高速超精密注塑机的技术进展及发展动向

     高速超精密注塑机主要用于生产高精密塑料件及各种精密微型塑料件，如光盘、镜片、导光板、传感器等。其中数码光盘的成型具有特殊意义，代表目前精密注塑的最高水平。它不但要求制品精度极高(如DVD9)、质量稳定，而且要求效率高、速度快、洁净度高、光学性能良好等，这是传统注塑机甚至一般精密注塑机不能满足的。数码光盘的成型对注塑机的要求是：(1)具有稳定可靠的液压系统，开合模速度快、平稳，开模定位精度高，合模力准确稳定、重复精度高，模板受力均匀，低压护模可靠等；(2)高速高效的塑化系统、计量准确；(3)注射速率高、多级可调，保压转换点准确，重复精度高，保压压力稳定、多级可调；(4)温控准确；(5)整机噪音低、洁净、无油污。

    由于数码光盘成型的这些要求，使带有闭环控制的全液压式和全电动式精密注塑机成为生产光盘的两种主要机型。1997年以前，精密注塑机都是全液压式的，但最近几年全电动式的精密注塑机越来越多，特别是日本厂家几乎都推出了全电动式精密注塑机。众所周知，最早的注塑机结构就是全电动式，只不过当时采用的是一般电动机，结构复杂、耗能高。现在的这种用伺服电机驱动的全电动式注塑机最早出现在20世纪80年代初，它在肘杆式注塑机的结构上用伺服电机取代了所有油缸，由日本少数厂家率先推向市场。虽然它有一系列优点，但由于技术不成熟和价格昂贵等原因未能在市场上拓展。当前全电动式精密注塑机的推出，一方面是由于环保和节能的需要，另一方面也是由于伺服电机的成熟应用和价格的大幅度下降。

      在2001年第十五届中国国际塑料橡胶展览会上，日本制钢所、东芝、FANUC公司、东洋精机和德国NegriBossi、Battenfeld公司及意大利MIR公司、奥地利Engel公司、瑞士Net—stal等公司都展出了各自的全电动式精密注塑机，大有全电动式取代其它结构之势。然而才过了一年，在2002年6月底上海举办的第十六届中国国际塑料橡胶工业展览会上，欧洲厂家推出的精密注塑机基本上是全液压式的。而日本厂家虽然主要推出的仍然是全电动式，但已经有一家公司推出了电动—液压复合式精密注塑机。美国的辛辛那提公司也推出了电动—液压复合式精密注塑机。笔者现主要介绍全液压式和全电动式精密注塑机的结构特点及技术进展。

1 全液压式精密注塑的技术发展

      全液压式精密注塑机在成型精密、形状复杂的制品方面有许多独特优势。它从传统的单缸充液式、多缸充液式发展到后来的两板直压式，种类较多，差异也很大。单缸充液式作为传统全液压式的代表，许多大厂都曾生产，如日本的东芝、日精树脂、三菱等公司，但这种精密注塑机体积庞大、容易内泄外漏、升压速度慢、耗能多。20世纪90年代初，在欧洲以德国为首推出了许多新的全液压式注塑机。其中以两板直压式最具代表，它解决了单缸充液式注塑机的上述缺点，但其控制技术难度大、机械加工精高、液压技术也较难掌握。

      早在20世纪70年代，我国就已推出了第一台合模力为3500kN的复合型二板注塑机。80年代初从原东德进口了复合型二板注塑机，80年代中期仿制成功，并有小批量生产。但仿制并没有提高我国的塑机技术水平。1989年，黄步明发明并成功研制出双动模精密注塑机和四缸差动合模精密注塑机，并干1994年获得美国、日本、德国、意大利、英国等7国的发明专利。这也是世界上最先开发成功的两板直压式精密注塑机。目前该结构已经形成合模力为100-8500kN四缸直锁二板式精密注塑机系列产品，年生产能力达1000台。在此基础上，从1998年开始，广东泓利机器有限公司经过3年多的努力，终于在2002年6月开发成功高速超精密注塑机。该机主要用于生产CD、VCD等光盘，经有关专家检测、鉴定，所复制的盘片完全符合要求，整机循环时间为3．8s，达到设计要求。这是目前我国自行研制生产的首台光盘精密注塑机。除广东泓利机器有限公司外，目前国内还有几个厂家正在研制光盘精密注塑机，但在生产周期、盘片质量、稳定性等方面均存在一定的问题，目前还在进一步攻关。

2 全电动式注塑机的技术发展

      1983年FANUC公司研制出世界上第一台DC伺服电机驱动的全电动式精密注塑机，主要以伺服电机取代肘杆式精密注塑机的全部液压装置。到20世纪80年代中期，全电动式精密注塑机得到进一步的发展。除日本的FANUC、新铁工所、日精树脂等公司之外，日本的东洋机械公司、美国的辛辛那提公司、德国的巴登菲尔德公司等也都完成了开发并投入市场。早期的全电动式精密注塑机由于采用直流伺服电机，其换向器与电刷摩擦易出现故障。因此，后来FANUC公司和美国辛辛那提公司共同研制开发了交流伺服电机驱动的电子式精密注塑机。现在，美国UBE机械公司可提供合模力超过1000kN的全电动式精密注塑机，合模力4000-5000kN的全电动式精密注塑机也不再罕见。

      国内也有一些公司在试制全电动式精密注塑机，并取得了一定进展。但由于全电动式精密注塑机的主要配件如伺服电机和滚珠丝杆均需依赖进口，其控制技术也掌握在国外厂商手里，故国内厂家生产全电动式精密注塑机所掌握的核心技术极少，而其附加值大部分被国外厂商拿走，非但受制于人，而且还会带来售后服务难题。

      目前，国外生产全电动式精密注塑的厂家主要集中在美国和日本，其中日本的FANUC公司和美国的辛辛那提公司排在前列。今后，随着高精度塑料件应范围的扩大和精密注塑机制造成本的降低，全电动式精密注塑机将有很大的发展空间。

3 全液压式与全电动式精密注塑机锁模系统的比较

3.1全液压式锁模系统的主要结构及优缺点

      全液压式精密注塑机的锁模系统有多种结构，有最传统的单缸充液式、多缸充液式及最近几年发展起来的两板直压式。单缸充液式锁模系统是传统全液压式精密注塑机的代表，它有一般液压式锁模系统的优点，如合模精度高、开模力大等，也有明显的缺点，如容易内泄外漏、体积庞大、升压速度慢、耗能多等。多缸充液式锁模系统是从单缸充液式发展起来的，包括无拉杆精密注塑机在内的许多精密注塑机都采用了这种锁模系统。多缸充液式锁模系统比单缸充液式有一定程度的改善，如便于安装顶出油缸等，而且机身较短，欧洲塑机生产厂家采用这种系统的不少。

      两板直压式锁模系统可分为内循环式、外循环式和无循环式几种类型，它解决了单缸充液式锁模系统易泄压、漏油、升压慢等缺点。欧洲生产的精密注塑机主要以无循环式锁模系统为主．这种结构具有机身短、结构较简单的优点，但由于没有实行油压的循环差动，所以不能很好解决力和速度的矛盾。要使开合模速度较快，必须增大油泵电机，耗能较多，故无循环锁模系统多为小型机采用。最近两年有些公司推出了内循环二板式锁模系统精密注塑机，这种结构的油缸内活塞结构复杂、制造困难，而且油缸活塞较小时无法安装充液阀，故小机型无法采用，而且如出现内泄则维修困难。它的优点是油路较短、液压系统较简单、外观整洁，适用于较大机型。广东泓利机器有限公司现生产的四缸直锁二板式锁模系统属外循环二板直压式锁模系统，可用于合模力100~16000kN的机型。其优点是有效地解决了力和速度的矛盾，解决了许多全液压式精密注塑机存在的速度慢、易漏油等问题，缺点是机身较长。

3．2全电动式锁模系统的主要优缺点

      目前的全电动式精密注塑机的锁模系统是用伺服电机取代原来的油缸推动肘杆作开合模运动。这使原来肘杆式结构所存在的问题继续存在，如加工精度要求高，易磨损，调模困难等；但有些方面得到一定的改善。由于使用伺服电机，可以使肘杆在不同的角度停下来，有利于锁模力的改变，并可进行压缩成型。而且由于没有油压惯性的影响，所以噪音较低，控制精度较高。不过，它也带来一些新的问题：①由于用伺服电机带动滚珠丝杆，因此滚珠丝杆的磨损会导致精度的下降；②如果机器的制造装配精度不高或模具安装平面不平行，那么在滚珠丝杆上就会出现一个附加的径向力，加速滚珠丝杆的磨损；③如果肘杆未完全撑直就开始注射，当成型面积较大的制品时就有很大的轴向力作用于滚珠丝杆及伺服电机的轴上，超载时就有可能导致它们的损坏。此外，对于厚壁制品所需的保压时间较长，若保压超过10s，伺服电机即可因堵转而发热，降低伺服电机使用寿命、甚至易损坏。

4 全液压与全电动式精密注塑机注射系统的比较

      采用伺服电机控制螺杆的塑化计量精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。采用伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射日寸，由于滚珠丝杆负载大、高速旋转，磨损也较严重。因此，一般全电动式精密注塑机的注射速率不大于500mm／s。而全液压式精密注塑机若采用蓄能器辅助注射时，注射速率可达到]000mm／s以上。在注射时用伺服电机起动速度比一般的液压式快，但如果液压式精密注塑机的液压系统采用蓄能器时，将比伺服电机起动更快。伺服电机对注塑压力和注射速率的控制都较准确，但进入保压时由于伺服电机不能在不旋转的情况下提供大的扭距，所以只能间断地旋转，靠测量螺杆前面物料压力进行补压。这样，一方面滚珠丝杆容易磨损，另一方面也较为耗能，压力也不稳定。另外，要将伺服电机的旋转运动变成注射的直线运动，注塑压力很大，磨损也较大。对于这一点，许多厂家还没有很好的解决办法。

5 精密注塑机发展的新动向

      全电动式精密注塑机有一系列优点，特别是在节能和动作精度方面尤为突出。但由于目前的全电动式精密注塑机采用肘杆式锁模系统，一方面限于机械加工精度，另一方面由于肘杆的机械磨损，故全电动式精密注塑机仅能加工CD、VCD，最多再加工DVD5，而且使用一年左右其精度就会下降。台湾一企业用了100多台全电动式精密注塑机生产CD-R，不到一年就有许多机器出现问题。故全电动式精密注塑机在开合模精度及使用寿命上不如全液压式精密注塑机。而全液压式精密注塑机要保证精度就必须采用伺服阀，伺服阀价格昂贵带来成本上升，使带有伺服阀的全液压式精密注塑机的价格高于全电动式精密注塑机。电动—液压式精密注塑机是一种集液压和电驱动于一体的新型精密注塑机，它融合了全液压式精密注塑机的高性能优点和全电动式精密注塑机的节能优点。这种电动—液压相结合的复合式精密注塑机已成为当今精密注塑机发展的新动向。

      电动-液压复合式精密注塑机目前主要有以下三种形式：①计量-塑化采用伺服电机驱动，螺杆的往复运动-注射由液压系统完成，并采用液压式锁模机构。塑化加工需要旋转运动，将液压机中耗能较多的塑化加工改为电驱动，效率高、节能。②计量—塑化及注射均采用伺服电机驱动，锁模采用伺服电机和肘杆式机构，液压系统采用带蓄能器及变量泵的增压装置，可达到高速、较高精度和节能的效果。③电动—液压复合的锁模机构。采用两组伺服电机加滚珠丝杆的动模驱动装置，取代原来的一对液压油缸进行开合模动作。在后模板上装有一个大的锁模油缸，该锁模油缸活塞杆的一端固定在动模板上，另一端的外表面有螺纹，并套穿在锁模油缸的中心孔内。在锁模油缸上有一对剖开螺母，在动模驱动装置的滚珠丝杆上有一组补油油缸，连接到锁模油缸上。该装置还设有一组增压驱动装置，由伺服电机、滚珠丝杆及增压油缸组成，增压油缸通过阀门也连接到锁模油缸上。在合模过程中，对开的螺母打开，动模驱动装置作合模运动，补油油缸对锁模油缸充油。在锁模过程中，对开的螺母闭合，增压驱动装置动作，对锁模油缸增压。这种直压式锁模机构以极少量的油为媒介，利用伺服电机与螺纹所产生的油压进行中心锁模，位置对准精确度高、启动停止性能好。其缺点是结构复杂、成本高。

      电动-液压复合式将是未来精密注机采用的主要结构，相信还有更多的复合式结构即将问世。2002年在上海举办的第十六届中国国际塑料橡胶工业展览会上， 日本厂家展出了循环时间0．61s的精密注塑机，这是一个方向，即现代精密注塑机将朝着高速高效、节能、网络化、智能化的方向发展。