汽车塑料燃油箱多层共挤中空成型技术

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与金属燃油箱比较，塑料油箱具有多种优点，如质量轻、形状自由度大、研制周期短、费用低、方便汽车设计制造与改型、安全可靠性高、耐冲击、耐腐蚀、不爆炸等。
# n  D# X" w; k由于汽油化学分子结构与HDPE类似，根据相似相容原理，其有效成份会湿润HDPE油箱表面，逐渐扩散到容器内部并渗透到外界而气化损失掉，这是HDPE燃油箱的缺点。随着汽车工业技术的发展、环保与安全要求的不断提高，各国对塑料燃油箱阻渗性能的要求越来越高，高阻渗性已成为当今汽车塑料燃油箱的发展趋势。
- F" H& a( P/ V* z3 ~提高汽车塑料燃油箱阻渗性主要有三种方法：氟化处理、层状掺混和多层共挤。由于氟化处理中氟气需要回收处理，有一系列的环保问题。层状掺混技术在实际的生产操作时，对挤出机螺杆混炼性能要适度，非常难以把握；并且层状掺混塑料燃油箱的机械性能低，阻渗性相对较差而且不太稳定。比较之下，用多层共挤方法生产具有阻渗性汽车塑料燃油箱成为第一选择。从国内近几年新投用的汽车塑料燃油箱成型设备来看，多层共挤中空机占绝大多数也可证实这一点。
多层共挤中空机系统组成
用于汽车多层塑料燃油箱成型的多层共挤中空机与用于单层塑料燃油箱成型的储料式中空机所不同的是挤出系统和机头。多层共挤中空机机头及型坯的典型结构如图1所示，其型坯共有六层。从外分别是焊接层、回收料层、粘结层、阻隔层、粘结层、内层。
- k( P6 Y1 C$ p  P2 d  C/ \大型中空机从开始到现在，其基本构成并无多大变化，一般包括：挤出机、机头、合模装置、吹胀装置、制品取出装置、液压站、电控系统。一般的外辅设备还包括：混送料系统、余料粉碎回收系统等。
3 F/ B5 f6 E5 D' ]# Z# @1 ^* `大型中空机按其挤出型坯的方式可分为储料式和连续挤出式，而按型坯的结构又可分为单层或多层。目前，国内的200双L全塑工业桶绝大多数采用单层储料式中空机吹制。市场对汽车燃油箱阻渗性能的要求越来越高，单层塑料燃油箱将逐步被淘汰，取而代之的是多层塑料燃油箱。相应地，多层中空机组在塑料吹塑汽车燃油箱的成型设备所占的份额日益扩大。
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5 v8 E4 s' f, ~: ]) W( n* s多层共挤中空机头及型坯的典型结构挤出系统
- x# Z. M! Y/ m) C0 r! c多层塑料燃油箱中空机一般有六台挤出机，分别塑化挤出每一层。其中内层、焊接层为主料，与单层燃油箱所用的原料相同。阻隔层为EVOH或PA6/66。常用的牌号：EVOH为EVAL F101A、Soarnol DT2903（Nippon Gohsei）；PA6/66为Ultramid C35（BASF）、Durethan C38（Bayer）；粘结层为马来酸酐接枝改性的LDPE或HDPE，常用的牌号为Admer GT-5A（Mitsui）、Bynel4006（Du Pont）等；回收料层所用的是型坯的料头及废制品的粉碎料，含以上成份。
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图2 JEW公司挤出机螺杆头部设计的混炼元件多层塑料燃油箱中各层的厚度比例由挤出系统控制。各挤出机稳定的挤出性能是实现这一目标的基础，所以内层、焊接层、回收料层、粘结层都必须采用IKV结构的挤出机，失重式加料系统也广泛采用。容易被忽视的方面是回收料粉碎状态。如果粉碎不均匀，该层的挤出压力会波动很大，进而影响到各层的比例关系。所以，回收料往往被单独造粒再加以使用。
回收料层中有多种原料成份，该层挤出机要有很好的混炼能力，使得EVOH或PA6/66在HDPE中以小于0.02mm的微粒状态均匀分布。多种混炼器因此被使用。静态混炼器、新型的拉伸混炼器等被放置在挤出机与机头之间。JEW公司在挤出机螺杆头部设计了如图2所示的混炼元件。
机头
5 w8 }' @) z# }4 k4 o连续挤出式多层共挤机头，其各层流道均匀挤出显得尤为重要。流道设计多采用螺旋型流道设计。螺旋流道的优点是无论是单层还是多层，各层在圆周方向均不会出现明显的熔合缝区。但其主要问题是随着层数的增多，对中空机而言，由于空间上的限制，螺旋流道的设计会变得异常困难，因此，在较多层数的情况下，也采用心形包络流道设计，但各层熔合缝区需错开分布。
随着技术发展，机头流道的设计，也实现了计算机仿真模拟。大型的、专门用于模头设计的2D、3D、CAE软件已经出现。秦川集团开发的六层共挤大型机头及1000L储料机头中，就引进了Futuresoft公司的大型计算机设计分析软件FLOW2000，该软件包括了从2D流动、3D流动、螺旋流道、心形包络流道，共挤流动等多种分析，能模拟显示熔体在流道内流动时各处的温度分布、压力分布、剪应力分布、流率分布、滞留时间，并可据此对流道的设计进行指导，寻求最佳方案。采用大型分析软件，不但解决了过去许多无法进行的分析计算，使得机头设计建立在可靠的理论基础之上，提高了大型机头的设计质量，减少了设计风险。应该说，此类大型软件的出现，是机头、口模设计制造领域内最重要的技术进展。
型坯壁厚控制
中空机机头的型坯壁厚控制是一项关键技术。型坯壁厚控制分为轴向控制（AWDS）和径向控制（PWDS）两种形式。目前的大型中空机上一般都具有轴向型坯控制功能，其控制点从24点到256点不同，轴向壁厚控制的作用是使得注出的料坯根据制品不同的吹胀比沿轴向获得不同的厚度，从而基本保证最终制品有比较均匀的壁厚分布，它是通过芯模预设的位置作轴向运动而改变模头的开口量来达到改变坯厚的目的。
& V. p3 ]8 E" ^" }- T8 z8 {3 B) X" T轴向壁厚控制虽能改善制品的壁厚分布，但由于其排出的型坯在水平截面内仍呈等厚圆形，对部分在某一对称方向有较大拉伸要求的制品则显得仍不是最佳，因此产生了径向壁厚控制技术。径向控制技术可以使挤出的型坯在某要求的区段内呈非圆截面的变化（一般为椭圆或菱圆）。轴向壁厚控制与径向壁厚控制的联合作用，可获得最佳的型坯，亦可获得更为理想的制品壁厚分布。
径向壁厚控制技术发展到今天，基本上形成了两种典型的设计，一种被称为挠性环式，一种为口缘修形式。挠性环式是通过电液伺服控制薄壁挠性环在一个或两个对称方向上的变形来改变挤出型坯的厚度。它的特点是无论吹制什么形状的制品，只要其口模直径不变，则径向控制都能发挥作用。该结构存在的主要问题是挠性环的疲劳寿命有限，容易发生损坏，且更换制作一副新的挠性环零件价格昂贵。口缘修形式改变型坯壁厚是靠修形口环的上下移动来实现的。与挠性环结构相比，它最大的优点是使用寿命长，而且一旦需要更换，有基本机加工能力的工厂即可承担。在有的设计中，口环的修缘部分做成活块嵌入式，方便了更换，减少更换时的成本。英国一家公司拥有这项技术的专利权。
径向壁厚控制技术对于提高大型中空制品的质量无疑是一个有效的方法，同时它还能在保证质量的同时，减轻制品的质量。但是加一套大型的径向壁厚控制装置的附加费用也是较高的，以SIG公司的报价为例，配一套带两个伺服油缸的Φ220mm直径挠性环式径向控制器，其报价为20余万德国马克。高昂的费用，限制了用户广泛选用径向壁厚控制器，尤其是大型中空机的用户。对于1000L以上的中空机，由于制造上的困难，设备制造厂家一般也不提供径向壁厚控制装置的设备选项。
* u) k$ b+ X0 R" r8 l7 w作为一种替代，许多用户为了弥补缺少径向控制装置的不足，采取一种简单但也是行之有效的方法，即芯模修形法。其具体作法是在具有轴向壁厚控制功能的机头上，对其芯模的特定位置进行修形，从而在轴向控制的同时，近似获得在径向上壁厚的非圆变化量。当然，这种修形需要有一定的经验，应具体分析制品的情况，从而确定修形的位置、方位、修形量以及修形的形状，一般修形时要注意严格的对称。
  p" c) D; L: o9 U0 @大型中空机还可用于多种产品的生产，如户外的中空桌椅、可拆卸使用的中空周转箱、高速公路中间隔离板等。汽车上的一些零件也可采用中空吹塑的方法制作，如座椅、通风管、扰流板、塑料燃油箱加油管等。以上制品都采用储料式中空机制作。如果对燃油箱阻渗性有要求，则塑料燃油箱加油管也会采用多层共挤中空机成型。
文章关键词： 汽车、塑料、燃油