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        注塑機半日通

        日期:2011年12月23日 09:40

        注塑機半日通

        達明科技有限公司編
        一九九七年四月

         

        1. 簡介

          塑料成型工藝之中,注塑成型佔了一個很重要的地位。此文講解塑料注射成型機(簡稱注塑機)的工作原理,對像是使用注塑機生產的公司經理及採購員。

          此文分兩節:注塑機的構造及注塑週期。

         

        2. 注塑機的子系統

          一台注塑機是由五個子系統構成:注射裝置、合模裝置、油壓系統、電器系統及控制系統。圖1可見四個子系統。你能找出那四個嗎?

         

        圖1 注塑機

         

        2.1 注射裝置

          注射裝置由料斗、螺桿及料筒、止回閥、射嘴、螺桿馬達、注射油缸(唧筒),注射台及注射台油缸組成。

          粒狀塑料從料斗進入料筒。在料筒內,塑料經螺桿的三段送料、均合/壓縮及計量。當熔融到達螺桿頂端後,便被前進的螺桿經過射嘴注射入模腔。圍繞在料筒及射嘴上的環帶狀電熱器幫助熔化塑料,其餘的熱力來自螺桿轉動時的摩擦。

          螺桿的三段示於圖3。

        圖2 注射裝置

        圖3 螺桿

         

          螺桿送料段的螺紋深度不變。此段的作用是將粒狀塑料由料斗送往前面的壓縮段。送料動作是由螺桿旋轉而成的。

          在螺桿壓縮段上,螺紋深度漸漸減小,壓縮使塑料塑化。螺桿旋轉的機械動能在此變成熱能。

          在螺桿計量段上,螺紋深度再次不變。它將熔融從壓縮段經過射嘴注射出去。

          送料段的螺紋深度與計量段的螺紋深度之比叫壓縮比。一條標準螺桿的壓縮比在2.2:1至2.5:1之間。

          螺桿有螺紋部份的長度L與外徑D之比叫長徑比。

          長徑比一般在18:1至22:1之間。

          當螺桿旋轉時,熔融被推往左邊。螺桿旋轉亦叫加料。加料時螺桿的有效長度逐漸減小,因在料斗右面的螺桿有螺紋部份是無關重要的。因此有效的長徑比也減小。參考圖13a。

          料筒直徑只是稍大於螺桿直徑,約超過螺桿直徑的千分之四。一般可忽略兩直徑的差別。

        螺桿的頂端有止回閥。在加料時,它允許熔融流向前方(注射方向),但在注射時防止熔融流向後方。環型止回閥是較常用的。

        圖4 環型止回閥

         

          佔大比數的注射裝置採用往復螺桿設計。加料時螺桿旋轉(圖13b)因而被往後推;注射時則往前移(圖13a)。螺桿分別被油壓馬達(螺桿馬達)及一對油壓力油缸(注射油缸)驅動。

          加料時螺桿旋轉,並將膠粒從料斗往前送料,加壓後送往射嘴。與此同時,模腔已被上次注射的熔融填滿,它不單擋住熔融的前進,還產生反作用力將旋轉的螺桿往後推。螺桿的往後移動因壓力油要流過有節流的背壓閥,被注射油缸內的壓力油抗拒而產生背壓。背壓壓緊塑料並將其塑化。加料時止回閥是打開的。

        圖5 注射裝置的剖視圖

         

          冷卻完畢後,模具開啟,塑件被頂出,模具再合攏,加料時形成的螺桿頂端熔融被注射到模腔內。此時止回閥是關閉的。

          在料筒頂端的射嘴是注射裝置與模具的介面。常用的射嘴有三種:簡單型、彈簧封嘴及油壓封嘴。

          料斗、料筒及螺桿、射嘴、螺桿馬達及注射油缸是位於注射台上,而注射台是由注射台油缸推動。在注射前,注射台向前移,使射嘴壓緊模具的澆口。注射台後移是為了拉斷水口或防止較冷的模具冷卻射嘴的熔融而塞住下次的注射。封嘴是為了防涎,防止黏度低的熔融(如尼龍)在加料時流出。

        2.2 合模裝置

          合模裝置的目的是將模具鎖緊,以對抗模腔壓力。常用的合模裝置有兩類:直接油壓鎖模(簡稱油壓鎖模)及機鉸鎖模。

          兩類鎖模的共同點是有固定板、移動板、尾板、鎖模油缸及拉桿(導柱)。模具的兩半分別固定在固定板及移動板上。

        圖6 油壓鎖模

        圖7 機鉸鎖模

        圖8 共通的鎖模裝置

          移動板在四條叫拉桿的鋼柱上滑行。鎖模力是由固定在尾板的鎖模油缸推動移動板因而拉張拉桿所致,繫於尾板及固定板的拉桿提供反作用力給鎖模油缸。

          因每個模具的厚薄不同,需調校移動板使機鉸伸盡時,兩半的模具剛好碰上。此調校機械叫調模機械。

          調模機械的油缸在圖9a的左下方,在圖9b的左上方。調模時,通過大齒輪使尾板與四條拉桿相對移動。移動板與尾板是同步移動的。

        圖9a 調模機械

        圖9b 容模量

         

          油壓鎖模裝置沒有調模機械。油壓鎖模裝置的開合模行程較大,縮短開合模行程便可以容納較厚的模具。相反,模具較薄時,可以較長的行程彌補。

          機鉸鎖模較廣泛被使用。機鉸提供放大作用,使較小的鎖模油缸便有相同於較大的油壓鎖模鎖模油缸的鎖模力。它更有自鎖的優點:機鉸伸直後,油壓卸去亦可維持鎖模力。需要一個手動或自動的潤滑系統保持機鉸潤滑。

        2.3 油壓系統

          油壓佔目前注塑機動力的大比數。電馬達驅動是漸露頭角的動力源,適合於如醫藥用品的不含油污注塑。

          油壓系統包括油路及其上的油壓元件。

        圖10 油壓系統

         

          油壓動力是從電馬達驅動油泵得出。它好比血液系統的心臟。油箱的壓力油通過它後便加了壓。壓力油流過多個油閥、油缸及馬達後以大氣壓回到油箱。在某些注塑機上,蓄能器輔助油泵提供更高的注射速度。

          在油路上的各種油壓元件包括

          a. 單向閥

          b. 溢流閥

          c. 節流閥

          d. 方向控制閥

          單向閥只容許壓力油單方向流過,是條單程路。

          溢流閥限制最高油壓,如於140巴(約140公斤力/厘米2 )。

          此壓力可以手動或電動調節。後者使用比例壓力閥,壓力的設定是正比於可編程控制器或電腦施加於電磁鐵的電壓或電流。

        圖11 比例閥

          節流閥控制壓力油流量以控制執行元件的速度。同樣,流量的設定是正比於施加於比例

        流量閥的電壓或電流。

          兩位的方向控制閥控制執行元件的前後移動。閥本身由一個電磁鐵及彈簧或兩個電磁鐵推拉控制。三位的方向控制閥有個中央位置,當兩邊的電磁鐵都沒加電時由彈簧回中,它代表執行元件的停止位置。

          油缸及馬達都是執行元件。油缸將油壓的動力轉換成推拉力及直線動作;馬達則產生扭力及旋轉動作。油缸用於開模/合模、注射及注射台的移動;馬達用於螺桿旋轉及調模。

          蓄能器儲存能量以備所需。注塑週期的注射階段要求高速,有時甚至高壓。沒有蓄能器的話,電馬達沒有足夠的流量(馬力)給注射時使用。蓄能器在流量需求低時以壓縮氮氣儲存壓力油的能量,在注射階段釋放,補充油泵的流量。結果是驅動油泵的馬達額定功率可以降低。

        2.4 電器系統

          電器系統由驅動油泵的三相電馬達,馬達起動器,維持料筒及射嘴溫度的環帶加熱器及其繼電器構成。

        2.5 節能系統

          一台注塑機一天工作24小時,一星期工作7天。節能系統可以減低注塑商的直接成本。

        最簡單的注塑機由恆速的電馬達驅動定量泵來抗拒恆定的最高(系統)壓力。因注塑週期在不同階段需要不同的流量及壓力,過剩的流量流回油箱,過剩的壓力由溢流閥卸去。兩者不但浪費能源,還會使壓力油增溫,需要更多能源將其冷卻。目前比例壓力及比例流量閥被廣泛採用,使壓力及流量均按需供應,但過剩的流量流回油箱還是浪費的。變速馬達驅動器,變量泵及多油泵設計根據要求來提供流量以節省能源。

          這些設計都比簡單的注塑機昂貴,但長期來說是個值得的投資。

          環帶電熱器上加保溫罩減低對大氣的對流及輻射,也是個節能措施。

        2.6 控制系統

          控制系統控制注塑週期的順序(順序控制)及維持過程溫度、時間、壓力及速度於設定值(過程控制)。

          以下列出三代的控制系統:

          a. 繼電器

          b. 可編程邏輯控制器(PLC)

          c. 電腦

        圖12 控制系統

        2.6.1 繼電器

          在繼電器控制系統裏,一個繼電器基於極限開關及時間掣的狀態開始下一操作。極限開關是因油缸動作觸發的。

          壓力、速度及時間由人手分別在溢流閥,節流閥及類比時間掣設定。溫度則由個別的類比溫度控制器負責。這些設定的重複性不高,尤其是前兩種。

        2.6.2 可編程邏輯控制器(PLC)

          在可編程邏輯控制系統裏,因油缸動作觸發的磁力近接開關取代了極限開關。它們將感應到的訊號送往PLC的輸入端;PLC的輸出由程式控制。此類程式一般是用階梯圖語言編寫,階梯圖是繼電器時代遺留下來的。

          壓力、速度及時間經數字撥掣或更先進(也更簡單)的薄膜鍵(如計數機上使用的)以數字輸入,使用後者時更用發光二極管輸出。油壓及油缸速度由比例壓力及比例流量閥控制,它們又經放大器由PLC控制。時間控制是整合於PLC內。溫度控制由個別的數字式溫度控制器負責。數字設定的重複性高。

        2.6.3 電腦控制

          電腦控制系統包括一個中央處理器。它通常是基於開放設計,與個人電腦兼容的一種。像個人電腦一樣,它具有螢光屏或液晶體顯示,通過多個畫面可輸入設定值及查看輸出值。磁卡及軟盤可將訂單的資料記住,方便日後重做時再使用。

          電腦控制系統使用電子尺或編碼器來測量油缸動作。這就省掉了多個近接開關及它們附在的滑行桿及手動設定。現在可在電腦上通過薄膜鍵設定了。溫度、時間、壓力及速度的控制都由電腦一手包辦。

        2.6.4 溫度控制

          溫度控制是按它的控制算法的複雜性分類,由最簡單到最複雜的有開關控制、比例控制、比例微分控制、比例積分微分控制及最新的泛思邏輯比例積分微分控制。越複雜的算法,溫度便越快到達及/或越接近設定溫度。

          所有的溫度控制器都用電熱偶測量溫度。K型熱電偶最為常用因它的測溫範圍達400o攝氏,涵蓋了塑料的熔化溫度。

          溫度控制器不是類比式便是數字式。類比式溫度控制器的設定值由指針設置,溫差則由小錶頭指示。數字式溫度控制器的設定及輸出都是數字的,由模數轉換器將放大的熱電偶訊號轉換成數字後再作處理。

        2.6.5 冷卻控制

          模具、料筒及壓力油需要冷卻。最簡單的方法是以冷卻水流經管道並用流量控制閥控制流率。冷水則在水塔冷卻並且循環再用。

          冷卻模具使熔融在模腔內用較短的時間凝固。在週期時間要求高的注塑中,可用冰水循環來縮短冷卻時間。冰水的溫度控制是在與注塑機獨立的單元上執行。

          料筒喉部(接料斗處)要冷卻,使粒狀塑料保持固態才可被螺桿送料,否則熔融黏在螺桿上停滯不前。

          壓力油需保持在46o攝氏以下,以減低油封的洩漏及防止壓力油及油封的老化。可注塑熱固性塑料的注塑機,料筒上除有電熱器外更有冷卻器。冷卻防止塑料到達熱固

          溫度,否則料筒便再不能使用。

        2.6.6 閉環控制

          目前注塑機的溫度控制都是閉環的。它代表測量實際溫度,與設定值比較,執行適當的控制行動以最優化的方法去除偏差。

          閉環控制去除所有影響目標變量達到設定值的干擾,結果是塑件有良好的重複性。

        模具位置及螺桿位置由極限/近接開關或電子尺或編碼器測量,所以位置控制也是閉環的。但通常壓力及速度控制都因成本問題不是閉環。

          注塑機上有三種壓力可測量。以遞增的困難度編排是油壓,熔融壓力及模腔壓力。測量油壓的感應器位於注射油缸附近,因此可以準確地測出注射壓力,由於壓力油約40o攝氏及壓力約140巴,環境並不苛刻。射嘴壓力感應器在較苛刻的環境下工作。熔融的溫度是200o至400o攝氏,壓力通常在1400巴。感應器的表面更需與射嘴的內壁平,以防止滯留的塑料經長時間加熱而變壞。有時,射嘴壓力感應器也含溫度感應器。壓力及溫度可以完全定下熔融的狀態。

          (注塑機的射嘴溫度測量只是測量射嘴的溫度,並非射嘴內的熔融溫度。)

          模腔壓力感應器在相似的苛刻環境下工作。它位於模腔裏測量模腔填滿的一點以通知注塑機從注射(速度控制)轉到保壓(壓力控制)。此感應器接觸熔融,但不可在塑件上留下明顯的痕跡。它通是昂貴的石英類,也需要個昂貴的電荷放大器將訊號轉變才由電腦讀入。由於感應器是模具的一部份,通常也不將感應器取出用於別的模具。

          當每條拉桿都附上感應器,拉桿拉力測量可指出因模厚不均勻或模腔不對稱所致的拉桿過荷。較經濟的做法是只在對角的拉桿上附感應器。拉桿拉力感應防止代價高的拉桿斷裂及模板破裂,因維修時間較長,不能生產。

          在機鉸鎖模的注塑機,拉桿拉力控制可設定及保持鎖模力,就算模具升溫澎漲使鎖模力增加亦然:注塑機便重新調模使鎖模力降回設定值。拉桿拉力控制使鎖模力能置於最高鎖模力或以下。假設拉桿拉力平均,只需一個感應器便可以控制鎖模力了。

          可以測量螺桿在注射時的速度並回饋控制之。這通常是定時地測量螺桿位置所得。背壓可由位於注射油缸上的油壓感應器測出。螺桿轉速由旋轉編碼器測量後換成螺桿表面速度使用。要控制的並非螺桿轉速而是螺桿的表面速度。

          閉環控制需要反應很快的比例閥來採取控制行動。此類閥稱伺服閥。它們不僅較昂貴,還需要更潔淨的壓力油才能工作。就是過濾要做得更好。

        3. 注塑週期

          a. 注射台前進,將射嘴向模具的澆口壓緊。

          b. 關上安全門。

          c. 合模。

          d. 注射油缸將螺桿推前(螺桿不轉動),將熔融注入模腔。螺桿此時像個柱塞:螺桿頂端的止回閥關閉。目前的注塑機在注射階段都有多個速度及壓力可置。注射階段的結束由時間、螺桿位置或模腔壓力決定。此時,螺桿頂端還有少許熔融,給下一階段使用。

          e. 螺桿進入保壓階段時塑件開始冷卻。保壓的作用是以少量熔融填充塑件冷卻時收縮的空位。冷卻時間由計時器控制。

          f. 螺桿旋轉,將料斗的膠粒送往壓縮段塑化。送料往前的壓力將螺桿推後,連同螺桿馬達及注射油缸的活塞也推後,結果螺桿頂端留下一池熔融。螺桿繼續旋轉直至往後動作碰上一個極限/近接開關才停止。此位置是可調的。它確定了螺桿頂端的熔融量(就是注射量)。有電子尺的注塑機,此位置是從薄膜鍵輸入。

          g. 有倒索的注塑機在此時將螺桿稍為後退(螺桿不轉動),使熔融不易從射嘴流出。此動作亦叫防涎。

          h. 冷卻時間到後開模。

          i. 塑件由頂針頂出或吹風吹出。在自動電眼模式中,電眼測出塑件已脫離模具,因此下個週期可以開始。

          j. 有需要的話,注射台此時後移。週期從a再循環。

          k. 否則,週期從b再循環。

        圖13 螺桿的動作

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