V型螺杆式注塑系统设计

张文娟， 包建东， 朱建晓， 周 伟

(1. 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094； 2. 苏州康尼格电子科技股份有限公司， 苏州 215000)

V型螺杆式注塑系统设计

张文娟1， 包建东1， 朱建晓2， 周 伟2

(1. 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094； 2. 苏州康尼格电子科技股份有限公司， 苏州 215000)

采用电磁加热和V型螺杆相结合的方式来熔胶， 设计螺杆自身参数， 用光栅尺计量注胶位移实现定量注胶， 用LabVIEW编写可用于螺杆式注塑设备的上位机控制程序， 对注塑参数进行设定及显示， 并通过对话框对故障进行报警， 具有较高安全性， 保存生产报表及生产配方并可随意浏览各项帮助信息. 本系统有效消除胶料的碳化. 产生气泡等问题， 提高了注塑设备的工作效率和热熔胶的利用率.

注塑系统； V型螺杆； LabVIEW

0 引 言

注射成型工艺的加工设备就是塑料注射成型机， 简称为注射机或注塑机. 注射成型是将已加热熔化的材料喷射注入到模具型腔内， 经由冷却固化而得到成型品的方法. 注射机是成型注塑制品的设备， 它能够一次成型外形复杂、 尺寸精确的部件， 被广泛应用于家用电器、 电子工业及汽车制造业等各个领域. 世界上的第一台往复式螺杆注塑成型机使更多的塑料有可能通过比较经济的注塑成型方法加工成各种制品[1]. 我国的塑料加工业发展前景广阔， 但相比于工业发达国家还处于技术含量较低的阶段. 塑料注射制品占塑料制品总量的1/3， 据统计， 每年占塑料机械总台数60%以上的注射机消耗了30%左右的塑料原料[2]. 随着21世纪塑料工业的迅速发展， 我国的注射机在数量和品种上都有很大的提高， 如今注射机正处在一个新的高速发展阶段[3].

螺杆是塑料注塑成型机中塑化部件的最重要的部件， 生产实践表明： 设计制造优良的注塑螺杆[4]， 能有效地提高塑化能力、 改善塑化质量及混合质量. 对于塑料挤出成型机而言， 螺杆更是心脏部件. 注塑过程由塑料变为熔体的塑化过程和熔体注入模腔的注塑过程组成， 具有周期性及连续性特点[5]. 螺杆的结构和操作工艺参数直接决定着注塑机两个过程的好坏[6]. 因此， 优化螺杆结构将极大地提高注塑机的性能和产品质量.

注塑机在塑料制品生产过程中应用广泛， 它能使塑料制品一次成型， 在提高生产效率的同时还易于实现自动化， 是塑料产品生产过程中必不可少的机种. 因此该种机器已成为当今塑料机械中增长最快、 生产数量最多的机种之一. 随着国民经济的快速增长以及塑料消费的快速扩大， 预计未来几年中国注塑机将迎来新一轮的产量“爆发”期.

1 总体方案设计

V型螺杆式注塑系统集熔胶与注塑于一体， 应用电磁感应非接触式加热方式[7]代替气体火焰加热法[8]、 红外线加热法[9]等加热方式， 感应加热的能量传递以电磁波的形式进行， 受外界的干扰很小， 能量散失少， 加热效率高， 采用非接触式加热， 在加热过程中不易掺入杂质； 同时采用螺杆式注胶系统， 包括螺杆式进胶系统、 定量注胶系统及整体的注胶控制系统等. 螺杆式进胶系统利用螺杆注胶方式代替齿轮泵注胶， 可以改善注胶过程中会出现漏胶及注胶速率不均匀的问题， 减少注胶过程中的原料浪费， 使注胶速率更加平缓、 均匀. 定量注胶系统通过压力传感器实时监测注胶压力并记录， 比较在不同的注胶压力下注塑产品的质量. 注胶控制系统由于温度的热惯性， 使得对于温度信号的控制比电信号难度更高， 所以引入优化的PID控制算法对温度进行控制， 相对于普通PID算法来说， 其精度更高. 软件控制采用虚拟仪器编程控制实现记录、 显示、 报警、 保存、 浏览等功能.

2 系统硬件设计

本套V型螺杆注胶设备的机械结构， 主要是针对目前注塑相关设备普遍存在的缺陷进行优化， 例如： 加热速度慢， 不能实施速熔定量定速的注胶工作； 注胶设备温度难以控制； 齿轮泵寿命短等.

2.1 V型螺杆注塑机的结构组成及工作原理

注塑机有两种注塑方式： 其一， 柱塞式， 现在已经很少用到的一种注塑方式； 其二， 螺杆式， 螺杆式注塑机现在正得到人们的青睐. 可以通过对比二者的工作过程来确定改进方案.

图 1 V型螺杆注塑机Fig.1 V screw injection molding machine

首先， 假设两种注塑机都在相同的预塑条件下. 那么对于柱塞式注塑装置， 柱塞在推动力的作用下， 将熔融状态的塑料推进到料筒前端， 再经过喷嘴射出. 这样的注塑方式有很多缺点， 塑化的效果和质量都不太理想， 能量的损耗也很严重. 对于螺杆式注塑装置而言， 这种注塑方式更类似于螺杆挤出机的工作方式， 在螺杆的旋转过程中， 熔融态塑料缓慢向前推进， 然后螺杆又在伺服电机的作用下以一定的压力和速度将熔胶注入型腔. 这种方法结构紧凑、 塑化效果好. 但是， 缺点也很明显： 由于传动系的频繁启动， 导致能量的极大消耗； 另外， 螺杆的前后运动也导致了塑化不均匀的现象.

通过对比， 将二者特点结合， 螺杆作为预塑段主要部件熔化胶料， 再采用柱塞将熔融状态的胶料注射出去， 实现了所需的功能， 提高了加热速度， 更方便了温度的控制. 最终将结构设计成如图 1 所示的V型结构： ① 汽缸1： 当预塑段熔胶完全进入注塑段后， 汽缸推动注塑螺杆前进， 抵住连接法兰， 注射结束后， 它又控制螺杆返回原位； ② 内置螺杆： 螺杆在工作过程中不停地转动， 同时带有高温， 胶料进入预塑装置后， 很快被融化， 并且在螺槽中向前输送， 过程中螺杆会将熔胶进一步地压实； ③ 料斗： 螺杆机的进料口， 颗粒状胶粒从这里进入预塑装置， 也可以配合滑槽封闭注塑机； ④ 伺服电机： 预塑装置工作时， 伺服电机给螺杆提供动力， 驱动螺杆的转动； ⑤ 加热环： 预塑装置的加热环主要是加热注塑螺杆至指定温度， 注塑段的加热环主要是起到为射入胶缸内的熔胶保温的作用； ⑥ 连接法兰： 连通预塑段与注塑段， 预塑段的熔胶从这里进入注塑段； ⑦ 射入胶缸： 熔胶从注塑段进入这里， 直至注射前都保存在这里， 具有保温、 保压的作用； ⑧ 喷嘴： 它是熔胶的注射通道， 并且能控制通道的封闭， 当胶缸压力大于弹簧的预紧力是通道打开开始注射， 反之， 通道封闭停止注射； ⑨ 柱塞： 向前推进熔胶， 增大胶缸内的压力， 迫使喷嘴打开， 将熔胶从射入胶缸挤出；光栅尺： 检测柱塞的移动， 将柱塞的移动换算为注胶量， 并反馈给汽缸3， 实现实时控制注胶量的功能；汽缸2： 注射座的驱动装置， 用来给喷嘴进行微调， 使得喷嘴对准模具， 保证注塑质量；汽缸3： 为柱塞提供动力， 控制柱塞前进， 当光栅尺反馈注胶量达到设定值的信号时， 汽缸则控制柱塞返回， 停止注射.

在设计过程中， 考虑结合柱塞式和螺杆式的结构特点. 安排预塑装置和注射装置的结构， 将它们分成上下两部分， 组成“V”型结构； 与此同时， 用螺杆泵来完成柱塞的工作， 获得更加紧凑的结构. 考虑到注塑产业的原材料——塑料， 在高温下发生碳化和热分解是比较常见的现象， 但是这也是造成注塑产品出现质量问题的重要原因， V型螺杆注塑机， 其预塑装置、 注塑装置在结构上是分开的， 极大地减少了空气的进入， 提高了产品的质量以及设备的使用寿命.

胶料从料斗③进入注塑机， 此时， 内置螺杆②已经在加热环⑤的作用下， 通过热传导迅速升温到了指定温度， 同时在伺服电机④的驱动下不停转动， 胶料进入注塑机预塑装置后由于螺杆②的高温而迅速熔化， 熔胶在螺杆②旋转过程中不停推进， 在推进过程中进一步压实， 然后通过连接法兰⑥流入射入胶缸⑦中， 射入胶缸⑦表面也有一对加热环， 保持熔胶的温度， 这时， 在汽缸1①的作用下， 内置螺杆②向前推进抵住连接法兰⑥， 确保胶缸⑦中的熔胶不倒流， 此时胶缸⑦内的熔胶处于保压状态. 注塑时， 柱塞⑨在汽缸3的驱动下向前推进挤压熔胶， 熔胶就会从胶枪⑧射出， 其输出量由光栅尺通过检测柱塞⑨的移动来控制. 汽缸2的作用是调整胶枪的位置， 使之对准模具.

2.2 螺杆设计

主要采用经验设计对螺杆注塑机的螺杆进行设计. 选取45号钢来制造普通螺杆， 这种材料的螺杆拥有0.42%～0.50%的含碳量以及HRC55以上的硬度. 胶料在螺杆槽内熔化并向前推进， 将熔胶送入胶缸内， 其中螺杆顶部还可以配合法兰小配件抵住连接法兰， 以达到防止熔胶回流的目的[10]. 最终选择的螺杆直径Ds=25 mm， 长径比L/Ds=23， 导程S=25 mm， 螺峰轴向宽度e=5 mm， 采用普通的矩形锯齿型螺纹. 螺纹断面形状如图 2 所示， 螺杆头形状如图 3 所示， 这种螺杆头形状， 可以让熔胶充分流动， 极大程度上避免了熔胶烧焦的现象[11]， 同时还可以配合法兰小配件抵住连接法兰， 形成保压环节.

图 2 螺纹断面形状Fig.2 Shape of thread

图 3 螺杆头部形状Fig.3 Shape of screw head

2.3 喷嘴设计

图 4 喷嘴实物图Fig.4 The picture of nozzle

喷嘴， 也即胶枪. 在V型螺杆机上， 使用的是超短型注胶枪， 其总长度不超过50 mm. 由于熔融态塑料温度高达200 ℃左右， 所以在选材方面， 耐高温成为必须考虑的一环， 同时还应保证一定的耐腐蚀性， 经过分析， 决定用45号钢来作为胶枪的整体材料.

注胶喷嘴的具体原理： 喷嘴包括一个耐高温弹簧、 一条喷射通道与一根枪针， 枪针是控制喷嘴注射的关键， 弹簧用来给枪针施加一个预紧力(预紧力的大小必须适当， 太大会导致喷射通道无法打开)， 当柱塞将熔胶推进到喷嘴后， 使得喷嘴内部压力上升， 这个压力会使枪针克服弹簧的预紧力而向后退， 这时， 喷射通道打开， 熔胶经过喷射通道注入模具. 注胶完成后， 喷嘴内压力会下降， 枪针再次抵住喷射通道阻止熔胶外流， 形成截止阀. 喷嘴实物图如图 4 所示.

2.4 定量机构设计

图 5 光栅尺实物图Fig.5 The picture of grating ruler

新型的V型螺杆注塑机要能准确地控制注射量， 一个精准的定量机构可以极大地减少胶料的消耗， 避免了不必要的浪费， 也可以提高注塑质量， 本系统采用在胶缸处设置传感器， 当胶缸内的熔胶减少一定量时， 输出反馈信号， 停止注射. 将一个光栅尺与注胶柱塞相连， 用光栅尺检测柱塞的实时移动距离， 并反馈给汽缸实现注胶量的闭环控制. 每次注胶时， 汽缸控制柱塞向前移动以推动熔胶实现注胶， 注胶量是与柱塞的移动距离成正比的， 由此， 光栅尺检测柱塞的实时移动， 再转换成注胶量， 当注胶量达到设定值时， 光栅尺向汽缸发出反馈信号， 汽缸则不再前进， 对柱塞进行复位， 这样， 就实现了对注胶量的精确控制. 如图 5 所示， 通过光栅尺检测柱塞位移的方式来控制注胶量的设计， 其控制精度满足要求， 避免了浪费， 缩减了生产成本， 同时， 用光栅尺来实现定量功能结构简单， 安装方便.

2.5 驱动机构设计

1) 预塑装置的驱动形式： 预塑装置主要是注塑螺杆在熔胶筒中的转动， 可以由带有齿轮减速器的伺服电机直接驱动. 这种方式， 可以很方便地针对不同的胶料来调节注塑螺杆的转速.

图 6 部分驱动机构实物图Fig.6 Part of the drive mechanism

2) 保压装置的驱动形式： 保压装置的作用是在预塑装置的熔胶进入胶缸后对胶缸进行保压， 防止回流， 这是通过螺杆向前抵住连接法兰而实现的， 由于整个过程只有单一的螺杆前后运动， 只需要保证螺杆对连接法兰的压力即可， 采用汽缸来直接驱动螺杆， 实物如图 6 的汽缸1.

3) 注塑装置的驱动形式： 注塑装置驱动方式与保压装置有些相似， 只要驱动柱塞的前后运动， 所以也用汽缸来驱动， 实物如图 6 的汽缸2.

4) 注射座移动装置的驱动形式： 在注塑时， 注射座的移动是为了保证喷嘴与模具对齐， 实际上只需对其进行微调即可， 这里依然使用汽缸来进行驱动.

3 系统软件设计

上位机控制系统， 用Labview的编程控制实现， 根据实际需求， 可包括以下几部分： 主程序包括主界面、 操作界面、 系统界面； 功能模块包括浏览功能、 动画功能、 定时功能； 数据处理模块包括报表保存、 报警功能. Labview设计的总流程图如图 7 所示.

图 7 Labview设计总流程图Fig.7 The total flow chart of labview design

4 实验结果及分析

通过账号及密码登录系统与PLC 进行通讯， 对PLC进行读写， 既而对注塑参数进行设定及显示[12]； 显示注塑时各段温度曲线、 压力曲线， 并实时保存温度及压力数据； 对 PLC 输入信号及输出信号进行监测， 并通过对话框对故障进行报警[13]， 保证安全性； 保存生产报表， 保存生产配方并读取配方， 提高生产效率； 可随意浏览各项帮助信息， 观看帮助类视频. 主界面如图 8 所示.

利用该设备， 达到集熔胶和注塑于一体， 对芯片等器件进行封装， 其设备封装效果如图 9 所示， 有效消除了碳化、 气泡等现象的产生， 满足了生产需求， 操作简单且功能齐全， 配方的保存与读取功能大大提高了工作效率， 温度及压力的实时显示直观性强， 具有故障报警功能也使得安全性提高.

图 8 程序主界面Fig.8 The main interface

图 9 封装效果图Fig.9 Encapsulation rendering

5 结束语

本文介绍了V型螺杆式注塑系统的软件、 硬件设计方法， 设计驱动、 螺杆、 喷嘴等机械结构， 通过使用LabVIEW， 完成了对螺杆式注塑设备的软件设计， 并在实际上机调试中获得了成功， 目前已初步运用到该设备当中， 可满足实际生产工作要求. 该系统升温速度快、 胶利用率高、 热效率高， 注胶速率稳定， 注胶精准， 减少了气泡对注塑产品的影响， 节省加工成本， 突显同类产品的价格和性能优势， 具有极高的社会、 经济效益.

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Design of V Screw Type Injection System

ZHANG Wenjuan1, BAO Jiandong1, ZHU Jianxiao2, ZHOU Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. CONIG Electronics Technology Co., LTD, Suzhou 215000, China)

Designing parameters of screw to meet a certain amount of melt volume, adopting grating ruler for quantitative note glue by measuring the displacement of plastic injection, this system used electromagnetic heating and V type screw to make plastic melt. The software introduced is a PC control program, developed by LabVIEW, which can be used for the V screw type injection molding equipment. It can set and display parameters of injection molding and through the dialog box to the fault alarm with high security. This system can save production report and production formula and can browse through all the help information.The system effectively avoids the problem of carbonization of the rubber and bubbles, which improved the working efficiency of the injection molding equipment and the utilization rate of hot melt adhesive.

injection system; V screw type; LabVIEW

1671-7449(2017)02-0175-06

2016-10-09

张文娟(1992-)， 女， 硕士生， 主要从事注塑、 测试信号处理分析等研究.

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.015