K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的研制

曹亮

（宁波市海达塑料机械有限公司）

K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的研制

曹亮

（宁波市海达塑料机械有限公司）

分析了现有注塑机薄壁塑料包装制品成型解决方案的绿色性能的欠缺，简介了K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的绿色创新的高速注射塑化机构、高刚性高速合模机构、节能降耗液压系统，首次实现了国内自主研制的薄壁塑料包装注塑机注塑成型周期4.7s、壁厚达到0.35mm的一模四穴的1000ml快餐盒的绿色成型。

注塑机 薄壁包装制品 性能 研制

前 言

注塑成型的薄壁类塑料包装制品的种类较多、量大面广，其注塑成型设备成为一种功能化专用化注塑设备[1]。高速注射是薄壁塑料包装制品注塑机的首位，绿色成型性能较高的生产效率是薄壁塑料包装制品注塑机开拓市场的绿色利器，极高的可靠性是薄壁塑料包装制品注塑机可持续发展的绿色生命线。

本文分析了现有注塑机薄壁塑料包装制品成型解决方案的绿色性能的欠缺，简介了K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的绿色创新，首次实现了国内自主研制的薄壁塑料包装注塑机注塑成型周期4.7s、壁厚达到0.35mm的一模四穴的1000ml快餐盒绿色成型，推动了薄壁塑料包装制品的可持续发展。

1 现有注塑机薄壁塑料包装制品成型解决方案的绿色性能的欠缺

注塑机是薄壁类包装塑料制品的主要成型装备，为适应薄壁塑料包装市场的快速发展，注塑机制造商大多采用蓄能器式的高速注塑机或在普通注塑机加大液压系统动力驱动的排量所实现“高速”注塑成型机。其主要优点是注塑机的通用性较好，便于塑料制品商组织生产，同时该类“高速”注塑机的部件通用性较高，便于注塑机制造商的加工制造。

上述两种方案的绿色性能的欠缺表现在：

1）生产效率低，导致塑料原料和能源的利用率得不到有效提升。蓄能器式的高速注塑机虽然注射速度得到了较大提高，解决了注塑机能成型薄壁塑料包装制品的能力要求，但制品的成型周期变化不大、整机效率没有提升。普通注塑机加大液压动力驱动系统的排量所实现“高速”注塑机，将注塑机的注射速度由100mm/s左右提升至150mm/s左右，薄壁塑料包装制品的成型周期缩短20%左右，整机生产效率有所提升，但150mm/s左右的注射速度相对于薄壁塑料包装制品所需的注射速度明显不足，成型薄壁塑料包装制品的能力局限性较强，难以适应资源节约型的薄壁塑料包装制品的“超薄”可持续发展。

2）机械件故障率较高，导致设备的周期寿命得不到有效提升。上述两种方案均未加强相应机械件的强度，注射部件特别是注射活塞杆、联轴节等关键零部件在使用一段时间后机械故障率极高。同时，由于薄壁制品所需的合模力及合模部件的刚度较大，注塑成型周期较短，合模部件的关键部件拉杆组件、模板组件的故障率明显上升，大大减低了整机的使用寿命及客户的产品认可忠诚度。

3）成型范围狭窄，导致设备不能适应未来发展变化具有动态适应性的策略、持续进化的可能性。但随着塑料制品壁厚的减薄，绿色生物塑料原料应用于薄壁塑料包装制品，聚合物熔体在模具型腔内的冷却速度明显加快，成型过程变得更复杂、难度加大[1]。

上述的薄壁注塑机仅在部分技术指标上被动满足了薄壁制品的注塑成型工艺要求，在设计中没有为后续技术系统的升级换代和新型设施的添加应用留有操作接口和载体，仅能作为一种过渡的专用注塑机使用。

2 K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的绿色创新

K系列高性能快速薄壁注塑机的主要成型目标制品壁厚0.35mm和产品流长比大于150的PP类保鲜盒。

K系列高性能快速薄壁注塑机的主要成型性能的研发重点是高速注射装置、高速塑化装置、高效稳定的合模装置，复合并行的高效节能的液压动力传动系统等。

针对薄壁类塑料包装制品成型工艺做了针对性的设计调整，突出整个注塑成型周期的节能高速高效，突出整机可靠性和稳定成型能力，更加适合薄壁类制品的绿色注塑成型。

2.1 绿色高速注射装置

高速注射是薄壁类塑料包装制品能否成型的关键要素。开发K系列高性能快速薄壁注塑机注射速度350mm/s，以实现壁厚0.35mm和产品流长比大于150的PP类保鲜盒。同时高速填充使成型制品的产品内应力大幅降低，减少变形，提高制品性能。

K系列高性能快速薄壁注塑机的注射部件采用液压双缸平衡式注射机构，双注射油缸与预塑机构并行布置，其轴线方向结构紧凑。其基本组成是：螺杆机筒组、注射装置、双注射油缸、轴承座、联轴节等。其中有些部件是注射机构与预塑机构共用，在注射成型工艺循环的不同阶段发挥这不同的功能，如螺杆机筒组或柱塞机筒组以及注射传动装置中的联轴节。联轴节是整个预塑、注射过程中能量转换、推力传递的关键环节。优化联轴节的设计、严格控制其加工质量。注射采用双出杆结构，合理设计双油缸进油路径加大进油通径，同时加大回油管路的通径减少回油流量和阻力实现双注射油缸的注射同步。

K系列高性能快速薄壁注塑机将液压系统排量增大至普通注塑机的一倍左右，同时减小螺杆直径、减小注射压力至140Mpa等途径提高注射速度到350mm/s以上,使薄壁制品的注射时间可控制在0.25s以内。加强联轴节、注射活塞杆及轴承座等关键零件的机械强度，满足快速机注射部件的使用寿命要求。

图1为各机型注射速度比较。

图1 各机型注射速度比较

2.2 绿色高速塑化装置

高速塑化是薄壁类塑料包装制品提高成型效率、缩短成型周期的主要工序。

高速注射成型机螺杆式塑化机构按其执行元件可分为液压低速大扭矩马达式和电动式等。

K系列高性能快速薄壁注塑机的塑化部件采用液压马达式螺杆塑化机构，安装于轴承座上的大扭矩马达通过联轴节驱动螺杆转动，从而实现螺杆预塑。该结构机械效率较高，易于控制成本。其基本组成是：螺杆机筒组、塑化传动装置、大扭矩马达、轴承座、联轴节等。

2.2.1 高速预塑液压马达

预塑时间占到成型周期约40%，所以提高成型效率的关键的缩短预塑时间。普通注塑机的预塑转速大多在100～150r/min，很少用到超过200r/min，在实际使用过程中，预塑转速超过200r/min后大扭矩预塑马达的传动链的故障率大幅上升。为缩短K系列高性能快速薄壁注塑机的预塑时间，对预塑大扭矩液压马达的连杆销轴采用高速长寿命耐磨材料并做表面强化处理，预塑允许使用转速由200rpm提升至400rpm，预塑时间缩短约50%，塑化能力得到大幅度提高。

2.2.2 高效塑化螺杆

低温节能高效高性能注射塑化螺杆。薄壁制品的重量较小，单次塑化物料的预塑行程一般是螺杆直径的1-2倍，塑化额定行程取螺杆直径的4.5倍。螺杆设计以提高塑化能力为主，适当加大螺杆各段的槽深。螺杆长径比取25，螺杆采用主副螺纹分离型结构，保证物料的塑化均匀性，配合使用高效混炼结构，确保该机型对塑料混色效果的要求。

2.2.3 节能高效塑化机筒加热装置

采用高频交变磁场的磁力线通过金属材料时产生的强大的涡流，导致金属材料自行快速发热的电磁感应加热装置[2]，同时加大料筒的壁厚为塑料熔融提供较为稳定的温度场。

2.3 绿色高速高刚性合模装置

高刚性合模装置实现稳定成型。1000ml的方形的PP原料保鲜盒壁厚从0.40mm减薄到0.35mm，减薄量仅为0.05mm，所以高压高速注射过程中，模具必须保证“零”涨模量，相应合模机构必须具备高刚性，以及精密的制造精度。

通过增厚模板，加大拉杆及锁轴钢套等关键部件的机械强度，有效增强其合模部件的刚性。

2.3.1 资源节约型的高刚度模板

高刚度模板是实现薄壁制品模具模腔稳定性的关键。模板包括头板、二板、尾板。K系列高性能快速薄壁注塑机的模板在不增加钢材资源情况下，合理布局加强筋等方式增厚模板厚度，提高模板的抗弯截面系数，采用高标号球墨铸铁提高模板抗弯模量，实现资源节约型的总挠度控制在0.08mm以内的高刚度模板，满足薄壁制品对模板高刚性的要求。

2.3.2 高刚性拉杆组件

拉杆组件包括拉杆、拉杆螺母、调模螺母。拉杆两端为螺纹副，固定端一般为三角螺纹副，调模端一般为梯形螺纹副。拉杆组件是注塑机的关键部件，也是易断裂失效的组件[3-5]。拉杆组件是注塑机合模部件设计及制造水平的关键要素之一。K系列高性能快速薄壁注塑机加大拉杆直径，采用优质的42CrMoA材质,调质硬度HB260-280，拉杆的拉伸单位弹性变形量系数设计制控制在0.035mm/100mm左右，满足薄壁注塑合模机构的高刚性拉杆的要求，同时提高合模部件的可靠性寿命系数。

2.3.3 高刚性连杆销轴组件

连杆销轴组件包括前连杆、后连杆、小连杆、大锁轴、小锁轴、大钢套、小钢套。K系列高性能快速薄壁注塑机加大锁轴直径，降低锁轴与钢套的接触应力，锁轴采用优质的合金钢材质，调质硬度HB260-280，表面氮化提高其耐磨性能，锁轴与钢套的接触应力控制在70MPa左右，满足连杆销轴高刚性的要求，钢套采用高耐压石墨结构，大幅降低销轴钢套的润滑频率，2小时一次的润滑频率可确保销轴钢套的使用寿命内的可靠性，同时降低摩擦能耗。

2.4 液压动力传动系统

液压传动系统的基本组成部件有：油马达、压力控制阀等阀类原件、管路等，为注射、预塑、启闭模等动作提供动力及动力转换。液压系统额定压力16MPa。

K系列高性能快速薄壁注塑机的液压传动系统为确保注射速度达到到350mm/s以上，系统动力驱动装备加大至普通注塑机的一倍左右，复合并行液压回路的设计采用双回路系统，确保大幅提高注射速度、缩短成型周期。

2.5 高速运行机构

薄壁保鲜盒以高速成型求得绿色经济效益。高速运行机构是缩短成型周期的关键，高速移模及快速定位是高速成型的技术核心。K系列高性能快速薄壁注塑机的合模部件采用高速运行的液压连杆式斜排列五支点合模机构，其主要组成部分均包括：锁模油缸、定模板、动模板、尾板、拉杆组件、调模组件、顶出组件，连杆组件等。

3 K系列高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机的绿色成型实例

成型设备：K系列HD280K/650高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机。注射速度350mm/s，注射压力140MPa，锁模力6500kN。

成型实例：1000ml的方形的PP原料保鲜盒。单个保鲜盒外形：173mm×120mm×69mm。制品厚度达到0.35mm，制品重量15.5克。一模四穴。

成型周期由常规高速机的7s以上缩短到4.7s以内，是国内成型同类方形保鲜盒的成型周期最短，制品壁厚最薄，稳定成型率最高的高性能快速薄壁注塑机。

目前国内同类薄壁塑料包装制品注塑机成型一模四穴的1000ml快餐盒，壁厚达到最薄为0.40mm，薄壁塑料包装制品注塑机制造商都在试模的目标厚度是0.33-0.35mm，还没有谁家试出来。

结 语

已批量生产的K系列HD280K/650，HD330K/900等规格的高性能快速薄壁塑料包装制品注塑机在客户处实际生产使用，能够满足薄壁塑料包装制品绿色注塑成型的需求,具有良好的绿色效益。

[1] 张友根.注塑包装设备功能化专用化高速化节能化科学发展的分析研究[J].橡塑技术与装备, 2011，38（1）：9～25;

[2] 董林福，赵仁璞，张小玲.基于ANSYS模拟感应线圈在塑料挤出机机筒产生涡流的研究[J].橡塑技术与装备（塑料），2015,41(6):1～4；

[3] 张友根,曹亮.基于线弹性断裂力学的注塑机拉杆组件的微裂纹稳定要素的研究及应用(上)[J].橡塑技术与装备, 2015,41(6):6～19;

[4] 张友根,曹亮.基于线弹性断裂力学的注塑机拉杆组件的微裂纹稳定要素的研究及应用(下)[J].橡塑技术与装备， 2015,41(8):17～28;

5] 左强，施优优，周巨栋，沈雪明，成明祥.千吨级注塑机调模螺母破裂咬死仿真与理论分析[J].橡塑技术与装备（塑料），2016,42(14):53～55。

Development of K series high performance rapid thin-walled plastic packaging products injection molding machine

Cao Liang（Ningbo Haida plastic machinery co., LTD.,）

Analyzed the existing thin-wall injection molding plastic packaging products molding solution to the lack of green performance, introduced the High speed injection plasticizing mechanism and the high rigidity high speed mold clamping mechanism, and the saving energy and reducing consumption of the hydraulic system of green innovation for K series high-performance fast thin-wall plastic packaging products of injection molding machine, for the first time domestic self-developed thin-wall plastic packing injection molding machine injection molding thickness of 0.35 mm of one module and four holes of 1000 ml snack box with molding cycle 4.7 s green molding, For the first time domestic self-developed thin-wall plastic packing injection molding machine injection molding thickness of 0.35 mm of one module and four holes 1000 ml snack box forming.

injection molding machine thin-walled packaging products performance the development