第五章 高分子材料成形设备及自动化教案Word文件下载.docx
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材料的这种性质为生产长径比（长度对直径，有时是长度对厚度）很大的产品提供了可能，利用聚合物的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。
但工业生产上仍以拉伸法用得最多。
5.1.3高分子材料成形方法分类
根据高分子材料性能，目前常用的成形方法分类见图5-1所示。
压出成形
复合材料
注射成形
卷绕及缠绕成形
模压成形
层压成形
手糊成形
高分子材料
塑料
橡胶
纤维
挤出成形
压制成形
其它成形方法
铸塑成形
模压烧结成形
泡沫塑料的成形
传递模塑
压延成形
湿法纺丝
干法纺丝
熔法纺丝
图5-1高分子材料成形方法分类
5.2.1塑料注射机
注塑机结构图5-2所示，一台塑料注射机的性能特征，通常用一些性能参数来表示。
根据各参数所表示的内容，可将它们分为注射、合模、注射机结构组成三个部分进行讨论。
图5-2 注塑机的结
5.2.2注射部分主要性能参数
注射装置主要作塑化粒状塑料和注射熔料入模之用。
因此，注射部分的参数即表示注塑机在注射、塑化性能方面的特征参数。
（1）注射量
注塑机注射量是指注塑机在注射螺杆（或柱塞）作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注出量。
注塑机注射量是一个重要参数。
它在一定程度上反映了注塑机生产制品能力的大小，标志着注塑机所能生产的塑料制品的最大质量。
因此，注射量可作为表示注塑机规格的主参数。
1）注射容积
注射量以体积计量，即为注射容积。
根据不同的定义内容，分为理论注射容积和当量注射容积。
①.理论注射容积：
注射时螺杆所能排出的理论最大容积，称之为注塑机的理论注射容积，即螺杆的截面与行程的乘积。
（5-1）
式中
——理论注射容积，cm3；
——螺杆直径，cm；
——螺杆注射行程，cm。
②.当量注射容积：
注塑机相当于在100MPa注射压力条件下的理论注射容积，定义为当量注射容积。
当量注射容积又称标准注射容积或国际规格。
由式（5-1）可知，理论注射容积是不能完全反映注塑机的注射能力的。
如注塑机在相同行程s时，理论注射容积仅与直径有关，并不涉及到注射压力的高低。
按定义可写出当量与理论注射容积之间的关系：
（5-2）
式（5-2）中同乘行程s，经整理可得
（5-3）
——机筒内孔截面，cm2；
——若注射压力为100MPa时所用机筒截面，cm2；
5.2.3合模力性能参数
图5-3 注射时动模板的力平衡
合模力性能参数，主要用来表示该部件在工作时所能提供的力和模具安装尺寸等特性。
螺杆作用于熔料的压力，在熔料流经机筒、喷嘴、模具的浇注系统后，将要损失一部分。
余下的即为模腔内的熔料压力，简称模腔压力。
在注射时，要使模具不被模腔压力所形成的胀模力顶开，就必须对模具施以足够的夹紧力，即合模力。
根据图5-3所示，在注射时胀模力应由熔料的静压和由液体的（包括熔料和油缸内的工作油）冲击而产生的动压所组成。
当动模板受到胀模力作用时，运动部分可能发生退让。
若取动模板为平衡体，在不考虑机械摩擦的条件下，沿合模机构轴线方向的力平衡关系应为：
（2-18）
——合模力；
——膜腔压力；
——注射时由熔料和工作油的冲击所产生的压力增量；
F——制品在分型面上的投影面积；
M——合模装置运动部件的质量；
——注射时合模装置运动部件发生位移时的加速度。
因高分子流动以及对压力的传递不同于牛顿型液体，所以在模腔内由冲击所产生的压力增量是比较小的。
式（2-18）中的位移加速度，主要取决于模具在胀模力的作用下所形成的间隙量。
如保证模具完全闭合，则位移加速度应为零，此时，可将式（2-18）简化成仅考虑模腔压力作用的合模力表达式：
（2-19）
因此，要正确确定对机器质量和尺寸影响较大的参数——合模力，首先要分析模腔压力的形成与分布，及其影响因素，进而求得它们之间的解析关系。
可是，对于注射过程这样极为复杂的流变现象，至今尚未找到熔料在模内流动的基本因素之间的可靠定量关系。
但研究表明，模腔压力的大小及其分布与很多因素有关，如注射压力、保压压力、树脂温度、模具温度、注射速度、制品壁厚与形状、熔料流动距离以及保压时间等。
如工艺条件一定，加工某一种塑料，模腔压力可表示成仅与模腔几何形状及其尺寸有关的函数表达式：
（5-20）
——熔料自浇口流入x距离处的压力；
——浇口处的压力；
）由模腔几何形状及尺寸、树脂特性等决定的计算函数。
上述表达式在使用时是相当困难的，至今只能找出数量有限，形状简单的计算函数。
因此，在工程实际中，常用的方法是通过分析合模系统的性能之后，测出注射过程中的合模力的变化，用求出模腔平均压力的方法计算合模力。
（5-21）
式（5-21）中的模腔平均压力
，可参考表5-3选取。
表5-3不同成形条件下的模腔平均压力及其举例
成形条件
模腔平均压力/MPa
举 例
容易成形的制品
25
PE、PP、PS等壁厚均匀的日用容器类制品
一般制品
30
在模具温度较高的条件下，成形薄壁容器类制品
加工高粘度树脂和有精度要求的制品
35
ABS、PMMA等有加工精度要求的工件零件，如壳体、齿轮等
用高粘度树脂加工高精度、充模难的制品
40
用于机器零件的高精度的齿轮或凸轮等
图5－4 模腔压力与流长比i
表5－4 塑料的粘度系数
塑料名称
粘度系数α
PE、PS、PP
PA
ABS
1.0
1.2~1.4
1.3~1.4
CA
PMMA
PC
1.3~1.5
1.5~1.7
1.7~2.0
在上述计算中，由于给的条件和数据不够精确，其结果比较粗略。
目前大多采用以流长比i反映流道阻力，用粘度系数
表示塑料流动性的查图（表）计算法，来确定模腔平均压力。
（2-22）
——根据流长比，由图5-4查出的模腔压力值；
——塑料的粘度系数（见表5-4）。
合模力是保证制品质量的重要条件。
同时它又直接影响到机器的尺寸和质量。
因此，研究降低充模压力即合模力，是一项很有实际意义的工作。
近来，由于改善了塑化机构的效能，提高了注射速度并实现其过程控制，机器的合模力有明显的下降。
合模力同注射量一样，在一定程度上反映了机器加工制品能力的大小，所以经常用来作为表示机器规格大小的主参数，并作系统规定。
5.2.4注塑工艺控制流程
（1）注塑机液压油路系统
注塑机的液压油路系统由油泵、油泵电机、滤油器、油箱、油管、油温冷却器、比例压力阀、比例压力阀、比例流量阀、开关阀、液压马达等各种液压元件组成，还包括一些辅助元件和密封件。
注塑机系统设计采用了比例压力阀和比便流量阀，可实现压力和流量的多级控制，具有油路简单、效率高、系统稳定性良好、冲击少和噪声小等优点。
（2）合模系统
合模系统的作用是推动模具进行开合运动，使动模板作启闭模往返移动，锁紧模具的力要大于注射压力，使塑料制品没有飞边。
合模系统主要由四根拉杆和螺母把前后模板联结起来形成整体刚性框架。
动模板装在前、后模板之间，后模板上固定合模油缸；
动模板在合模油缸的作用下以四根拉杆为导向柱做启闭模运动。
模具的动模装在动模板上而定模则装在前固定模板上。
当模具闭合后，在合模油缸压力作用下，产生额定合模力，锁紧模具，防止模具注入高压熔体时模具的型腔张开。
当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统达到平衡状态。
注塑过程合模动作见图5-5。
合模动作包括：
关安全门、锁模、注射、保压、熔胶、冷却、抽胶、开模、制品顶出等。
图5-5 注塑合模动作示意
（3）注射系统、射台移动系统
注塑机注射系统的作用是使物料塑化和熔融，并在高压和高速下将熔体注入模腔。
注射系统主要由塑化装置、螺杆驱动装置、计量装置、注射动作装置、注射座以及整体移动装置、行程限位装置以及加料斗装置等组成。
塑化装置又由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件；
螺杆驱动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆驱动电机或液压马达组成。
预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。
注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。
在注射时，油缸产生注射推力，通过主轴推动螺杆向头部熔体施高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。
注射座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装置以及计量装置和料斗都固定在注射座上。
注射座在油缸作用下，可以做整体前进或后退，使喷嘴与模具接触或离开。
（4）冷却系统
冷却系统用来冷却液压油、料口以及模具。
它是一个封闭的循环系统，能将冷却水分配到几个独立的回路上并能对其流量进行调节，通过检测水的温度，实行闭环调节。
（5）安全保护与监测系统
注塑机的安全装置主要是用于保护人和机器的安全。
由安全门、行程阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气、机械、液压的联锁保护。
监测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况即进行指示或报警。
5.2.5注塑机的电气控制系统
电控系统是注塑机的“中枢神经”，它控制着注塑机的各种程序及其动作；
对时间、位置、压力、速度和转速等进行控制。
主要由计算机及接口电路、各种检测元件及液压驱动放大电路组成闭环调节系统。
（1）输入输出模块的硬件实现
输入输出（I/O）通道是计算机控制系统的主要组成部分，通常是指模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）、信号调理电路（SC）、继电器电路（RL）及特殊信号的处理。
在本系统中，I/O通道的作用是连接嵌入式计算机和执行板的信号通道，即嵌入式计算机产生的所有控制信号，都需要通过执行板进行一定的处理后，才能去驱动各个执行机构进行动作。
注塑机控制系统的I/O接口较多，包括32个输入点和28个开关量输出点，下面就详细介绍I/O接口板的设计方法。
（2）数字量输入通道
数字量输入通道主要包括光耦隔离电路和8位移位寄存器电路。
光耦隔离电路的作用是将执行板与执行机构在电气上隔离开，防止高压产生干扰，破坏CPU程序运行。
光耦隔离电路有32路，每一个电路都是相同的，每一路输入信号的含义在电路接线中已经规定。
8位移位寄存器电路是将并行输入的信号转换为串行输出，实现这个功能的芯片是74HC165，总共用五片转换芯片，每一片实现8路并行输入，一路串行输出，因此，40路数字量输入经过这样转换后就变成5路数字量输入。
（3）6路热电偶模拟信号输入通道
6路热电偶输入信号分别是T2－与T2+、T3－与T3+、T4－与T4+、T5－与T5+、T6－与T6+、T7－与T7+，分别对应着螺杆的六段温度线。
热电偶信号是模拟信号，在输入到计算机进行处理之前，需要将模拟信号转化为数字信号。
热电偶信号输入电路的主要作用也即在此，它包括两部分，一个是模拟信号放大电路，一个是A/D转换电路。
放大电路采用AD622芯片来实现，每一路需要一个AD622转换芯片，总共6路；
经过放大后的模拟信号输入到A/D转换电路，A/D转换采用日本NEC公司的D7011C芯片来实现，每一片有2路A/D转换，6路模拟信号需要三片。
（4）三路光学编码器输入
三路编码器分别是顶针光学编码器、射胶光学编码器和锁模光学编码器。
编码器的输出信号是数字量，因此不用结果转换就可以直接输入到计算机进行处理。
（5）数字量输出通道
数字量输出通道是将计算机输出的控制信号经过一定的处理后，输出去驱动执行机构进行动作。
每一路输出信号含义在电路接线中已经规定。
输出通道主要包括数据锁存电路和大功率驱动电路。
数据锁存电路采用74HC244芯片来实现，一共4片，每片锁存8位，共32位；
大功率驱动电路采用达林顿大功率驱管。
（6）加热器输出和油泵马达控制输出通道
加热系统是用来加热螺杆筒及注射喷嘴的，注塑机螺杆筒一般采用电阻加热圈，套在螺杆筒外部并用热电分段检测。
热量通过筒壁向内传递，为物料塑化提供热源。
加热器输出控制主要是螺杆六段温度控制继电器线圈H1~H6。
电脑系统通过温度传感器TC2~TC7采集螺杆的六段热电的温度值，经过计算机PID运算后确定每一段加热器的控制继电器开或者关，继电器输出形式是脉冲宽度调节（PWM）的开关量输出，去控制加热器动作。
这一部分电路包括继电器驱动电路和串行并行转换电路两部分：
由于加热器温度控制和油泵马达控制都是属于强电控制，因此需要用继电器来实现，所以有了继电器控制电路部分；
串行并行转换电路主要是为了节省计算机的I/O资源，采用这个电路只需要占用计算机的一路I/O口就可以实现八路输出，串行并行转换芯片采用74HC240芯片来实现。
（7）PWM信号输出通道
主要是一个PWM信号驱动电路，它采用TIP147达林顿管来实现。
PWM信号输出通道有两路，分别是压力比例阀和流量比例阀，其接线电路如图5-18所示。
图5-18中SP0+接到比例压力阀线圈，经安培电流表回到SP0－，同样比例流量阀接线也是流过线圈和电流表。
（8）注塑机低压电源和电机主回路控制线路图
整个执行板上总共有4种电源输入，分别是+50V、+28V、+24V和+12V，采用4种电源是因为在执行板上的各种器件所要求的供电电压不同。
+50V电源是为PWM信号产生电路供电，PWM产生电路所用的器件TIP147达林顿管需要+50V电源。
+28V是为所有的数字量输出口供电。
+24V有两个作用，一个是为所有的数字量输入量供电，另一个经过整流后输出+5V电压，这个+5V电压供给所有的IC芯片。
注塑机有两个电动机，一个是油泵马达，另一个是调模电机。
油泵马达启动控制由电脑实现Y-△运转，其中Y-△启动互锁是由M△和MY实现。
5.3.1橡胶挤出机的基本结构和工作原理
橡胶挤出机的基本机构如图5-6所示。
胶料从喂料口喂入，再由电动机通过减速装置带动旋转的螺杆进入螺槽。
胶料在旋转螺杆推动下向前移动，从机头的口型中以一定形状挤出，完成挤出过程。
喂料段的作用是吃进胶料并在螺杆推挤的作用下，在螺杆沟槽表面与机筒之间形成相对运动，在喂料口连续形成胶团，这些胶团随螺杆转动而前进并逐渐被压实，胶料由硬变软，过度到塑化段。
塑化段将胶料进一步压实、加热和塑化。
胶料由高弹的固体状态向粘弹的状态转化。
挤出段的作用是将塑化段输来的胶料稳定地向机头挤出。
图5-6 橡胶挤出机基本结构
1-电机2-机头3-螺杆4-机筒5-喂料口6-减速器7-底座
5.3.2橡胶挤出机的基本技术参数
（1）螺杆直径与长径比
螺杆直径D指螺杆工作部分的外径。
橡胶挤出机的规格一般以螺杆直径来表示。
其系列为φ45、φ60、φ90、φ120、φ150、φ200、φ250、φ300mm。
螺杆工作部分长度L与直径D的比（L/D）称为螺杆长径比。
较大的长径比有利于胶料的均匀混合和塑化，也有利于挤出过程的稳定性，从而提高半成品的质量，但过大的长径比会导致功率消耗增大以及挤出温度过高，从而造成胶料焦烧。
热喂料挤出机的长径比一般为3.5~6，冷喂料挤出机一般为12~20，排气挤出机一般为14~22。
（2）螺杆转速
螺杆转速直接影响挤出过程的生产能力、功率消耗、挤出温度、挤出质量以及挤出压力及轴向力。
挤出机的螺杆转速见表5-5。
提高螺杆转速同时要考虑驱动功率、挤出温度和挤出质量是否得到保证。
表5-5挤出机的螺杆转速
r/min
螺杆直径，mm
45
60
75
90
120
150
200
250
300
热喂料挤出机
70
-
65
55
排气挤出机
50
40
30
冷喂料挤出机
35
25
（3）挤出压力与轴向力
1）挤出压力
胶料在挤出机内流动时，因受到机头内腔流道阻力和螺杆的挤压作用，使胶料在机筒内的压力沿胶料流动方向逐渐升高，在螺杆头端部附近达到最大值，该值称为挤出压力或机头压力。
影响基础压力的因素是多方面的。
硬胶料的挤出压力大于软胶料；
随着挤出口型截面积的减小和螺杆转速的增加，挤出压力也在增加。
较大的挤出压力有利于挤出制品致密性，但过高的挤出压力会使挤出温度过高。
2）轴向力
螺杆轴向力由作用在螺杆上的两个不同的力所组成：
①螺杆头端胶料对螺杆的反压力（胶料的静压力）作用在螺杆端面上引起的静压轴向力）；
②在螺杆旋转推动胶料运动时，胶料对螺杆表面阻力的轴向分力而引起的动压轴向力。
（4）挤出温度
在挤出过程中，胶料受到强烈的剪切与挤压作用，使胶料温度逐渐升高，当到达机头时，其温度升高到最大值，该值称为挤出温度。
挤出温度受螺杆转速影响最大，其次是胶料的品种、螺杆结构形式和流道的阻力等。
挤出温度对挤出机生产能力影响十分显著，因此，在寻求提高生产能力的途径时，应从各个方面去考虑，如何在较低的挤出温度下，提高螺杆转速来提高生产能力。
（5）功率
挤出机驱动功率的大小主要取决于螺杆的几何尺寸与结构、螺杆转速、胶料的加工性能以及机头流道的阻力等。
挤出机驱动功率见表5-6。
表5-6挤出机的驱动功率
KW
5.5
10
22
100
165
260
320
550
700
（6）生产能力
生产能力是挤出机的综合性能指标，它受许多因素的影响。
在设备方面主要是螺杆直径、螺槽深度、螺纹升角、螺纹长度、螺杆与机筒的间隙、螺杆结构、机筒结构、喂料段结构以及机头流道的结构等；
在工艺条件方面，主要是螺杆转速、螺杆与挤出机各段温度的分布以及挤出温度的选择等；
在加工对象方面，主要是胶料粘度、胶料种类、胶料配合剂等。
应此，挤出机性能的优劣，在相同条件下其生产能力是最重要的评判标准。
各种挤出机的生产能力见表5-7。
表5-7各种挤出机的生产能力
kg/h
530
1050
1800
3600
4500
110
420
680
1200
230
500
800
1500
2500
3500
5.3.3橡胶挤出机的控制系统
（1）电机的选择
橡胶挤出机的驱动电机通常有交流电机、整流子电机和直流电机。
对一般用途的挤出机可用多速电机或采用多档调速减速箱实现有级调速。
这种调速方法控制简单、噪音低且造价低廉，但难于满足各种挤出胶料和挤出半成品对转速的要求，尤其在复合胎面、压片、供胶等作业中更难得到满足。
因此近代的橡胶挤出机很少采用交流电机。
在出现可控硅直流调速以前，常常使用整流子电机，它能容易地实现平滑的无级变速，同时控制系统也比较简单。
然而，由于整流子电机有大而多的电刷，在高速运转下噪音大而且容易产生火花，易于对控制仪表产生干扰，在推广微机应用的今天，这问题更值得注意。
（2）自动供料装置
自动供料装置主要是将胶片自动输送至挤出机的喂料口，实现对挤出机的自动供料。
同时在供料过程中，装置能够实现对胶料混入金属杂质的检测。
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