论当今塑料工业加工成型机械的新技术

[摘 要]根据塑料工业发展低耗、高效、环保型“绿色”加工成型技术的重大需求，随着塑料机械技术不断创新，阐述了塑料塑化输运方法从纯剪切形变加工到振动剪切形变加工再到体积拉伸形变加工的演变，分析了驱动与传动方式从间接驱动到直接驱动再到负载敏感驱动的变化，介绍了过程控制系统从电气控制到数字化控制再到智能化控制的发展，着重讨论了新技术研究在解决制约塑料加工产业发展的资源、环境、能源三大问题所能发挥的作用。研究结果表明，与传统塑料机械相比较，新型塑料机械加工能耗降低，在多相多组份复合材料、生物质复合材料等物料体系的加工方面具有独特优势，有利于实现塑料加工成型过程节能降耗、废旧塑料循环利用以及塑料可再生资源替代。

[关键词]塑料机械；塑化输运；驱动与传动；过程控制

中图分类号：U668.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0025-01

塑料在当今世界具有极为重要的作用，已经广泛应用于国民经济的各个领域。塑料加工工业是我国制造业发展最快的行业之一。塑料原料及其辅料都要通过加工成型设备形成所需形状、结构与性能，成为有实用价值的材料与制品，这种加工成型设备统称为塑料机械。一般塑料机械都由挤压系统、驱动与传动系统、过程控制系统以及制品成型系统等部分组成。目前，国内外塑料机械的发展主要集中在这几个部分的技术创新，以实现塑料机械具有节能降耗、无分拣废旧塑料合金化加工和生物质复合材料共混加工的功能和特征。例如，塑化输运方法从纯剪切形变加工到振动剪切形变加工再到体积拉伸形变加工演变、驱动与传动方式从间接驱动到直接驱动再到负载敏感驱动、控制系统从电气控制到数字化控制再到智能化控制，每一次技术创新性研究都会推动行业的技术进步。

1 塑化输运方法

1.1 振动剪切形变加工

以螺杆作为结构标志和原理特征的挤压系统消耗的能量远高于塑料塑化输运所需要的能量，能量利用率较低。因此，降低挤压系统的能耗是塑料机械的重大技术难题。

通过对传统螺杆挤压系统的研究可以发现普通螺杆不能强化塑料加工的传质传热过程。使螺杆挤压系统的螺杆在转动同时还做轴向周期性振动，实现了塑料加工过程由振动剪切形变支配，提高了塑料加工过程中传质传热效率。

1.2 体积拉伸形变加工

由于多组份不相容塑料一般不能直接共混加工，螺杆加工设备很难实现通用塑料功能化改性加工和无分拣废旧塑料的回收处理。因此，多组份体系共混增容是塑料改性加工的技术瓶颈。

实现塑料塑化输运过程的力场分为剪切力场和拉伸力场，其中在剪切力场作用下，物料在输运过程中速度梯度与输运方向垂直，而在拉伸力场中，速度梯度与输运方向平行。在螺杆挤压系统中，由于塑料是热的不良导体，加上剪切流场中是层流换热，导致传热效率低，完成塑化输运过程需要一个很长的热机械历程。

2 驱动与传动方式

2.1 挤出机的驱动与传动

传统的塑料挤出机一直采用“电动机+减速箱+挤压系统”的间接驱动方式。这种方式的应用会带来能耗过大、效率低、控制响应慢等诸多问题若采用“电动机+挤压系统”的直接驱动方式，直接消除减速箱的能量消耗，将提高挤出机的驱动与传动效率同时可提高控制响应速度和控制精度。

用低速大扭矩矢量变频异步直接驱动系统驱动叶片挤压系统，研制成功矢量变频异步直接驱动叶片塑化挤出设备。来自料斗的物料在螺旋输送过程中吸收驱动装置的铁耗和铜耗产生的热量而被预热到一定温度，使叶片挤压系统塑化输运物料所需的能量减少。同时，这种驱动系统与叶片挤压系统集成化的直接驱动叶片塑化挤出设备与电磁动态塑化挤出设备相比较，能量消耗进一步降低，挤出稳定性大为提高。

2.2 注塑机的驱动与传动

现用注塑机注射和保压过程均是通过直线运动来实现的。这种直线注射和保压方式在不同的注塑机中都存在一系列缺点。在传统的液压式注塑机中，塑化过程由液压马达驱动螺杆旋转运动，注射和保压过程用油缸驱动柱塞或螺杆直线运动。整个塑化注射装置部件多，结构复杂，成本高。尤其是在螺杆一线式注塑机中，螺杆和止逆环后大量未塑化好的物料参与注射时的直线运动，运动惯量大，摩擦阻力大，使注射时能量消耗大，注射速度和注射位置控制困难。在全电动注塑机中，注射运动往往通过滚珠丝杆将伺服电机的旋转运动转化为注射柱塞或螺杆的直线注射运动，除了与上述液压注射机存在相同的问题外，还存在另外的问题：①传动系转动惯量更大，注射速度和位置控制困难；②滚珠丝杆易磨损；③噪音大；④设备成本和维修高。

3 过程控制系统

塑料制品加工成型是利用外场如力场、温度场等使塑料产生热机械形变的过程，而塑料机械是实施这一过程的手段与工具，它是一个过程装备。

塑料制品加工过程由于存在非线性、不确定性、时变性和不完全性等因素，一般无法获得精确的过程数学模型，因此塑料机械的常规控制系统很难对过程实施精确控制。因此，先进加工成型过程控制系统是衡量塑料机械技术水平的重要标志之一。

以往塑料机械的过程控制系统都是采用通过对工艺条件（温度、压力和转速等）控制来达到对制品质量 （重量、尺寸、表面质量和性能等）的传统控制。该控制系统由于对工艺条件、物料特性和操作的不同而产生的变化难以很好地响应，很难实现精准控制的目的。在塑料加工过程中，产品质量与工艺参数和过程变量之间的关系是难以确定的，而且塑料种类繁多和加工工艺条件多变，尤其是现在废旧塑料回收循环利用以及可再生植物纤维资源利用对控制系统提出了新的挑战。需要确定控制模型的传统自动控制技术更是难以胜任多相多组分体系加工过程的控制。可以利用先进的测量与传感技术、计算机技术、非线性系统等现代手段，在产品质量与工艺参数和过程变量之间建立反馈与耦合关系，对塑料加工成型过程实施智能化的精准控制控制。只有这种不需要预先知道确定制模模型的智能化控制系统才能满足目前塑料机械发展需要。下面结合叶片塑化挤出和注射成型过程控制简要介绍在塑料机械智能化控制系统研究方面的进展。

4 展望

塑料工业的可持续发展需要从节能减排、废旧塑料回收循环利用以及塑料可再生资源替代出发，通过对塑料机械挤压系统、驱动与传动系统、过程控制系统以及制品成型系统等部分的创新研究与突破，形成具有自主知识产权的塑料绿色加工成型技术与装备。在塑料机械的塑化输运方法从纯剪切形变加工到振动剪切形变加工再到体积拉伸形变加工演变、驱动与传动方式从间接驱动到直接驱动再到负载敏感驱动、控制系统从电气控制到数字化控制再到智能化控制等方面的研究取得了很好的进展。希望通过塑料机械行业同仁们的共同努力，将上述研究成果与行业的其他先进技术集成，加快产业化与商品化的进程，为推动我国乃至国际塑料机械技术进步做出贡献。

参考文献

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