全电动注塑机的优缺点分析及技术发展趋势

1、课题文献综述题目：全电动注塑机的优缺点分析及技术开展趋势学生： 指导老师：何亚东一 前言我国是塑料制品的消费大国, 而且每年以7%-8%的速度快速增长。在这期间期间, 油压一机械式注塑机扮演了重要角色, 但在能源日益匿乏、生态环境日益恶化的今天, 油压一机械式注塑机所消耗的能源, 越来越受到人们的重视和关注, 环保式“ 绿色伺服电动注塑机的开发己经越来越紧迫和重要。随着新型合成材料的涌现、高精度注塑件使用范围的扩大及节能环保意识的日益增强, 人们对注塑机的要求进一步提高。在各种新型精密注塑机中, 最具代表性的为全电动式精密注塑机。如电子零件、数码相机、 外壳以及光学器件的精密性不仅对材料的要求

2、很高, 而且对成型技术也提出了相当高的要求。伺服电动注塑机在解决这类问题上具有得天独厚的优势, 有减轻环境负荷和高性能两大显著特点。它不仅在节能耗电量约为一般油压机的1/3、低噪声、省水(耗水量约为一般油压机的1/12)及电源设备表现出极大的优势, 而且在性能方面具有高注射率、高应答、稳定的注射速度、稳定的背压系统、精确的定位控制、精确的压力闭环、高重复精度、周期短等优点。因此, 作为“ 绿色 注塑机, 它的开展不仅符合社会生产力开展的趋势, 而且对开展民族塑机工业并参与国际竞争, 提升整个注塑机行业技术水平具有非常重要的意义。2 全电动注塑机的技术特点2. 1 全电动注射装置全电动注塑机根据

3、注射(螺杆前进/后退)电机的不同分为两种根本结构: 一种是采用旋转电机, 可以很容易产生高速度和高的充模压力; 另一种采用直线电机, 可以实现超高速度注塑。 2. 1. 1 旋转电机驱动注射2. 1. 1. 1 电机通过丝杆传动机构驱动注射螺杆伺服电机驱动滚珠丝杆传动机构时, 可以是传动螺母转动, 丝杆作往复运动; 或者是丝杆转动, 传动螺母作往复运动。该传动结构又可以分为皮带驱动方式和直接驱动方式:a. 皮带驱动方式是由伺服电机的轴带动皮带轮转动, 再用皮带连接螺杆, 当伺服电机转动时, 动力通过皮带传到螺杆上。这种方式难免有动力的损耗, 影响控制精度, 同时会产生噪声、磨损和粉尘。b. 直

4、接驱动方式是伺服电机直接驱动滚珠丝杆。其设计思想是把熔胶电机和注射电机做成一体。当注射和保压时, 注射电机转动, 熔胶电机不动, 螺杆向前推进, 由于注射电机转子半径比丝杆的大, 获得力矩放大动力; 当熔胶时, 熔胶电机转动, 注射电机不动, 螺杆的螺母嵌入注射电机转子内, 螺杆受熔胶电机控制旋转, 但是螺杆在轴向保持原来的位置而不向前推进, 它靠熔胶电机定子固定在推进注射电机转子上, 这样就保证熔胶螺杆只转动而不向前推进。结构简单, 减少了传递上的误差环节, 防止了由于传动而导致的效率降低, 可精密控制螺杆转速及扭矩。2. 1. 1. 2 电机通过减速器带动曲柄滑块机构推动注射螺杆注射推动杆

5、相当于滑块, 通过止推轴承螺杆尾部连接, 当注射推动杆前移时, 推动螺杆前移进行注射。采用曲柄滑块机构传动时, 机构传递的力和速度与曲柄位置有关, 传递的运动是非线性的, 非常适合注射机的某些动作要求。例如在注射过程中, 最初的充模需要高的注射速度, 而在注射将近结束时, 需要低的注射速度和高的注射压力。2. 1. 2 直线电机驱动注射旋转电机驱动注射可到达的最高注射速度大约是800mm / s, 不能满足某些制品所要求的超高速注射速度。而直线电机驱动注射可改善响应特性, 实现超高速注射。早期的直线电机很难获得高推力, 注射压力难以保持, 故长期以来电动注塑机上一直未采用直线电机。后来, 日本

6、Fanuc公司开发出一款巨大的直线电机, 从而使得直线电机在注塑机上的应用成为现实。2. 2 全电动驱动结构目前全电动注塑机主要以单螺杆注射系统为主, 使用高性能的滚珠丝杆副。这种滚珠丝杆副能承受高载荷、短行程反复运动, 使全电动注塑机的性能得到很大提高。但是滚珠丝杆等关键部件的价格昂贵, 在本钱方面不占优势。因此, 有的生产厂商用多螺杆注射结构代替单螺杆注射结构,采用性能相对较差的多根螺杆代替价格较高的高质量螺杆, 以降低注射系统对滚珠丝杆的性能要求。全电动注塑机采用的注射结构由定板、动板、料筒、滚珠丝杆、同步带和电机等组成。单螺杆驱动结构和多螺杆驱动结构如图1所示。图1 全电动驱动结构2.

7、 3 全电动合模装置电动式注塑机的合模装置主要采用肘杆式锁模机构, 小型机也有采用曲柄连杆机构。合模装置采用伺服电机驱动, 可使动模板的移动速度易于控制、节能效果好。但是, 这需要使用价格较贵的大型伺服电动机。合模滚珠丝杆及其滚珠螺母的安装结构形式主要有以下3种:a,滚珠螺母和滚珠丝杆安装于合模机构中部, 由滚珠螺母带动丝杆运动。滚珠螺母通过轴承和轴承座装配于尾板中心, 丝杆直接固定于十字头中心, 并通过平键防止丝杆转动。伺服电机驱动滚珠螺母转动, 以推动丝杆前后运动, 从而带动整个机构的运动。 b. 滚珠丝杆和滚珠螺母安装于合模机构中部, 由丝杆带动滚珠螺母运动, 即丝杆转动, 滚珠螺母只作

8、直线运动。滚珠丝杆通过轴承和轴承座装配于尾板中心, 滚珠螺母通过螺钉直接固定于十字头中心。伺服电机驱动滚珠丝杆转动, 推动滚珠螺母前后运动, 从而带动整个机构运动。c. 两根滚珠丝杆及其滚珠螺母分别安装于合模机构尾板中心两侧不与曲肘干预的位置处, 两个滚珠螺母通过螺钉直接固定于十字头中心两侧与丝杆对应的位置处, 伺服电机驱动滚珠丝杆转动, 推动滚珠螺母前后运动, 即丝杆转动, 滚珠螺母不转动只作直线运动, 从而带动整个机构运动。对于已生产液压曲肘式系列注塑机的厂家,在设计电动式注塑机时, 选用第1种形式较好, 这样可缩短设计和试验周期; 目前日本、德国生产的中小型电动式注塑机中, 采用第2种形

9、式的较多;对于大型电动式注塑机, 设计时选用第3种形式较好。2. 4 全电动顶出装置和注射座移动装置全电动注塑机的顶出装置可以是曲柄滑块机构, 也可以是滚珠丝杆机构。使用曲柄滑块机构时, 滑块的一端与连杆连接, 另一端与顶出杆或顶出板连接, 滑块的运动和动力特性即为顶出装置的特性, 设计方法与注射装置中的曲柄滑块机构相同。最大顶出行程是曲柄回转直径的两倍, 顶出力和速度在顶出过程中是变化的。采用滚珠丝杆顶出机构时, 可以通过调节电机转速来调节顶出速度。这种顶出机构的结构简单, 顶出平稳。此外, 喷嘴移动动作, 可由电机和滚珠丝杆机构驱动。由于电机转速可以精确调整, 注射座的移动速度也可在移动过

10、程中根据需要调节。喷嘴与模具接触时没有冲击, 有利于模具的保护, 同时可以控制喷嘴接触力的大小。3 全电动注塑机性能优势与劣势3.1 性能优势(1)注射性能稳定液压注塑机的各项动态技术参数受到油压、油温变化的影响而容易发生波动,相比之下,电动注塑机的各项动态技术参数根本上不受外界因素的干扰,所以注射性能稳定。(2)高性能节能高性能的节能是电动注塑机最大的优势。电动注塑机的节能是在高速应答反映的注射工况条件下的节能,不影响生产效率,能量利用率到达95%以上, 比液压注塑机节能25% 60%。例如,加工材料为PA66的电气连接件,一模12个,用SSE400 液压注塑机成型的能耗为4. 26kW,用

11、SE400电动注塑机成型的能耗为2. 86 kW,比前者节能32. 8%。(3)节水电动注塑机不使用液压油,冷却水仅用于加料口,与采用负载敏感泵的液压注塑机相比,冷却水用量可减少70% ,与采用定量泵的液压注塑机相比,冷却水用量可减少90%。(4)效率高伺服电机的应用提高了系统的应答反映,以日本住友电机公司的SE系列电动注塑机为例,成型周期仅为液压注塑机的1 /3。由于各个执行机构都有独立的伺服电机驱动,所以电动注塑机能进行复合动作。而液压注塑机要实现复合动作,势必要增加液压系统的复杂性。(5)优化工作环境电动注塑机不使用液压油,工作环境更易保持清洁,且噪音低于液压注塑机10 dB以上。3.2

12、 性能劣势(1)机器系列规格目前,液压注塑机最大规格的锁模力已到达80 000 kN,而电动注塑机最大规格的锁模力仅为10 000 kN。 (2)合模机构为使伺服电机产生更大的锁模力,电动注塑机的合模机构一般采用扩力比大、行程比小的肘杆机构形式。结构单一，不适应于加工复杂的模腔形状。3)动力传递机构电动注塑机是用滚珠丝杠传递动力的,滚珠丝杠的磨损必然会影响到机器的性能,如何提高滚珠丝杠的使用寿命是一个需进一步研究的课题。 (5)成型形式合模机构的形式在一定程度上决定了注塑机的成型形式。电动注塑机不适用于复杂的如带抽芯装置的模具,不适合于需长时间锁模及保压的场合,因为这样会使伺服电机过度受热而受

13、损。电动注塑机仅限于单机筒单螺杆一种型式,束缚了其注射成型的范围。4 全电动注塑机在国内外的现状及未来的开展趋势4.1 电动机在国内外的现状从全球注塑机技术开展趋势看, 日本的注塑机制造商以精密注射及高循环速度( 短循环周期) 为技术目标, 开展全电动式注塑机;而欧美的注塑机制造商那么以油压计量与电动组合的混合式机型和多色多组分注射成型的复合化技术为开展重点。我国的注塑机由于起步较晚, 现阶段的产业结构不甚合理, 传统的肘杆式注塑机在市场中占据了主导地位, 全电动式注塑机尚处于初步开展阶段, 投入批量生产的厂家寥寥无几。目前国内已取得一定的进展有中国海天机械的HTD88 全电动注塑机、东华机械

14、的Zeus 系列全电动注塑机及宁波海太机械制造的HTD800 全电子伺服控制注塑机等。国内注塑机生产厂家虽已在该领域有所突破, 但还远未形成产业化规模化, 技术上与国际先进国家( 如日本) 还存在较大差距。这一问题的关键是国人尚未掌握核心技术, 目前全电动式注塑机的主要配件如饲服电机、滚珠丝杠等均依赖进口, 过分依赖国外的高新技术造成了目前产业开展的瓶颈。4.2 全电动注塑机的技术开展动向4.2.1 大型化全电动注塑机由于原理的限制, 当合模力上升时, 合模局部的丝杆、电机的负荷均相应增大, 用一个电机不能满足需要, 需要两个电机来共同完成; 这就产生了一个同步性的问题, 即两个电机的启动、运

15、转、停止必须一致, 否那么将导致使用性能不稳定和机器部件的损坏。因此, 全电动机型的大型化对电机控制系统、装配工艺等提出了更高的要求, 这些要求也限制了全电动机型的大型化。目前, 全电动注塑机主要应用于小型、精密制品的成型加工, 一般规格为合模力300 t 以内的小型机。近几年, 随着对大型注塑成型制品市场需求提高, 全电动注塑机也向大型化开展。目前日本UBE 机械集团已成功制造出世界上最大的全电动成型机, 该机锁模力为2 000 t , 用一台AC 伺服电机驱动塑化, 两台伺服电机驱动顶出。4.2.2 智能化随着塑料制品加工业的进一步成熟, 对塑料机械产业也提出了越来越高的要求。为实现高效、

16、精确、节能的目标, 智能化已成为塑机开发的新方向; 设备单元的自动控制、参数的闭环控制、过程联运在线反应控制等电子与计算机技术都已在注塑机上得到了较广泛的应用, 特别是基于PC 的开放式、模块化控制技术越来越被塑机制造商看好。开放式的控制系统可使机器制造商快速而经济地开发出满足机器控制功能且量身定做的控制软件; 而模块化系统使机器的柔性更高, 应用更广泛; 使用PC 作系统平台能在大大提高操作人员的易用性的同时, 借助PC 强大的网络功能, 机器制造商可实现对所售机器的远程维护, 这对提高生产效率和降低生产本钱将起到显著的效果。同时, 随着计算机和网络技术的开展, 使虚拟技术的实现成为可能。由

17、于虚拟技术可以形成和提供虚拟空间环境; 因此, 注塑机生产厂家可以实行虚拟合作设计、虚拟合作制造。虽然虚拟技术的开展目前尚处于初始阶段; 但虚拟技术所蕴藏的巨大的经济利益将为虚拟技术应用在注塑机设计制造中提供强大的推动力。4.2.3 超高速化 由于塑料制品的应用领域不断拓展, 不仅缩短生产周期的要求强烈, 而且薄壁化和结构复杂化制品的需求也越来越多; 于是超高速注射成型技术应运而生, 其注射速度高达1 000 1 500 mm/ s, 远远超过传统注塑机的100 mm/ s 以及普通全电动注塑机的300500 mm/ s.4.3 国内全电动注塑机的开展展望 国内由于注塑机的整体起步较晚, 全电

18、动式塑机的开展才刚刚开始。目前国内注塑机生产厂家虽已在该领域有所突破, 但尚未形成产业化, 技术上与先进国家( 如日本) 相比还存在较大差距, 特别是关键零部件生产尚需引进。引进虽然是迎头赶上的捷径, 但一味的引进一方面把产品的利润很大一局部让给了国外先进厂商, 另一方面也难以实现整体超越的转变,在国际竞争中难以找到自身的位置。为此, 需树立一个全新的观念, 即引进的并不一定是最先进的。以往的经验说明, 引进的技术往往与国外的先进技术保持10 年以上的差距; 要迎头赶上, 就必须从创造开始。所以, 要优化我国的注塑机结构, 开展高精度、高技术含量的全电动式注塑机, 抢占行业的高端领域, 国家须给予政策及导向等方面的支持及引导, 除设立该类机型的研发专项补助资金外, 在税收、贷款上给予优惠政策; 在注塑机生产厂家集中的地区, 政府应出台相关人才引进的配套优惠政策, 提高厂家的开发积极性, 为把我国从塑机生产大国转变成塑机生产强国奠定坚实的根底。参考