电感应设施,金属件防氧化防锈处理,铸造件除砂除氧化皮等表面处理,设备表面不用油漆涂装,等等。
设备制造企业必须提供从原料的储存、干燥、制品成型及储存等完整的整套净房解决方案,才有生存能力。
3.2  精密注塑设备
精密注塑设备根据制品的性能和精度的要求,具有不同的形式、结构、控制。精密注塑设备往往是指为特定的精密产品成型,所以没有通用的精密注塑设备,即没有万能的精密注塑机。精密注塑机是对精密注射成型设备的通称,例如,DVD注塑机、导光板注塑机、薄壁精密注塑机,等等。有的单位从研发普通注塑机的理念来研发精密注塑机,希望研发出的精密注塑机,适应于所有精密塑料件的成型,结果搞了多年未出成果。以特定成型对象,研发精密注塑机,才是一条可取之路。
3.2.1 研发方向
塑化注射部件。注射三要素P(压力)V(比容)T(温度)中,核心是比容,比容的均一主要靠注射部件来解决,压力和温度起到辅佐功能。精密注射部件的首要性能是塑化的熔融料的轴向没有温差、熔融均一,即熔融料的比容一致;第二是计量重复精度。对于第一点,一种是采用大直径螺杆,缩短塑化行程来达到减小熔融料的轴向温差;另一种是采用挤注复合结构,保证熔融料的轴向温度一致。前一种适应小容量注射,后一种适应较大容量注射。熔融料比容的一致,保证了成型制品的内应力一致,从而达到制品外形的耐时间性精度。
合模部件。精密注射合模部件的首要性能是模板在高压状态下绕度趋近于零。震雄全电动注塑机的定模板、移动模板采用分块连体式结构,高压状态下,模具安装的模板部分,基本上没有产生绕度,达到了精密注射合模机构的性能,保证了制品成型精度的重复性。
控制系统。精密注射控制系统的首要性能是高的动态响应性能。伺服电机直接驱动螺杆塑化注射同比伺服电机通过同步齿形带简接驱动螺杆塑化注射,具有更高的动态响应性能。Atos研发的注塑机专用的插装式比例伺服阀,动态响应时间仅为15~20ms,优于伺服电机的动态响应性能。伺服阀系统的动态响应性能,还与下游的管路、注射缸等响应频率、阻尼系数等有关。伺服电机具有精确的位置控制精度,具有优异的塑化转速重复精度。根据需要进行不同的组合,实现塑化注射的精确的PVT控制。
高速/超高速注射,必须选用高动态响应性能驱动元件及系统,满足加速度要求,否则达不到设计的注射速度指标。高速/超高速注射速度是指注射全行程的平均速度,包括启动加速和停止减速时间,不同于普通注塑机的注射速度仅指行程中间短的注射最高速度。

    1. 油电复合驱动注塑设备[5]

    伺服电机的推广应用,为油电复合驱动开辟了发展道路,提高了注射性能,扩大了注射功能。油电复合驱动注塑机发展迅速,特别在欧洲,国内应用也有逐渐增长的趋势。油电复合驱动,发挥伺服驱动和液压驱动的各自优势,满足特定注射成型的要求。
油电复合驱动,基本上有以下几种形式:
(1)按部件驱动分为:合模伺服电机驱动,注射液压驱动;合模液压驱动,注射伺服电机驱动。
(2)按部件内部驱动分为:塑化伺服电机驱动,注射液压驱动;锁模伺服电机驱动,顶出液压驱动。
锁模伺服电机驱动目的是提高肘杆合模机构高压锁模机低压护模的动态响应性能,利用伺服电机的闭环控制性能,达到自适应调整合模力。塑化伺服电机驱动目的是提高生产率,同时提高塑化质量。注射伺服液压控制,由于伺服阀的动态响应快,易在系统中利用蓄能器达到高速注射。

      1. 研发方向

根据伺服电机驱动和液压驱动的各自性能,进行组合,达到新的成型能力。挖掘组合的综合性能优势,提高成型能力。例如,达到精密塑化计量,发挥伺服电机动态响应快的特点,伺服电机直接驱动螺杆塑化能达到满意的效果;达到提高生产率,使塑化独立于成型周期外,伺服电机通过减速装置驱动螺杆塑化,以降低制造成本,又能达到塑化性能要求。
3.4  PET瓶坯注射成形设备
生产效率低、成型不稳定,是国产PET瓶坯注射成形设备的通病,也是进不了上海紫江、珠海中富等PET瓶生产的老大单位的主要原因。
3.4.1  研发方向
高生产率产能是PET瓶坯注射设备的首要特点,没有高速率产能,市场就不能接受。
国内PET瓶坯注射塑化机构基本上都采用传统的普通注塑机的往复式螺杆装置形式,不但达不到熔融料比容均一性的要求,而且塑化占据了周期时间,影响了生产率。挤注复合PET瓶坯注射系统,塑化为挤出螺杆纯塑化挤出,注射由柱塞完成。在整个塑化过程中,物料塑化经历的螺杆长径比不变,减小熔融料的轴向温差,使物料在熔融状态下的比容一致性得到了保证,极大提高了塑化质量。提供了挤出实现低温塑化的足够时间,避免了普通往复式螺杆因物料过渡剪切造成急剧升温和乙醛热分解率增加的缺陷。
开发高刚度高运行重复精度的快速合模机构,实现群腔模具运行的稳定精度。群腔化PET瓶坯的注射成型,是达到高速率生产的唯一途径。开发144腔、192腔的群腔模。
减少PET瓶坯冷却冷却时间以提高生产率。
实现7.5秒的成型周期。
3.5  线配混的挤注复合注射设备[6]
长玻纤增强塑料零件在汽车零配件中应用越来越广泛,有的汽车复合材料配件的长玻璃纤维的含量高达60%,用普通注射成形设备根本不可能塑化注射成形,主要原因是:市场难以提供长玻璃纤维的含量高达60%的复合材料;普通注射机螺杆塑化损伤长玻璃纤维,不能保持长玻璃纤维的原来纤维长度,极大降低了制品的强度和刚度。在线配混的挤注复合系统,用户可以按照要求,配混复合材料,塑化及注射基本上不损伤长玻璃纤维的纤维长度,有利于以较小的长玻璃纤维的配混率,达到制品的强度和刚度要求。
3.5.1 研发方向
异轴在线配混挤注复合系统。这种挤注复合系统主要由混炼型挤出机与注塑机柱塞注射机构组合的系统,是大注塑挤注复合系统的特例,用混炼型挤出塑化取代普通型挤出塑化,挤出塑化和柱塞注射的两个部通过熔融料流道相连通,两者不在同一轴心线上,所以称谓“异轴”。根据在线配混的要求,配混的挤出机可用单螺杆、双螺杆、三螺杆,模块化积木组合式挤出配混结构适应配混的要求。挤出储料缸的设置形式根据具体情况设计。
同轴在线配混挤注复合系统。这种挤注复合系统的挤出塑化和柱塞注射的两个部件在同一轴心线上,所以称谓“同轴”。结构简洁。塑料复合材料的配混与注射在一条生产线上间断地运行。根据结构及运行的特点,配混复合材料的挤出塑化部件,适用于单螺杆配混挤出形式。主要用于流动性能差的配混复合材料的注射成形加工。
节能技术的应用及创新[7]
注塑机的能耗性能具体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。
2009年是伺服电机驱动液压泵节能动力驱动系统推广应用的一年,逐渐为市场接受。
4.1  研发方向
塑机的节能技术,主要包涵三个方面:一是节能注射成形技术,二是节能的执行机构,三是节能的动力驱动系统。三者合为一体,才能达到完满的节能性能。
机筒塑化加热。常规的电阻加热热效率低、传道损失大、热惯性大、环境温度高,特别是加工PVC制品,为克服热惯性,采用风冷,增加了二次能源浪费,但由于价格低,广泛使用。电磁加热,热效率可达95%,传导损失仅为5%,热惯性小,环境温度低,同比电阻加热,节能可达50%以上,热惯性小,易于精确控制塑化温度,提高成型质量。但由于电磁加热价格高,难以为市场接受,降低电磁加热成本成为科技进步的主攻目标。开发性价比为市场接受的新的节能加热形式,成为注塑机节能的攻克难题。
普通型注塑机的科学发展
普通型注塑机是国产面广量大的注塑机主要产品,随着市场的发展,不断提高。下面提出几个主要的科学发展,供参考。
双缸注射结构是普通型注塑机注射部件的主要形式。传统一直把双缸结构称之谓力平衡,实际上这是一种错误的认识。双缸注射由于液压油进入油缸存在时间差,两注射缸力产生力矩,力矩作用于注射座导向副,破坏导向副的使用寿命,起不到对注射力及整一力的平衡作用。注射座导向副的精度决定了注射部件的运行及定位精度。双缸注射部件的优点主要是缩短了轴向长度、零件加工简单。
单缸注射结构的整体性能优于双缸注射结构。单缸注射结构有塑化固定式与塑化移动式。精密注射、高速注射、双组份注射,宜采用单缸注射结构。
标准注射螺杆长径比增大至21、注射压力增大至180Mpa。
肘杆合模部件。相比国际上同合模力规格的注塑机,国产注塑机的合模机构刚性弱,各弹性变形件之间的刚性匹配不尽合理,需要进一步分析研究。
液压系统。国产注塑机的液压系统仅具有基本功能,缺乏提高性能的辅佐功能。不能实现灵敏的低压护模、换向冲击声大等是普遍现象。
变“应用开发”为“创新研发”的技术人员科学发展观
自主创新的科学发展的主要因素是技术开发人员的科学发展创新能力的开发、发挥,实现技术研发的科学发展观的转变。
技术开发人员开发思维更新,才能有所发明,有所创造。系统地学习和研究高分子材料、高分子物理、聚合物流变学、高分子材料形态学、注塑模、塑料成型工艺学,了解塑料的新材料,了解塑料制品在新领域中的应用,并把这些理论和了解掌握的新知识运用到实践中去,从这些方面去考虑开发产品机械结构、电气液压控制系统。
技术开发人员不但要熟悉本专业,并且要了解本行业及相关行业的技术及发展趋势,既要知识面要宽,也要善于把本行业及相关行业的技术运用到本专业中去,善于把本专业中的相关技术与本行业的相关技术组合起来开发具有新功能的产品。
技术开发人员要有所创新,必须要敢于开发设计理论,这对技术开发人员是一个较高的要求。开发设计理论没有创新,就没有塑机的技术进步。技术开发人员不能创新开发设计理论,就不能做出突出贡献。要开发设计理论,必须要有渊博的知识,要善于在实践中总结提高。不断修正和完善自己的开发理论,把传统的开发设计理论变为自己的有特色的工业化的开发设计理论,把通用开发设计理论中一些不确定的参数根据本单位的实际变为确定的参数值,对国际上先进的产品从设计理论上进行研究探讨总结变为自己的开发设计理论,对本行业传统的开发设计理论从现代开发设计理论角度并根据自己的开发实践提高为本行业的现代开发设计理论,在总结自己开发实践的基础上敢于突破常规的设计理论束缚创新出自己的开发设计理论。
有许多企业的塑机开发技术人员只了解本地区的塑机,不了解其它地区的塑机,更不要说国际上先进的塑机及其发展动向;只了解注塑机,不了解挤出机、中空成型机等其它塑机;只了解机器,不了解成形制品的原料性能及发展,不了解成形工艺;只掌握注塑机的机、电、液中的一门设计,不能进行另一门的设计;等等,处于一种知识面狭窄的劣势局面,对发展和科技进步带来了不利局面。
企业技术人力开发资源科学发展
实现企业产品的科学发展,人力开发资源必须进行科学发展转型,在技术人员的开发、开发体系的改革等诸多方面,相应作科学发展,才能达到科学发展的目标。
7.1 变“应用人才”为“培养人才”的人才资源转型
科学技术在不断创新发展,技术人员的知识跟不上就会淘汰出局,一方面主要靠技术人员的主管能动性,但企业的在提供物力、财力、环境等外界因素的舞台是不可缺少的。企业不仅是应用人才,更重要的是要培养人才,提高人才素质,为企业、社会创造更高更多的经济效益和社会效益。
7.2 变“企业开发”为“联合开发”的开发体系转型
当前的市场说明,仅搞单机开发的制造商将会淘汰出市场格局,国际上著名公司是交设备给用户,市场越做越大,国内单位是交单机给用户,市场越做越小。塑机制造企业今后发展的方向,不但能提供用户需要的单机,而且能提供塑料原材料的配方及配混工艺、成型模具、成型工艺、后处理设备及工艺等配套设备和配套软件等在线成套设备的硬件和软件。能为用户提供整套方案和生产线的研发单位将会的到长足的发展。国内长期以来,一个企业主要搞单一产品的开发,在市场经济发展的今天,已成为致命的缺陷,把涉及设备开发的企业组合起来,强强联手,共同研发,不失为可取设备研发之路。根据国内开发能力的实际情况,设备开发的有关公司应紧密联合起来,变各自为政为牵手共同开发。共享技术成果,利益共享,突破开发的瓶颈。努力扩展渠道,采取各种方式积极开展国际合作,包括合作开发、合作制造、人才引进、派出人才培训等,取人之长,补已之短。
结语
塑机是一个应用范围很广的极有前途的塑料机械。塑机必须跟上塑料制品的发展,不断开拓创新,才能具有生命力。高能耗、低性能、低效率、低功能的塑机必将被淘汰,高端塑机的市场必将越来越广。
坚持科学发展观,用科学的发展理念自主创新注射设备,是塑机企业的唯一出路。

参考文献
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[2] 张友根. 创新实践永远是提升注塑机科学技术的科学发展观.饮料工业,2009,12(8):33~37
[3 ] 李军红, 陈潮填, 唐忠平. 交流永磁同步电机伺服系统的变结构控制. 中小型电机,2005,32(3):18~21
[4] 余达太. 全数字化交流伺服控制技术(二). 电气时代,2004,4: 122~123
[5] 张友根.液电复合节能驱动挤注复合系统的研究及自主创新. 液压气动与密封,2009,29(5):41~45
[6]张友根.挤注复合系统的研究及开发.                     现代塑料加工应用,2009,21(5):56~59
[7] 张友根. 注塑机节能技术的分析研究(上). 橡塑技术于设备,2008,34(3):52~60


 
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