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管道圓周壁厚控制新技術(shù)

2014-6-20 21:15:40??????點(diǎn)擊:

身處現在全球競爭激烈的大環(huán)境中,生產(chǎn)制造型企業(yè)如果不能用高人一籌的優(yōu)質(zhì)商品來(lái)?yè)敉烁偁幷?,就很難持續生存發(fā)展。從長(cháng)遠來(lái)看,大浪淘沙勝出的那些公司,其首要核心競爭力就是能夠以最低生產(chǎn)成本提供高品質(zhì)產(chǎn)品。薄片、薄膜和管道產(chǎn)品的生產(chǎn)采用不同塑料生產(chǎn)工藝,通過(guò)比較可以清楚看出,削減成本潛力空間最大的是管道擠出生產(chǎn)領(lǐng)域。在擠出生產(chǎn)中,由于原材料成本在整個(gè)生產(chǎn)成本中占有的比重超過(guò)50%,顯而易見(jiàn),若要實(shí)現最大程度的成本節約,就應該積極探索如何降低原材料生產(chǎn)用量。 

目前薄膜生產(chǎn)普遍可以達到膜厚偏差低于5%。而管道生產(chǎn)的合格壁厚偏差,歐洲標準往往是10%范圍之內,例如,根據EN 1401-1,直徑110mm泡沫PVC管道的合格壁厚為3.2到3.8mm。盡管如此,所有的管道生產(chǎn)制造商都在向著(zhù)更小偏差這個(gè)目標努力,但現在的實(shí)際生產(chǎn)偏差往往還是超過(guò)了5%。薄膜生產(chǎn)之所以能夠實(shí)現較小偏差,是因為采用膜厚閉環(huán)控制,特別是在擠塑薄膜生產(chǎn)中可以實(shí)現整個(gè)生產(chǎn)寬度的控制,這目前在全球范圍內已經(jīng)是最頂尖的技術(shù)。而管道擠出生產(chǎn)還只能望其項背。由于校準管道圓周壁厚這道工序缺乏系統的技術(shù)解決方案,操作者仍被局限在只能手動(dòng)比照心軸將模具居中定位,而由于無(wú)法借由傳統管道端口的圓周固定對焦螺絲來(lái)調整模具居中定位,更使得這個(gè)過(guò)程難上加難。 

通過(guò)對管道圓周壁厚實(shí)施閉環(huán)控制,從而實(shí)現減少管道的原材料生產(chǎn)用量,為了達到這個(gè)目標,就必須給管道端口配備可控驅動(dòng)器。為了達到更好的預期效果,首先需要實(shí)現的是能夠將管道端口自動(dòng)居中定位。壁厚偏差最小化的目標如果得以達成,便可通過(guò)控制系統來(lái)減少管道圓周存在材料不均勻點(diǎn)。只有采用這種設計,才能實(shí)現管道生產(chǎn)中的長(cháng)期壁厚偏差趨近于薄膜生產(chǎn)中的普遍膜厚偏差,現在Flexring模具試驗成果也從理論上驗證了這種方案的可行性。 

傾卸模具的自動(dòng)居中設計 

隨著(zhù)傾卸模具技術(shù)的研發(fā)成果出爐,終于破解出了管道端口自動(dòng)居中的簡(jiǎn)單解決方案。在這套解決方案中,為了校準模具比照心軸的定位,模具沒(méi)有采用以往的移除脫模,而是取而代之采用傾卸脫模,并且管道端口和模具之間的密封口采用彈性密封,密封材質(zhì)改良自人造橡膠,特別適用于這種用途。當使用傳統手動(dòng)可調定位螺釘時(shí),系統也能夠保障比傳統放射狀排列居中定位螺釘更精準的居中定位。采用了這種無(wú)須額外控制的自動(dòng)調節系統,傾卸模具技術(shù)便更顯而易見(jiàn)擁有成本低廉的優(yōu)勢,無(wú)論是傾卸模具,還是比手動(dòng)定位更加精準的模具自動(dòng)居中,僅僅靠?jì)蓚€(gè)低成本的步進(jìn)電機便可足夠支持。

在去年10月德國Düsseldorf的塑料展覽會(huì )上,新型傾卸模具技術(shù)并彈性?xún)A卸組件第一次被展出(見(jiàn)圖1)。雖然問(wèn)世不久,這項技術(shù)的廣泛應用范圍已經(jīng)被成功驗證,面對不同系統,多種多樣的原材料,甚至相當大范圍內的管道直徑系數,系統都可應對自如。測試傾卸模具技術(shù)的準備工作進(jìn)展十分順利,任何現存管道端口都可以通過(guò)安裝彈性密封組件很迅速完成升級,且成本低廉。一款專(zhuān)門(mén)為了生產(chǎn)醫療用途PLA毛細血管的模具,初始目的是作為傾卸模具工具,現在已經(jīng)通過(guò)了測試,這套模具代表了管道規格的最小極限,毛細血管的外直徑僅有0.2mm,足以說(shuō)明傾卸模具技術(shù)能夠充分實(shí)現高精準度和敏感度的居中定位。 

管道端口和模具之間的區域必須密封,目前用彈性?xún)A卸組件升級的最大模具在這個(gè)部位的直徑為220mm,該模具同時(shí)具備個(gè)端口給擠出吹塑生產(chǎn)線(xiàn)供應半成品。在新型傾卸系統下,模具定位在管道端口的中心,這種緊密的配合也縮短了啟動(dòng)待機時(shí)間,擠出吹塑更額外收獲了一個(gè)改良驚喜,因為系統裝有自動(dòng)調整裝置(見(jiàn)圖2),吹塑設備便不再需要停下來(lái)調整半成品的下落。精明的吹塑薄膜生產(chǎn)商更是充分利用傾卸模具技術(shù)的優(yōu)勢,首次用彈性?xún)A卸組件改良其現有的吹塑薄膜模具。

從材料方面來(lái)看,傾卸模具已經(jīng)被成功通過(guò)了聚烯烴,PVC,PA和PLA的生產(chǎn)測試。從經(jīng)濟角度來(lái)看,傾卸模具技術(shù)的額外優(yōu)勢在于,比起傳統居中定位技術(shù)用的模具端頭,制造商采用這樣一個(gè)模具端頭所花費的成本要低得多。 

結果表明,模具技術(shù)首次實(shí)現了應用于管道擠出生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)校準壁厚偏差?,F在采用Flexring模具使用壽命可超過(guò)10年,能夠有效比減少管道壁厚的分布不均的情況。該模具成功應用了吹塑薄膜生產(chǎn)幾十年來(lái)一直采用的設計原理,為了減少管道圓周壁厚偏差,從模具流出的液流通路被限定在一個(gè)有限區域內,改變了流阻便不會(huì )影響到鄰近區域。采用這種方法,便可以在管道生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現相對較小的壁厚偏差(見(jiàn)圖3)。

 

圖3 采用Flexring模具,通過(guò)實(shí)地改良液流通路間隙,從而實(shí)現模具圓周壁厚的均勻分布(管道規格:110 × 9 mm)

閉環(huán)控制Flexring模具解決方案 

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盡管試驗呈現了讓人著(zhù)實(shí)歡欣鼓舞的成果,但Flexring模具無(wú)法立即投入生產(chǎn)實(shí)踐卻是鐵一樣的殘酷事實(shí),因為與傳統管道端口相比,Flexring模具需要額外增加人力來(lái)精準調整模具圓周外圍的眾多定位螺釘。急速出現的線(xiàn)性波動(dòng),在更小壁厚偏差時(shí)會(huì )變得更加頻繁,都使得這一問(wèn)題更加愈演愈烈。這里需要研發(fā)一個(gè)控制設計,并根據要求編寫(xiě)相應程序,但在很長(cháng)時(shí)期內,都沒(méi)有出現對這個(gè)項目感興趣的參與者。 

德國政府為開(kāi)發(fā)管道圓周壁厚控制技術(shù)提供了優(yōu)厚條件,也讓經(jīng)濟危機和再激勵一攬子計劃說(shuō)了再見(jiàn)。由德國經(jīng)濟部管理的中型企業(yè)重要創(chuàng )新項目,現在主要投資基金給兩個(gè)獨立的項目,目標致力于發(fā)展泡沫內芯PVC管道圓周壁厚的最大限度恒定閉環(huán)控制。在這些項目中的第一個(gè)便是德國Obertshausen的Ingenieurbüro Walz正在開(kāi)發(fā)的相對簡(jiǎn)易和低成本的新型測量系統,它的獨特之處在于不僅可測量固體壁厚,還可以測量泡沫內芯管道。圖4展示了德國B(niǎo)ad Zwischenahn 的Pipelife Deutschland有限公司測試系統整合進(jìn)管道擠出生產(chǎn)線(xiàn)的應用情況,這套設備用于生產(chǎn)直徑110mm的泡沫內芯PVC污水管道。

然后,采用管筒和步進(jìn)電機實(shí)現模具間隙的自動(dòng)調整,對Pipelife現存的模具端頭進(jìn)行改造。 

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在第二個(gè)經(jīng)濟部基金項目中,德國Arnsberg的aiXtrusion有限公司將會(huì )設計控制系統,并根據新測量系統的管道圓周壁厚數據,來(lái)編寫(xiě)相應的軟件計算控制器輸出值。利用這些控制器輸出值,管道端口的液流通路間隙將會(huì )被實(shí)地校正,從而減少壁厚偏差。所有的試驗將會(huì )直接實(shí)施在Pipelife用于生產(chǎn)直徑110、125及160mm的泡沫內芯PVC管道的生產(chǎn)設備上。預定目標自然是希望在大幅降低壁厚偏差來(lái)節約原材料的前提下,還能提升管道產(chǎn)品品質(zhì),但也期待可以進(jìn)一步縮減生產(chǎn)和質(zhì)控所需的人力。 

總結與概述 

脫模方向壁厚控制已經(jīng)成為合格管道擠出生產(chǎn)系統的通用實(shí)際操作必備,也成為標準配置,如今在這一基礎上,具備所有技術(shù)先決條件的現有管道擠出生產(chǎn)領(lǐng)域,也努力探索對管道圓周壁厚的閉環(huán)控制。以往在生產(chǎn)自動(dòng)化方面,管道生產(chǎn)遠遠落后于吹塑薄膜擠出生產(chǎn),現在終于迎來(lái)了機會(huì )扭轉這一局面,甚至有望反超。擠出薄膜生產(chǎn)線(xiàn)仍然需要手動(dòng)調整傳統居中定位螺釘來(lái)降低過(guò)大膜厚偏差,而管道壁厚控制的現階段開(kāi)發(fā)中也有聚焦壁厚偏差的校正,將采用彈性?xún)A卸接頭的傾卸模具來(lái)首次實(shí)現。當進(jìn)一步探討在單個(gè)基礎設備上進(jìn)行改良升級是否能產(chǎn)生經(jīng)濟效益,這就最終成為一個(gè)必要投資和折舊期限的問(wèn)題。完美匹配的壁厚測量系統應用在擠出生產(chǎn)線(xiàn)上,便可自然簡(jiǎn)化這個(gè)糾結的抉擇。就算無(wú)法完全實(shí)現,目前開(kāi)發(fā)的壁厚測量系統也能夠稱(chēng)得上是有利可圖的替代性選擇,因為它或比傳統超聲波測量系統的造價(jià)要低廉。不過(guò)目前尚未能蓋棺定論,現在只有圖4所示的試驗系統正在測試階段,控制系統的編程也仍需完成。因此,第一套能夠同時(shí)控制脫模方向和圓周方向壁厚的生產(chǎn)系統何時(shí)才能問(wèn)世,當前還難以預測。

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