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针对型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯壁厚

文章作者:关于我们 上传时间:2020-01-05

1.型坯温度

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影响中空制品的表观质量,纵向壁厚均匀性,生产效率。

改革开放以来,我国的包装工业得到迅猛的发展。包装工业在国民个主要行业中排列首位,其经济地位日显重要。然而,尽管包装工业发展形势如此喜人,但却存在着产品结构不合理,中高档产品少等问题,与国际先进水平相比存在较大的差距。而广西塑料中空包装容器的生产目前大多仍停留在手工作坊式的生产状态,生产规模小,设备陈旧,技术落后,产品单一,尤其是容器厚、薄不匀均,重量不稳定,生产效率低,能耗大等问题,产品不能满足中高档包装需要。因此,不少注重产品包装的企业所需的中高档塑料中空容器均从外地购入。

摘要:本文介绍了V80系列PLC在挤出吹塑成型控制系统中的应用情况,详细阐述了挤出吹塑成型机的工艺过程,针对型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯壁厚等方面的控制特点,以V80系列PLC为例,重点描述了挤出吹塑成型控制系统的实现过程,最后说明该控制系统具有良好的工程应用和市场推广价值。关键词:PLC、吹塑成型、温度、压力、壁厚控制1.引言挤出吹塑成型机是目前产量最大的一种生产容器和中空制品的吹塑成型设备,可生产出从最小只有1ml到最大可达10000l的各种容器制品,如牛奶瓶、饮料瓶、洗涤剂瓶、化妆品瓶以及化学试剂桶、饮料桶、矿泉水桶等。近年来,挤出吹塑成型的主要技术趋势是朝着自动化、智能化、高精度和高速度的方向发展。因此,如何提高传统挤出吹塑成型的整体技术含量,使之适应该行业技术发展趋势要求是很重要的课题。本文描述的挤出吹塑成型机采用德维森科技有限公司开发生产的V80系列PLC作为主要的电气控制系统,应用情况说明该系统完全可以符合自动化、智能化、高精度和高速度的技术发展趋势。第一,V80系列PLC高度融合了电子技术、自动化技术及网络技术,用V80系列PLC作为吹塑成型机的控制系统,将使吹塑成型机具有挤出、合模、吹胀、冷却和开模等过程的自动控制功能,同时具有挤出型坯温度、挤出压力和冷却温度的自动调节功能,向着自动化和智能化的方向发展。第二,V80系列PLC中的具备高精度的热电偶模块和模拟量输入输出扩展模块,可以满足型坯温度、挤出压力、型坯壁厚的高精度控制要求,达到制品成型所要求的质量要求,而且精度重复性好;采用高速硬件解析技术的CPU模块和本身带有CPU芯片和专用共享数据区的模拟量扩展模块,可极大地提高熔料塑化速度,挤出速度以及开合模速度,缩短了成型周期,并保证了制品的成型质量。2.设备工艺过程

吹塑是一种重要且发展很快的塑料成型方法,主要用于成型包装容器,还打入了10 多年前认为不大可能的工业制件市场,例如,汽车配件(仪表板等) 、家电配件、建筑用件与医用配件。吹塑的设备价格较低(约为注塑的1P3~1P2) 、能耗低(注塑中,模具型腔内的压力为15~140MPa ;而吹塑时型坯的吹胀压力一般低于1MPa) 、适应性强(可成型结构复杂、双壁的制作) ,它弥补了注塑的不足,成型的工业制件具有高度的整体性,综合性能好,附加值高,成本较低 。 挤出吹塑制品的各种性能与尺寸均与塑料在吹塑过程的各个阶段中所经历的热机械历程紧密相关,这些阶段包括型坯成型、型坯吹胀与制品冷却。因此,很有必要对这三个阶段的机理问题进行研究。吹塑的机理与挤出和注塑的不同,例如其中的型坯吹胀阶段要经受大变形,且涉及几何非线性、材料非线性与接触非线性等。本文采用不同的方法对塑料挤出吹塑三阶段的机理进行研究。 1 型坯膨胀的神经网络预测 型坯成型阶段主要受离模膨胀与垂伸这两种现象的影响。膨胀是因机头内聚合物熔体的非线性粘弹性形变所致,会使型坯的直径与壁厚变大,并相应减小其长度;垂伸的作用效果则与膨胀的相反。这两种相反现象的综合效应决定了型坯吹胀前的尺寸与形状。 预示型坯吹胀前的尺寸,有利于以最少的原料消耗取得所要求的制品性能。近期,国外学者多采用数值方法(如有限元法) 对挤出吹塑中的型坯膨胀进行模拟。本文采用人工神经网络方法来预测型坯的膨胀。神经网络特别适用于需要同时考虑许多因素和条件的、不精确的以及模糊的信息处理问题。作者认为,采用神经网络来研究挤出吹塑中的型坯膨胀至少有这些优点: (1) 不需或最少的简化假设; (2) 不需采用本构方程; (3) 可在线预测; (4) 较快的响应。 实验装置主要由塑料挤出机、型坯机头与视频图象捕获系统三部分构成。挤出机的螺杆直径为25mm ,机头模口的直径与间隙分别为15mm 与2mm ,图象捕获系统主要包括彩色摄象机、计算机和视频图象捕获卡。采用的塑料为HDPE(高密度聚乙烯) ,牌号HHM TR2144 ,美国Phillips Petroleum Singapore Chemicals 生产,其熔体指数(190/2.16) 为0.18g/10min。如图1 所示,离开机头模口L 处型坯的直径膨胀SD = Dp/PD0 ,壁厚膨胀S H = Hp/PH0 。

注意保持熔体温度的均匀性。

目前能用于塑料中空容器的原料牌号很多,选择较理想的原料牌号不仅可较好的保证产品质量,还可更有效地提高生产效率。所以,根据产品要求,我们主要对和原料牌号进行比较和筛选。其具有良好的化学稳定性和耐气候性,在低温下不易脆裂,并仍保持较好的机械性能。而且由于其支链化程度小,分子能紧密的堆砌,故密度大,结晶度高,制品不仅具有较高的刚性、较好的韧性和良好的力学性能,并且具有很好的抗冲击性。综合各因素及特点,我们选择了以为主、为辅助添加的原料组成,而在中又以等牌号的中空吹型级为首选,这为产品质量的提高提供了原料保证。

图1 挤出注塑机的基本结构图

图1 型坯的膨胀

适宜地偏低以提高熔体强度,减小自重垂伸。

原料配比的确定原料配比是指为了达到在不同的条件下,使用的容器所要求具有的诸如:硬度、韧性、光泽、抗破裂性、强度等性能,而在试制过程中加入另一种或几种原料相混合的混合比例。试验中,我们根据容器使用条件和要求不同,在主原料中分别加入了、珠光色母粒等牌号原料和色料,使产品较好地达到和满足各种不同使用条件的要求。

挤出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法,是借助气体气体压力使模具内的热型坯吹胀成容器的。挤出吹塑设备由挤出机、机头、模具、吹气系统和锁模装置构成,如图1所示,其工艺过程: 将热塑性塑料从进料口进入机筒内,由挤出机将塑料熔化成熔料流体,经过挤压系统塑炼和混合均匀的熔料以一定的容量和压力由机头口模挤出形成型坯; 将达到规定长度的型坯置于吹塑模具内合模,并由模具上的刃口将型坯切断; 由模具上的进气口通过压缩空气以一定的压力吹胀型坯; 保持模具型腔内压力,使制品和模具内表面紧密接触,然后冷却定型,开模取出制品。在吹塑过程中,型坯的形成和吹胀是吹塑过程的核心,型坯形成和吹胀质量的高低直接影响着容器制品的质量好坏,而熔料的受热温度、挤出压力和和冷却时间将直接影响型坯的成型和吹胀质量。型坯壁厚在吹气成型过程中若没有得到有效控制,冷却后会出现厚薄不均的状况,胚壁产生的应力也不同,薄的位置容易出现破裂。因此,控制型胚壁厚对于提高产品质量和降低成本也同样重要。综上所述,如何控制挤出机的受热温度、挤出压力、制品的冷却时间以及型胚壁厚成为影响容器制品质量的几个关键因素。3.控制系统设计3.1 系统原理及配置粒状或粉状的塑料经挤出机塑化达熔融状态,通过采集电子尺数据,反馈控制挤出熔料量,使熔料通过预定流速进入机头。当储料量达预定值时,由PLC控制机头口模打开。根据设定的型坯壁厚曲线,由PLC完成进行型坯壁厚控制。同时,将熔融物料压出形成制品型坯,模具成型机合模机构采用四拉杆三板联动系统,合模机的运动速度按设定值实现自控,运动平稳。合模后吹气,型坯在模具内成型为中空制品,冷却定型后开模,由PLC控制机械手取出制品。系统电气控制部分的基本配置如下:控制器采用德维森科技有限公司生产的V80系列PLC进行动作控制和50点型坯壁厚控制。温度的测量采用工业铠装热电偶,温度控控制由V80系列的热电偶模块E5THM完成,该模块本身内置CPU芯片, 可执行PID算法,在上电设置好参数后,E5THM模块就可以自行控制固态继电器的通断,从而控制温度的稳定,波动范围小。压力传感器采用的是 PT124型压力传感器,数据采集工作由V80系列的8通道模拟量输入模块E8AD1完成。壁厚控制由机筒电子尺反馈型坯长度给PLC,然后通过V80系列的4通道模拟量输出模块E4DA1控制执行机构驱动伺服阀完成。操作面板采用触摸屏完成整机的型坯温度、挤出压力、型坯壁厚以及冷却时间等各种工艺参数的设定、修改、画面显示等,采用菜单式程序控制,操作简便可靠,能使设备经常处于良好运行状态,并保证人机安全生产。3.2 温度控制系统在挤出吹塑的过程中,需要加热和散热工作在平衡状态,以使挤出熔料温度达到某一动态平衡。因此,挤出过程的温度需要实时测量和控制。图 2所示为挤出吹塑机的温度控制系统框图。

采用捕获系统拍摄型坯长度达到250mm时的图象。通过分析视频图象,可确定型坯轴向的直径分布,之后根据质量守恒确定型坯轴向的壁厚分布,进而可计算型坯的SD 和SH 。实验中设定4种机头模口温度T(分别为160、180、200、220 ℃) 和7 种挤出流率Q (分别为13.4、18.0、22.0、26.2、29.2、33.2、37.4g/min) ,由此共得到28 组数据,即28 组在不同工艺条件下型坯的直径膨胀和壁厚膨胀数据。 利用BP 网络预测型坯成型中在有垂伸影响下的膨胀。神经网络选为2 ×20 ×20 的三层结构(见图2) ,其中输入层的两个节点分别为T 和Q ;隐含层的20 个节点根据学习过程中的实际情况调整得以确定;输出层的20 个节点分别为自机头模口始250mm长度上型坯20 个微小段的SD 或SH 。

缩短冷却时间,提高生产率。

螺杆温度的设定主要是根据原料的熔点、熔融指数等特性指标来确定的,不可太高,也不能太低。试验表明,如果挤出温度过高,螺杆温度广西化纤通讯年第期不仅使型坯成型后冷却时间延长,而且直挂于模口的管坯会因自重而严重下垂,导致管坯纵向厚度不匀,影响制品质量;若温度过低,则制品表面不光亮,内应力增大,在使用时容易破裂。

图2 挤出吹塑机的温度控制系统

图2 BP 神经网络模型

型坯温度过低,离模膨胀严重,会出现长度收缩,壁厚增大现象,降低型坯的表面质量,出现流痕,同时增加不均匀性。还会导致制品的强度差,表面粗糙无光。

吹胀比的影响吹胀比是指型坯最大外径与制品最大外径的比。而型坯的大小取决于口模的大小,因此吹胀比的选择实际上就是口模的选择。试验证明,较大制品的吹胀比应选择在左右,而小制品则选择在左右为宜,壁薄制品吹胀比可较小些,而壁厚制品吹胀比则应大些。吹胀比过大,会导致型坯吹胀时破裂,所以,根据制品情况,选择适宜的口模是不容忽视的。

挤出机的温度经热电偶采集到热电偶模块E5THM中,模块内本身内置CPU芯片,具有5路热电偶输入和5路晶体管PWM输出,可以在模块内完成PID控制算法,控制精度为±1℃。E5THM采集到的温度信号与设定温度比较得到偏差信号,如果测量温度大于设定值,则模块按时间周期占空比的 PID算法,通过PWM脉冲调宽技术控制固态继电器动作,使挤出机加热装置停止加热,反之亦然, 进行冷却控制操作。机筒温度设定和实时温度显示可以通过触摸屏完成。 3.3 压力控制系统挤出压力对于熔料的流变性能来说也是重要的影响因素,如果挤出工艺稳定,加工温度和螺杆速度不变,故黏度是一个常数。根据黏性流体的流动方程式可知,挤出机的挤出量与螺杆转速成正比,而机筒压力成反比。因此,挤出过程的压力很重要,需要进行实时测量,以保障形成型坯的质量,进而保证了制成品的产品质量,压力测量系统如图 3所示。

上述实验获得的28 组数据作为样本提供给神经网络,而样本分为训练样本(20 组) 和测试样本(8 组) 。网络的训练采用加入动量项的改进BP 学习算法,其中学习率在学习过程中不断被调整。训练后20 个训练样本的总误差平方和为0.001。 训练后的神经网络确定了型坯的SD 或SH 和T 和Q 之间的关系,利用这一关系可以根据输入的测试样本中的工艺条件得出相应的型坯膨胀,以对神经网络进行检验。图3 显示了T 为180 ℃、Q 为22gPmin 时型坯的SD 。可见,神经网络预测值和实验值两者相当吻合,这证明了神经网络的预示是可靠的。

型坯温度过高,型坯易下垂,引起型坯纵向厚度不均,延长冷却时间,甚至丧失熔体强度,难以成型。

压缩空气压力的影响压缩空气压力的大小对吹塑制品的品质起着举足轻重的作用。试验发现,吹塑时,从压缩空气的体积速率而言应越大越好,这是因为它不仅可以缩短吹胀时间,而且可使制品得到均匀的厚度和良好的表面质量。但从压缩空气的线速看,却不能太快,否则会导致在空气进口处产生低压,使型坯内陷,造成不能吹胀。因此,必须根据实际情况,综合考虑压缩空气的体积速度和线速度之间的关系,使之在吹胀成型时即可保证是够大的体积速率又不致使线速过快,从而获得吹胀充分、图案、文字清晰的良好制品。此外,我们认为吹塑时,压缩空气压力的大小还取决于制品的壁厚、容积及塑料原料的种类。厚壁、容积小及熔体粘度小的塑料,其吹胀成型时压缩空气压力可调节小些,反之压力则应调节大些。

图3 挤出吹塑机的压力测量系统

图3 沿型坯轴向的直径膨胀(SD) 图4 由神经网络方法预示的型坯直径膨胀(SD) Q(gPmin) :1,11 ;2,24.2 ;3,31.1 ;4,39.5

2.吹气压力、鼓气速率、吹胀比

主辅螺杆配合的工艺调节我们的实验采用了双螺杆配合挤出工艺,主螺杆挤出普通熔体制作产品内层,辅螺杆挤出高档或特色熔体制作产品外层。为了实现有效地降低制品生产成本,又大大提高制品质量档次和表面特色,调节控制好双螺杆各自的速度、温度至关重要。试验表明,当主螺杆速度、温度一定时,辅螺杆速度、温度的调节当否决定了制品的外观质量。速度过快,熔体粘度大,挤出量少,不均匀,不能起着完全包复制品表面的作用,产品外观暗淡质量差,甚至出现凹凸不平和脱层现象;提高温度和速度,可使熔体在螺杆中得到充分地混炼,挤出均匀,对制品成型起到良好的包复效果,并使制品外表显出高档华丽,富有特色感;但温度和速度不宜调节过高,否则不仅会增加产品成本,而且由于挤出量大,包复层厚,会引起包复外层与主体内层混粘不良,而导致分层脱落现象,达不到预想的效果。因此,我们认为:在一般情况下,辅螺杆温度控制比主螺杆高。而辅螺杆速度控制频率是主螺杆控制频率,可获得品质良好,华丽的制品外观。

3.4 型坯壁厚控制熔料从口模挤出处于黏流态流动一段时间,由于原材料特性、挤出温度和挤出流量随时间变化呈非线性变化,所以型坯在挤出过程中,型坯壁厚发生变化。为使挤出吹塑制品满足壁厚要求,必须采取有效措施控制型坯壁的厚度。壁厚控制系统是对模芯缝隙的开合度进行控制的系统,也即位置伺服系统,它由控制器、电液伺服阀、动作执行机构和作为位置反馈的电子尺构成。当机头口模打开时,PLC读取机筒电子尺反馈的型坯长度,然后根据型坯壁厚曲线,通过高精度模拟量输出模块E4DA2输出±10V的电压信号给电液伺服阀,伺服阀直接驱动执行机构控制模芯上下移动,调整口模与芯模的间隙大小来完成口模开度的控制,进而完成型坯壁厚的闭环控制,如图4所示。此时,壁厚型坯设定采用数字化方式,通过操作面板完成50点型坯壁厚控制的设定,型坯壁厚曲线的纵坐标显示型坯长度,横坐标显示口模开度。

经训练、检验而建立的神经网络可在一定范围内,根据任意输入的T 和Q 以同样高的精度预示型坯的SD 和SH 。图4 所示为改变Q 时神经网络预示的型坯的SD 。这样,可分析不同工艺条件下型坯的膨胀,而不需再做更多的实验,这不仅节约了时间和实验费用,也为型坯的直径和壁厚的在线控制提供了理论依据。 2 型坯自由吹胀轮廓的预测 吹胀阶段型坯的胀大与变薄性能会影响制品的壁厚分布与机械性能。 前人较多采用有限元法来模拟型坯的吹胀。本文基于薄膜近似和neo2Hookean 本构关系来建立描述型坯自由吹胀的数学模型。考虑如图5 所示的环形型坯的自由吹胀。假设型坯为各向同性且不可压缩的,其具有均匀的半径和壁厚。基于薄膜近似和neo2Hookean 本构关系,作者建立了描述挤出吹塑中型坯自由吹胀的数学模型[6 ] :

吹塑中压缩空气的作用:吹胀和冷却

99696大富豪棋牌,结语:

图4 挤出吹塑机的壁厚控制系统

图5 型坯自由吹胀的物理模型

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