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基于生态环境保护原则的“十三五” 注塑机的“新常态”创新驱动(三)

[ ju111net九州手机版 ] 发表于 2016-04-22 10:47:10 浏览量:0
 4 基于生态环境保护原则的注塑机的绿色机构/结构的“新常态”创新驱动

注塑机的型式不同,但都有合模、注射两大注塑机构,服务于成型加工对象的“现实需求”和“潜在需求”的绿色化的前提下,实现自身的基于生态环境保护原则的机构/结构的科学发展

基于生态环境保护原则的注塑机机构/结构的新常态创新驱动科学发展的研发要点:

1)创新机构,实现资源节约化、能效高效化、运行高速精密清洁化,最大限度提高生态环境保护的性能。

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)结构模块化,减少主体的制造量,达到钢材资源利用的最小化、减少碳排放。

4)加工绿色化,大力开发低污染、低能耗、无公害的加工工艺,最大限度地利用原材料,减少制造过程中污染物的排放,有害排放物降到最低。

5)零件寿命最大化,减少零件报废给生态环境带来的污染。

4.1 合模机构/结构的新常态创新驱动

基于生态环境保护原则的合模机构的新常态科学发展的研发重点:

1)钢材资源节约型制造。合模部件钢材用量占到整个设备的40~60%,实现资源节约型制造的重点。创新创造传动效率高效化的制造材料节约化的机构。CAD设计、有限元分析等先进设计手段,实现单件模板的材料配制合理化。CAE制造,实现金加工切削材料最小化,合格率最大化。

2)润滑污染控制。肘杆合模机构整机润滑污染的重点。创新创造清洁化润滑结构,实现无润滑污染运转。

3)节能化运行。科学设计,提高合模机构的传动及运行效率,降低无效能耗。

4)寿命可靠化。合模部件一旦失效而维修的工作量和成本很大,成型加工稳定性、使用寿命可靠化极为重要,是设备可靠性的设计重点。

4.1.1 合模机构的能效设计

合模机构的能效直接反映在机构效率上,机构效率高,意味着所需动力驱动能量少,对液压驱动系统来说,减少了液压系统对环境的污染的因素。

提高合模机构的能效的设计核心是提高机构的能效。根据能量守恒定律,成型加工一个制品,不论采用何种型式的合模机构,其制品所消耗的能量是相同的,但实际消耗的能量是不同的,这就是机构的能效不同。驱动肘杆合模机构的液压工作油量小,液压能量在输送过程中的损耗空间小,所以,液压能利用率高。普通的直压式合模机构,所需的液压工作油量大,液压能量在输送过程中的损耗空间大,液压能利用率低。油液再生的直压式合模机构,高压锁模仅需很小体积的高压液压油,快速移模的大体积液压油来自于油缸的回油腔,把回油再生为工作油,工作过程中,仅需少量的系统补给油,系统实际输给油缸的工作油同比肘杆机构还要小,所以液压能利用率高,也就是能效更高。

传动效率高效化。伺服电机驱动肘杆机构的绿色设计的重点是研究是降低传动机构的能量损失,例如用力矩伺服电机直接驱动滚珠丝杆副取代高速伺服电机通过同步带传动副间接驱动滚珠丝杠副,简化了中间环节,达到提高系统传动效率。

合模机构的形式方案确定之后,机构的资源消耗与能耗之间两者关系的类似设计上,考虑到机构制造的资源消耗是一次性的、机构的成型能耗效率是生命周期的长期性的因素,贯彻能耗优先的设计原则。

肘杆合模机构的效率同机构的刚度相关联,直接反映在机构弹性变形主要件拉杆刚度和肘杆系统两者的刚度比值上,两者的刚度之比与机构效率成类似正比关系。

4.1.2 基于合模机构关联刚度的零件减量化设计

肘杆合模机构的力学性能是机构内部以模具为力作用点、主动推力与拉杆等弹性变形件被动产生弹性反作用力组成平衡力系的内力矢量循环的力封闭的弹性变形的刚度系统。

传统对合模机构的零件设计上,脱离合模机构的弹性变形的刚度性能及零件之间的关联刚度性能,用强度理论孤立地设计机构主要弹性变形件拉杆直径和肘杆等弹性变形件的截面积,造成弹性变形件的设计与机构弹性变形性能相互脫节,例如在肘杆、拉杆等弹性变形件截面的几何尺寸、模板挠度值等的设计上,没有深入研究机构及零件的弹性变形之间互相联系、互相制约的弹性力学运行的本质,没有运用弹性变形的理论和准则来研究分析零件的减量化设计。

基于合模机构关联刚度的设计理论[3],机构内各弹性变形件的减量化的刚度值以拉杆为基准刚度值的原则确定。拉杆截面积以合模机构成型加工精度要求的延伸率进行设计,精密注塑,拉杆延伸率取0.036~0.038mm/100mm;普通注塑,拉杆延伸率取0.041~0.043mm/100mm。肘杆系统(前、后肘杆)的弹性延伸率以拉杆的延伸率为基准的等同延伸率,前、后肘杆横截面积采用等延伸率原则进行设计。实际证明,根据关联刚度进行合模机构零件的减量化设计,即充分发挥合模机构的性能,又能取得科学节约资源的良好效果,实现零件减量化设计有充分的科学依据。 

4.1.3 模板CAD优化设计实现减量化

模板(固定模板、移动模板)CAD优化设计实现减量化得到较多的应用。优化设计版本较多,不同的版本优化的结果差别较大,例如,同规格的移动模板的厚度相差近三分之一,重量相差20~30%。优化设计软件更切合实际状况,还需做更多的科学研究。

4.1.4 模板受力性能创新设计实现减量化

模板的功能有两个,即受力锁紧模具和安装模具。传统的整体结构式的模板是把两个功能合在一起,为保证模具的平行度,由于受到绕度许用值的约束,虽然可通过CAD优化设计,实现减量化,但毕竟是很有限的,一般在10~15%的减量化。

可见,实现对模板较大幅度的减量化,需把绕度许用值降低(数值增加)。整体结构式的模板不允许绕度许用值降低的设计,唯有模板受力性能创新设计才能达到绕度许用值降低的设计。 

减量化的功能分离型连体模板。在模板结构设计上,把受力锁紧模具和安装模具的两个功能分开,达到模板受力挠度不影响安装模具面的平行度,这样,模板的受力挠度可是当降低,达到从根本上实现模板减量化。国内有厂家在大型机上应用了功能分离型连体模板,但如何保证拉杆螺母与固定模板的接触面不受模板较大挠度的影响,还没有结构上上的创新,这样,虽然模板实现了减量化,但使用寿命受到影响。

减量化的功能分离型分体模板。日本东芝公司肘杆合模机构的移动模板分为受力支架和模具安装板的功能分离型分体式,移动模板与拉杆无接触,由模具安装板、受力支架、固定螺钉、定位销等组成。受力支架承受锁模力,绕度变形产生在模具安装板中心圆形区域,不同于普通整体模板产生绕度作用于模板上下两则,因而受力支架产生绕度基本不影响模具安装板。整体移动导向为底部的两直线导轨,不同于普通移动模板依靠拉杆与安装于移动模板拉杆孔内的导套导向,因而无需润滑油,提高了清洁度,提高了拉杆使用寿命,并且稳固可靠。可卸式的模具安装板,提高了维修性能,提高了使用灵活性。导向采用高精度高负荷的滚珠导轨,实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副,具有误差均化效应,从而降低基础件(导轨安装面)的加工精度要求,降低基础件的机械制造成本。

4.1.5 合模机构的绿色创新创造

在原有合模机构基础上的绿色设计,说到底仅是一些小改小革,难以取得突破性的绿色技术进步。创新创造合模机构,根本上实现合模机构的绿色技术革命。针对专用化功能化的注塑成型,创新创造专用化功能化的合模机构,

4.1.5.1双曲肘斜排列七支点合模机构

双曲肘斜排列七支点合模机构,革新了传统的双曲肘四支点、五支点的合模机构,同比双曲肘斜排列五支点合模机构,行程比大于一倍,缩短了加工轴向尺寸,拉杆长度实现了减短的减量化设计;后模板、移动模板受力型式同外翻肘杆机构,实现了模板减量化设计;液压驱动节能35%,系统液压驱动装载功率下降40%

4.1.5.2 液压驱动的斜卡式锁模机构

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上,模板的重量及几何尺寸必然会很大,不但钢材资源消耗大,而且在制造加工上,难度很大,不利于低碳排放。

卡式节能锁模机构,把锁模与移模的两个功能分开,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,去掉传统的占整机重量很大份额的中间锁紧力传递的模板,直接锁紧模具,大幅度降低了合模部件的重量及能耗。卡式节能锁模工作原理是待模具闭合后,利用机械斜楔增力及自锁的原理,两个对称的内径160mm、行程200mm的锁模小油缸直接驱动斜楔增力结构,卡紧并锁紧模具,产生30000kN的锁模力,约4秒内完成锁紧运行。

4.1.5.3 全液压二板式合模机构

二板式合模机构起源于上世纪九十年代欧洲,热闹了一陈子。二十一世纪初,Engel公司为适应客户特定的汽车装饰件的成型,开发了二板机。国内有的企业盲目跟踪,仅从节材方面了解,认为找到了一条降低企业制造成本、获取更高利润的道路,雄心勃勃普通三板机,经过几年的努力,不能实现。在市场理念上,没有认识到,二板机是对注塑成型市场的补充,共同和三板一起发展注塑工程;在技术开发上,未能充分掌握二板机的结构及运行性能的特点,与之相关的技术开发理论,出现的拉杆失效等不应发生的故障,严重影响了市场声誉。

顺德市秦川恒利塑料机械有限公司国际首创全液压四缸直锁二板式合模机构,解决了力和速度的矛盾,克服了传统全液压式速度慢、耗能多、易漏油等难题,实现了锁模力与注射压力的自适应和锁模位置自适应,它是目前世界上唯一可任意改变开合模行程、模板的形状、大小的注塑机,既减少投资又节能。

二板合模结构的拉杆的锁紧段容易失效,同比三板合模结构的拉杆的可靠性要低。究其原因,我们可观察合模机构的发展历程。在塑料机械发展的早期,许多注塑机只用二板,此后,生产商们添加了第三块板以增加稳定性,让注塑机运行更稳固可靠。长期以来,在如何使二板合模机构达到三板合模机构一样的稳固可靠,在结构设计方面还没有得到根本性的解决,失效累积发生在拉杆锁紧部分。二板合模机构的技术关键的挑战在于:施加锁模力后,移动模板的偏转的问题。

4.1.5.4 无拉杆合模机构

无拉杆合模机构由ENGEL公司首创。合模力由“C”型架受力弹性变形产生,没有拉杆,从根本上杜绝了拉杆合模机构的拉杆导向润滑副带来的污染,而且易设计成全封闭的制品成型环境,提高了成型环境的洁净度。2013 K展上,恩格尔新开发合模力为300kN无拉杆E-mac 注塑机首次亮相将最高精确度及能源效率与较低的机器重量和紧凑型设计相结合,其最显著的创新是其新型智能框架概念,它取代了较大的无拉杆全电动机器的双机器框架,这个概念保证了非常高的模板平行度与整个定模板上锁模力的完美分布锁模单元具有一个密封的增力装置,为在1秒以内的极短空循环周期时间提供了基础,可提供包括整合自动化解决方案能力的完整模块既节约了生产空间又降低了运营成本。

4.1.5.5 清洁化“C”型立式合模机构

清洁化“C”型立式合模机构起源于欧洲。合模力由“C”型架受力弹性变形产生。合模机构没有拉杆,所以不存在拉杆与模板的导向润滑副,具有与无拉杆合模机构同样的洁净度性能。安装模具空间大,相对节约了合模部件的钢材消耗量。

4.1.5.6 肘杆—直压复合锁模机构

    博创公司创新开发了肘杆—直压复合锁模机构,把肘杆合模机构和头板的四拉杆液压同步锁模机构联合为一体,把两种合模/锁模机构的性能优点结合起来,肘杆合模机构的功能为实现移模及高压启模,液压同步锁模机构的功能为实现高压锁模,解决了肘杆合模机构的模板平行度不能自适应调节的性能问题,解决了四拉杆液压同步锁模的二板注塑机调模微调的性能问题,四拉杆液压同步锁模行程仅微大于拉杆额定延伸量,提高了高压锁模的液压动态反映性能,并且节约了高压锁模能耗,降低了装载功率。

4.1.6 多组分合模机构的水平转盘机构

机构是组分合模机构的特有的结构部件。传统的垂直旋转的转盘一般运用在锁模力1,500吨以下的多组分合模机构,但是当产品尺寸更大,需要更高的锁模力,以及模具结构相对复杂的时候,垂直转盘即受到限制。富强鑫经过多年的潜心研究和技术积累,富强鑫公司2012年推出了具有国际先进水平的HB-1900R大型水平转盘机构,模具均衡挂载于中央转盘模壁两侧,无明显之重力与机构限制问题,得以实现大型双色件之成形量产工作,且免除了垂直转盘因模具置重而产生倾斜磨耗,导致运转不顺等问题相较于垂直转盘,在相同大柱内距之下,模具可使用范围更大,填补了国内空白。

4.1.7 成型细分化与模板绕度两者之间资源节约型的关联性能的设计

注塑成型的细分化对模板的刚度要求也不同。精密注塑的模板挠度为普通注塑的模板挠度的二分之一,锁模力1000kN以下的,模板挠度取0.05mm;1250kN至5000kN锁模力,模板挠度取0.08mm。挠度太小,浪费钢材;挠度太大,达不到精密成型的锁模机构的刚度要求。

4.1.8模具自锁模合模机构

模具上模在移模油缸推动下,模具拉杆插入液压组合锁模器,哈夫定位螺母扣住模具拉杆,液压组合锁模器在高压液压油的作用下,延伸模具拉杆产生弹性变形力,达到成型所需的锁模力。液压组合锁模器内高压油的液压能释放,模具上模在移模油缸拉动下,实现启模和开模。

由于拉杆工作的弹性延伸量很小,所以液压组合锁模器工作的液压能的高压油量也很少,数量级降低了液压系统的装载功率。

4.1.9 合模机构的二维定位的分析研究

    合模机构的有左右及上下的两类二维定位:无负载情况下的二维自然定位;负载工况下的二维动态定位。二维空间的自然定位和动态定位,两者的定位精度趋于一致,才能保证合模机构的运行精度的寿命周期及成型的性能。DEMAG的通用注塑机都设计有尾板二维定位的机构,HUSKY的二板机的移动模板有可调的二维定位的机构,日产的全电动注塑机的二板有滚珠导向副,ENGEL的无拉杆注塑机有有滚珠导向副,实现二维空间的自然定位和动态定位两者的定位精度趋于一致。

    合模机构的二维定位的类型及功能:

    1)移动模板二维定位。持续固定模板和移动模板之间的平行度,全靠移动模板的二维动态移动定位精度来实现。例如,移动模板采用滚珠导轨副,实现精密的二维动态移动定位

    2)尾板二维定位。合模机构在注射工序中,拉杆受力产生轴向延伸,由于四根拉杆延伸量不一致,联同尾板产生自由偏转。移动模板二维定位的目的就是消除这种现象产生的机构缺陷,达到二维空间的自然定位和动态定位两者的精度一致。作者在上世纪八十年代引进DEMAG技术,运用DEMAG的尾板二维定位技术,实现精密锁模,提高合模机构的精度的寿命周期。

目前,国产注塑机的合模机构无二维定位机构,运行工序处于自由状态,破坏了模具的定位精度,极大降低了机构及零部件、模具的寿命系数,降低了制品的成型质量。这种状况不但在三板机上普遍存在,在二板机上同样存在。或许有人会说,我们几万台都卖出去了,合模机构的二维定位没有必要。但是我要问,你的注塑机值多少价值,故障率多少,成型精度多少,寿命系数多少,这种理论上站不住的设计,说明先天存在不足,实际中必然产生较高故障率,制品质量波动大,只能用于底端制品、底端模具的成型。

合模机构的二维定位属于机械设计的基本常识,但却忽视了,说明国内注塑机的设计存在严重的知识缺陷。合模机构的二维定位机构的缺乏,大大缩短了寿命周期,是对资源的浪费;降低了成型性能,是对注塑机的倒退。