新乡市材料成形与加工工程技术研究中心
王亭亭
【摘 要】随着塑料制品在国内外的广泛使用，塑料加工和塑料机械得以发展，塑料机械工业也逐渐形成，并具有了一定的发展规模。为加强塑料加工成型机械的创新，低耗、高能、环保的加工成型技术，是解决目前石油资源紧张的问题的关键。塑料机械的发展前景和规划，塑化运输方法的改变和创新，塑料机械的核心系统的变化，都是塑料加工成型机械创新技术研究的一部分，还有待继续开发创新。
【关键词】塑料加工；技术；创新
0 前言
塑料主要是从石油经过蒸馏并裂解得到各种炔烃，并利用这些炔烃聚合得到的一种高分子化合物。我国经济在快速发展的同时，对自然资源的消耗量也十分庞大，尤其是不可再生的石油资源。由于我国人口众多，塑料制品在我国的使用量巨大，石油作为塑料的主要原料，石油的消耗量也很大。为了响应我国低碳环保、绿色生态的号召，同时考虑到塑料工业对低耗、高能、环保型的加工成型技术的需求也比较高，有必要对塑料加工成型机械创新技术进行研究。
1 塑料机械的发展
塑料机械的发展在一定程度上反映出一个国家和地区的国民经济和技术发展水平，我国的塑料机械行业发展于改革开放前，塑料机械企业规模小、设备落后、技术力量薄弱，主要靠引进样机进行仿制，产品种类少，工艺水平低，没有成套的配备设施。改革开放后，随着人们对塑料制品的需求的增大，塑料機械得到了快速的发展，市场对塑料加工成型机械设备的需求也大幅上升，多数企业从国外引进先进的设备和技术，使得塑料机械技术得到了很大的提高。进入二十一世纪，塑料的应用领域不断扩大，从一般民用、农用扩展到几乎所有的工业领域，打破了原本局限于轻工、机械和化工系统的格局，迅速蓬勃发展起来。
而塑料机械未来的一个主要发展方向是高效和多能，它能解决能源紧缺和大量生产使用引起的高成本问题。聚酯瓶胚成型机的机头由原来的6个，到现在超过了24个，能够同时进行多个塑料加工成型作业，从原料准备到成型一体化的实现，缩短了操作流程，减少了人力的输出、设备的投资和能量的消耗。目前我国的塑料机械加工成型的精密度不高，成品质量无法保证，也没有大型化、精密化的塑料机械，还需要依靠国外进口大型的、精密性高的塑料机械，这是我国目前的一个短板。塑料机械未来的发展，就需要克服这个问题，发展大型化、精密化的塑料机械。塑料加工成型机械模块化和专业化生产为不同需求的客户提供更多产品，不仅缩短新产品的研发周期，降低生产成本，还提高了产品的质量和精密度。
2 挤压系统的创新技术
2.1 振动剪切
挤压系统是塑料机械的核心，集材料塑化、熔融与产品输送等功能为一体，能够为产品生产提供熔体，直接影响着塑料制品的生产质量。而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远大于塑料塑化输运所需要的能量，能量的利用率较低，在塑料机械的所有结构系统中，挤压系统对材料的消耗量最大。对传统的螺杆挤压系统进行分析研究，普通螺杆不具备强化塑料加工的传质传热过程。纯剪切变形加工的流场的物料运动是单层流，层与层之间没有物质交换，主要靠热传导或粘性耗散产生热量，传质传热的效率极低。改进后的振动剪切加工，使挤压系统的螺杆在转动的同时还进行周期性振动，由纯剪切变形加工转变为振动剪切形变加工，形成的流场是多层流，层与层之间可以进行物质的交换，在传质的过程中也加强了热力的运动，提高塑料加工的传质传热效率，使得螺杆长径比降低，减少了减压系统的耗能。振动力场的应用有效解决了传统生产中熔融速率小、输运历程长、熔体粘度高的不足。应用高分子材料塑化输运中的非线性特征来提升生产质量，振动剪切形变加工缩短了加工过程中的热机械历程，能耗明显降低，也提高了塑料制品的质量。
2.2 体积拉伸
叶片塑化单元包括叶子、定子、转子、挡板料头、模头等，多个叶片塑化单元构成了叶片挤压系统，主要利用物料加工过程中体积的周期性变化来进行强制的物料混合混炼。叶片挤压系统的体积增大时，将物料纳入其中，体积减小时，将物料压实、研磨，在定子外加热和机械散热的作用下拉伸变形。在叶片塑化输运单元中以拉伸形变为主，纤维沿拉伸形变的作用方向取向，增加了体系的相容性，显著提高塑料制品的力学性能。
3 驱动与传动系统的创新
3.1 挤出机
传统的塑料挤出机采用间接驱动方式，“电动机+减速箱+挤压系统”的应用存在着能耗大、效率低、控制响应慢等问题。减少减速箱装置，选择直接驱动方式，不仅能够提高挤出机的驱动与传动效率，还能提高控制响应速度和控制的精度。十九世纪九十年代初，塑料塑化挤出直接电磁换能的的提出，成功研制出塑料电磁动态塑化挤出设备，将螺杆挤压系统放在电机转子的内腔中，采用的驱动装置是低速大扭矩矢量变频异步直接驱动系统，相比之下节能百分之十五，并且体积和重量也减少了一半以上。低速大扭矩稀土永磁伺服电机能够最大限度地满足拉伸流变控制的塑化运输过程负载的特性要求，可以实现叶片挤压系统负载感应驱动，降低驱动与传动过程中的能量损耗，提高驱动效率。
3.2 注塑机
在注塑机的驱动与传动系统中，主要是对节流损失和溢流损失的改进创新，减少能量的消耗。传统的塑化过程主要由液压马达驱动螺杆直线运动，塑化装置结构复杂，成本高昂。在螺杆一线式注塑机中，螺杆和止逆环后大量未塑化完成的物料参与注射时的直线运动，增大了运动惯量和摩擦阻力，难以控制注射的速度和位置，使耗能增大。在全自动注塑机的应用中，又发现了新的问题，传动系转动惯量更大，滚珠丝杆易摩擦，噪音大，设备的成本和维修费用昂贵。针对以上问题，再结合叶片挤压系统的特点，发明了盘式旋转注塑机及其注射方法，利用圆盘环形槽内的活塞的旋转运动改变折射和保压过程的直线运动，使之做旋转运动完成储料、注射和保压过程，这种方法设备体积小、储料计量精准、注射能耗低、注射运动惯性小等特点，实现了节能减耗的目的，在塑料加工成型机械中得到了广泛地应用。
3.3 过程控制系统
由于塑料加工成型机械具有诸多的不确定因素，无法获得精确的过程数学模型，因此先进的塑料加工成型过程控制系统是衡量塑料机械技术水平的一个重要标志。传统的塑料机械控制系统主要根据塑料成型加工过程中的温度、热量、压力、转速等来控制塑料成品的质量，难以对塑料成品的质量实现精准的控制，再加上可再生纤维资源利用和塑料制品的回收利用，更加大了难度。叶片塑化挤压成型过程的是利用了先进的测量与传感技术、计算机技术等现代手段，实现塑化挤出成型过程各工艺参数如加工温度、挤出压力、转子转速等的全闭环高精度智能控制，满足挤压成型过程制品的高质量要求。
4 结语
塑料行业是国民经济的支柱，塑料行业的可持续发展道路应从节能减排、废旧塑料回收、可再生资源的替代等这些角度出发，对塑料加工成型机械的创新，形成绿色环保的加工机械设备就是重中之重。例如，结合当前最前沿的新材料和新技术对塑料挤压系统、驱动与传动系统、过程控制系统等部分的创新就是不可少的。
【参考文献】
[1]原京龙，张国辉，张永超.当前经济形势下塑料改性行业的现状与发展机遇[J].塑料制造，2011（10）：13-15.
[2]瞿金平.塑料加工成型机械创新技术研究[J].机电工程技术，2013，01：1-7.
[责任编辑：田吉捷]
