全電動注塑機的特點與應用介紹
摘要： 介紹全電動式注塑機的特點及國內外的發展現狀；分析對比了全電動式注塑機與傳統注塑機的優缺點，並通過對全電動式注塑機技術發展動向的分析，對我國全電動注塑機的發展進行了展望。
關鍵詞： 全電動；注塑機；現狀；發展動向
中圖分類號： TQ320.5 文獻標識碼： A
文章編號： 1005-5770(2005)04-0001-04 頁碼： 1~4
參考文獻數： 1 圖： 0
表： 1 來源： 《塑料工業》2005年第33卷第4期
塑料注射成型機作為塑料製品的加工設備已有半個多世紀的歷史，近年來隨著塑料製品應用領域的不斷擴大，世界上對注塑機械的需求呈現了持續大幅攀升的趨勢。特別是我國，進入20世紀90年代以來，注塑機的銷售額以10%左右的年均增長率{TodayHot}快速增長。2002年注塑機的產量為4.3萬台左右；2003年達到了5.1萬台，與2002年相比增長了16%。總產量已居世界第一位，市場份額已佔世界總產量的60%。
近年來，隨著新型合成材料的湧現和要求使用高精度注塑件範圍的擴大，以及綠色環保意識的日漸增強，人們對注塑機的要求越來越高，各類緊密型、節能型、環保型等注塑機不斷湧現，產業結構正在迅速轉變。目前相對主流的各種新型注塑機中，最具代表性的為全電動式塑料注射成型機。
1 全電動式注塑機的特點
所謂電動式注塑機是指使用交流伺服電動機，配以滾珠絲杠、齒形帶以及齒輪等元器件來驅動各個機構的注塑機，其最根本的特點是所有驅動模塊全為電動式，而非傳統的液壓式。也就是說，在整套設備中沒有液壓系統，也沒有任何液壓元部件。電動式注塑機的應用相當廣泛，從一般民用和工業用品如汽機車零件、化妝品用容器、家庭用容器、精密齒輪等。電動式注塑機於1982年首先由德國Battenfeld公司發布；1983年由日精樹脂(Nissei)公司率先商品化，當時的產品型號為MM5；在1984年日本塑料工業展覽會上，法那克公司、東洋機械金屬公司和新瀉鐵工所分別展出了AUTOSHOT系列、TU系列和MD系列的電動式注塑機。
全電動式注塑機是電動式注塑機的主要機型，其注塑裝置中的各機構(注射、塑化、計量和移座等)及合模裝置的各機構(開合模、鎖模、頂出等)全部採用電動機驅動。與油壓式注塑機相比，具有以下優點。
1.1 節約能源
傳統的油壓傳動機械由於全部動作都需通過油路來實現，所以不可避免地具有油壓控制損失(ΔP)、管損、閥阻等流動損失，以及泵浦之容積效率、摩擦損失等等。在高流量時這種能量損失特別明顯。據統計，液壓式注塑機由於高壓節油造成的能量損耗高達36%-68%；同時油壓系統在待機狀態下亦仍有上列損失。而伺服馬達運轉時無流動損失、控制損失問題，磁滯損失極低；{HotTag}且在待機時不轉動，因此能耗低，而且與速度無關。全電式系列由於使用滾珠螺桿將伺服馬達的旋轉運動轉成直線運動，而滾珠螺桿的摩擦阻力遠低於油壓缸，且無任何冷卻系統；因此整體效率遠遠超過油壓機械。實踐表明，一般全電動式注塑機比傳統液壓式省電1/3(包括加熱部分，同等設備相比)；如不包括加熱部分，全電式注塑機的耗電僅是傳統塑機的1/8-1/10。以一台合模力為800kN、注射量為100g的注射機為例，液壓式注射機生產一個重60g的ABS料產品，每分鐘3模，耗電約9kW/h；而生產同樣產品、同樣效率，全電動機器的耗電約為6.5kW(其中加熱功率均為6kW)。
1.2 清潔、噪音低
全電動式注塑機的主要制動組件是交流同步伺服馬達。而伺服馬達的控制特性為噪音低、慣性低、激活阻力小、加減速特性控制容易，無液壓系統中存在的液壓泵浦脈衝問題、氣泡、泄壓聲等問題，因此，更容易設定激活及停止斜率，激活振動低。實踐表明，一般全電動式注塑機比液壓式塑機的噪音低10-15dB，已達到國內企業近年來為突破綠色貿易壁壘而紛紛實施的ISO14001國際認證標準。另一方面，由於該機型沒有油壓缸；因此，無漏油問題，亦無油氣問題，無對液壓設備維修保養問題，極大地提高了系統的潔凈性。對於生產潔凈度要求高的產品很有利，對於一些對潔凈度有特殊要求的產品如醫療用品等，選擇該類機型成為必然。
1.3 速度控制範圍寬、響應性好
相對於液壓注塑機，全電動式注塑機由於採用伺服電動機；所以其速度控制特性較好、範圍大，高低速相差近1000倍。同時，伺服電動機控制的注射壓力和注射速度變化時間非常短，從高速向低速轉換平滑，具有非常高的響應特性，特別適合在小型製品、短注射行程的場合使用。
1.4 精度高、重複性高
相對於液壓式注塑機，全電動式注塑機具有精度高、重複性高等特點，高精密度注射成型可以在全電動伺服注射成型機上輕易實現。塑料塑化時螺桿的轉動由伺服電機驅動，伺服電機的轉速很穩定；因此塑料塑化的穩定性提高。注射動作是由伺服電機帶動滾珠絲杠來完成的，由於滾珠絲杠的位置精度可以達到0.003mm；所以每次注射動作的精度也可相應達到0.003mm；同時使注射動作的重複精度大為提高，保證了製品質量的穩定。與液壓式注射機的壓力控制方法相比，全電動伺服注射機注射時的壓力是通過一個高精度的壓力感測器反饋給控制系統的，壓力感測器直接與螺桿連接，減少了中間環節造成的誤差；感應速度快、精度高；這使該類機型的背壓控制精度提高。滾珠絲杠與螺桿之間的連接是剛性的，注射速度完全由滾珠絲杠控制；因此，通過設置注射時各段的壓力、速度，可方便地實現多級壓力、多級速度的高精度複雜注射動作，以便滿足各類高檔製品的各種注射要求。手機外殼、電腦的一些精密零件等多數採用全電動伺服注射成型機加工。由於伺服電機扭矩控制精度高，滾珠絲杠與合模系統剛性連接；使開合模動作的速度、位置精度也相應提高，保證了模板運動推力的精確，控制了模板在運動中慣性產生的位移偏差，使低壓模具保護這一動作的可靠性和響應精度大為提高，精密模具使用時的安全性有了更好的保障。在注射成型某些薄壁製品時，需要進行「注一壓」複合動作，即在注射開始時，模具不合緊，留有很小的縫隙以便排氣，注射動作後期模具合緊。例如用ABS料注射成型IC卡時，採用「注一壓」複合動作製作出來的製品平面度高，無翹曲變形。這樣的動作要求模板移動有較高的位置精度和響應速度。由於模具是後期合緊的，所以僅需要較小的合模力便可成型製品，這將延長了注射機和模具的使用壽命。全電動伺服注射成型機完全可以滿足這樣的要求。而對液壓式注射機來說，由於液壓油的密度等物理性能將隨環境溫度的變化和使用次數的增加而變，使各個動作執行的精度得不到保障。
1.5 成型效率高和使用成本低
全電動伺服注射成型機的工作效率很高，使用成本低廉。效率，最直觀的表現為速度。電動注射機的注射速度是一般液壓式注射機的1倍左右，高速注射滿足了部分製品的需求，同時提高了注射效率和成品率，降低了生產成本。合模動作的高精度使高速低壓動作距離加長、合模速度更快。由於整部機器全部由電動機驅動，各動作之間基本沒有干擾；所以，開摸和頂出動作可以同步進行，節省了頂出動作的時間，實現了一般液壓式注射機無法實現的「開模-頂出」複合動作。液壓式注射機使用的高壓軟管和油缸、活塞等老化、腐蝕、磨擦產生的粉末、鐵屑進入液壓系統，將導致閥芯卡住，動作失靈，嚴重時將閥損壞，影響生產進度，增大維護費用；而電動注射機全部是機械傳動，滾珠絲杠的設計承載能力遠大於實際使用中的載荷，各主要零部件均採用高強度材料，由加工中心加工而成，尺寸精度高，滾珠絲杠等運動部位都有防塵圈防護，伺服電機在過載時具有斷電保護功能，因此，其使用壽命更長，可靠性更高，維護成本很低。液壓式注射機使用的傳動介質-液壓油在使用一定時間后，由於氧氣、壓力、磨擦等的綜合作用，性能將發生變化；為保證整機的性能，需要定期更換液壓油，導致生產成本提高。電動注射機不存在這個問題。電動注射機本身動作的重複精度很高，性能穩定；所以生產時廢品率很低；且用電、用水都很少。這些都將降低生產成本，保證了製品的市場競爭力。
2 全電動式注塑機的國內外現狀
目前全球全電動式注塑機的生產廠家主要有日精樹脂工業、法那克、東洋機械金屬、三菱重工、住友重機械工業、奧格馬、川口鐵工、松下電器產業、辛辛那提·米拉克郎、巴登菲爾德等，其中最大、最成功的製造商是法那克公司，年產量約為2000台，且在全世界銷售的15-300t機種已超過10000台。
從2003年美國NPE展中展出的注塑機機種來看，全電動注塑機占其總數的37%，較2000年的NPE展提高了11%；其中美洲、歐洲和日本均有大幅提高，而亞洲(除日本外)還以油壓式為主，約佔參展數量的84%，技術相對落後。
表1 2000-2003年美國NPE展展出的各注塑機機種比例
Tab 1 Ratio of injection machines types displayed at NPE(2000/2003)
油壓
油電
全電
2000年
2003年
2000年
2003年
2000年
2003年
歐洲
84%
53.2%↓
8%
24.2%↑
8%
22.6%↑
美洲
89%
25.0%↓
0
37.5%↑
11%
37.5%↑
日本
39%
8.1%↓
0
10.8%↑
61%
81.1%↑
所有參展機型
72%
45.2%↓
3%
17.8%↑
26%
37.0%↑
從全球注塑機技術發展趨勢看，日本的注塑機製造商以精密注射及高循環速度(短循環周期)為技術目標，發展全電動式注塑機；而歐美的注塑機製造商則以油壓計量與電動組合的混合式機型和多色多組分注射成型的複合化技術為發展重點，同時，Milacron、Engel和Battenfeld等公司也發展全電動式注塑機。
我國的注塑機由於起步較晚，現階段的產業結構不甚合理，傳統的肘桿式注塑機在市場中佔據了主導地位，全電動式注塑機尚處於初步發展階段，投入批量生產的廠家寥寥無幾。目前國內已取得一定的進展有中國海天機械有限公司的HTD88全電動注塑機、東華機械有限公司的Zeus系列全電動注塑機及寧波海太機械製造有限公司的HTD800全電子伺服控制注塑機等。其中海太公司研發的HTD800型全電動注塑成型機目前已率先通過專家鑒定，進入實際生產使用中；該公司的第二代全電動注塑機也已進入試製階段。但由於種種原因，該公司的全電動注塑機也僅限於小批量試生產階段。國內注塑機生產廠家雖已在該領域有所突破，但還遠未形成產業化規模化，技術上與國際先進國家(如日本)還存在較大差距。這一問題的關鍵是國人尚未掌握核心技術，目前全電動式注塑機的主要配件如飼服電機、滾珠絲杠等均依賴進口，過分依賴國外的高新技術造成了目前產業發展的瓶頸。
3 全電動注塑機的技術發展動向
3.1 大型化
全電動注塑機由於原理的限制，當合模力上升時，合模部分的絲桿、電機的負荷均相應增大，用一個電機不能滿足需要，需要兩個電機來共同完成；這就產生了一個同步性的問題，即兩個電機的啟動、運轉、停止必須一致，否則將導致使用性能不穩定和機器部件的損壞。因此，全電動機型的大型化對電機控制系統、裝配工藝等提出了更高的要求，這些要求也限制了全電動機型的大型化。目前，全電動注塑機主要應用於小型、精密製品的成型加工，一般規格為合模力300t以內的小型機。近幾年，隨著對大型注塑成型製品市場需求的提高，全電動注塑機也向大型化發展。目前日本UBE機械集團已成功製造出世界上最大的全電動成型機，該機鎖模力為2000t，用一台AC伺服電機驅動塑化，兩台伺服電機驅動頂出。
3.2 智能化
隨著塑料製品加工業的進一步成熟，對塑料機械產業也提出了越來越高的要求。為實現高效、精確、節能的目標，智能化已成為塑機開發的新方向；設備單元的自動控制、參數的閉環控制、過程聯運在線反饋控制等電子與計算機技術都已在注塑機上得到了較廣泛的應用，特別是基於PC的開放式、模塊化控制技術越來越被塑機製造商看好。開放式的控制系統可使機器製造商快速而經濟地開發出滿足機器控制功能且量身定做的控制軟體；而模塊化系統使機器的柔性更高，應用更廣泛；使用PC作系統平台能在大大提高操作人員的易用性的同時，藉助PC強大的網路功能，機器製造商可實現對所售機器的遠程維護，這對提高生產效率和降低生產成本將起到顯著的效果。
同時，隨著計算機和網路技術的發展，使虛擬技術的實現成為可能。由於虛擬技術可以形成和提供虛擬空間環境；因此，注塑機生產廠家可以實行虛擬合作設計、虛擬合作製造。雖然虛擬技術的發展目前尚處於初始階段；但虛擬技術所蘊藏的巨大的經濟利益將為虛擬技術應用在注塑機設計製造中提供強大的推動力。
3.3 超高速化
由於塑料製品的應用領域不斷拓展，不僅縮短生產周期的要求強烈，而且薄壁化和結構複雜化製品的需求也越來越多；於是超高速注射成型技術應運而生，其注射速度高達1000-1500mm/s，遠遠超過傳統注塑機的100mm/s以及普通全電動注塑機的300-500mm/s。更有甚者，日本法那克公司採用線性馬達的[SUPERSHOTIIOi]型全電動注塑機注射速度高達2000mm/s。
4 國內全電動注塑機的發展展望
全電動注塑機與油壓式注塑機相比，有其不足的一面，如缺乏比價優勢(前者的銷售價格為後者的3-5倍)，且機械部件傳動的磨損將導致注射精度的降低、後期維修相對不便及維護成本較高等缺陷；所以近期內全電式塑機取代傳統注塑機成為主導型產品的可能性不大。但作為塑機行業的高端產品，全電動式注塑機以其優異的節能、清潔和控制特性，已獲得越來越多生產廠家的青睞，近幾年在國際市場上的市場佔有率逐年大幅提升；隨著高精度塑件的普遍應用和製造成本的降低，未來發展空間巨大。
國內由於注塑機的整體起步較晚，全電動式塑機的發展才剛剛開始。目前國內注塑機生產廠家雖已在該領域有所突破，但尚未形成產業化，技術上與先進國家(如日本)相比還存在較大差距，特別是關鍵零部件生產尚需引進。引進雖然是迎頭趕上的捷徑，但一味的引進一方面把產品的利潤很大一部分讓給了國外先進廠商，另一方面也難以實現整體超越的轉變，在國際競爭中難以找到自身的位置。為此，需樹立一個全新的觀念，即引進的並不一定是最先進的。以往的經驗表明，引進的技術往往與國外的先進技術保持10年以上的差距；要迎頭趕上，就必須從發明開始。所以，要優化我國的注塑機結構，發展高精度、高技術含量的全電動式注塑機，搶佔行業的高端領域，國家須給予政策及導向等方面的支持及引導，除設立該類機型的研發專項補助資金外，在稅收、貸款上給予優惠政策；在注塑機生產廠家集中的地區，政府應出台相關人才引進的配套優惠政策，提高廠家的開發積極性，為把我國從塑機生產大國轉變成塑機生產強國奠定堅實的基礎。
