傳感器在注塑模具中的應(yīng)用

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司,重慶400712)

在注塑成型過(guò)程中,正確掌握和精確控制模腔壓力和模腔溫度是成型高質(zhì)量塑件十分重要的條件。對(duì)模腔壓力或溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,并對(duì)其檢測(cè),優(yōu)化了注塑工藝。而使用傳感器是有效,精確地控制注塑模具的模腔壓力/溫度的重要工具。本文闡述傳感器在模腔壓力/溫度的監(jiān)測(cè)應(yīng)用,以達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控注塑過(guò)程質(zhì)量。

1 傳感器的基本原理

1.1 傳感器的定義

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7665-87對(duì)傳感器定義:“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”[1]。傳感器是一種檢測(cè)裝置,能感受到被測(cè)量的信息,并能檢測(cè)感受到的信息。即:利用一定的物質(zhì)(物理、化學(xué)、生物)法測(cè)、定理、定律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換,并輸出與輸入嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的器件和裝置均可稱為傳感器[2]。

1.2 傳感器組成與分類

傳感器種類繁多。其工作原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域各不相同,所以結(jié)構(gòu)、組成差異很大。但總的來(lái)說(shuō),傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測(cè)量電路組成,還有輔助電源,如圖1所示。

圖1 傳感器組成框圖Fig.1 Sensor composition diagram

敏感元件是傳感器中能直接感受被測(cè)量的變化,并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量元件,是傳感器的核心。轉(zhuǎn)換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。測(cè)量電路又稱轉(zhuǎn)換電路或信號(hào)調(diào)理電路,其作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理,如放大、線性化、補(bǔ)償?shù)?以獲得更好的特性,便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能[3]。傳感器的分類五花八門。本文主要選擇適合模具使用的壓力傳感器和溫度傳感器。

1.3 壓力傳感器

壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的,也稱壓電傳感器。主要利用石英(二氧化硅)晶體是各向異性的,而非晶體是各向同性的。晶體介質(zhì),當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí),就產(chǎn)生了極化效應(yīng);當(dāng)機(jī)械力撤掉之后,又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài),也就是受到壓力的時(shí)候,某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng),這就是所謂的極化效應(yīng)[3]?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器是把冷端(與儀表相接的兩端)與熱端(要求測(cè)量的溫度端)之間的溫度差異轉(zhuǎn)化為電動(dòng)勢(shì)(電壓)的傳感器。溫度傳感器兩端均處于20℃環(huán)境溫度下,在熱端加熱,要求儀表測(cè)量出加熱端的溫度。顯然,這時(shí)熱端(加熱處)和冷端(接二次儀表的兩端)有溫度差,此溫度差就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)(電壓),相應(yīng)地也會(huì)產(chǎn)生電流。因所產(chǎn)生的熱電勢(shì)(電壓)與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系,儀表將溫度差產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)化為溫度,溫度值就會(huì)出現(xiàn)在儀表上[2]。

2 壓力傳感器控制模腔壓力的使用方法

在模腔中常用的壓力傳感器有:直接型、間接型和非接觸型。

2.1 直接型傳感器

直接型傳感器是通過(guò)在模腔后面鉆一個(gè)安裝孔而插入模腔的。它的頂部與模腔的表面平齊,傳感器前端直徑為9.5 mm,6 mm,4 mm,2.5 mm或1 mm。盡可能選用前端直徑大的傳感器。傳感器與熔體直接接觸,測(cè)量精度非常高,其電纜則從模具中穿過(guò)而與位于模具外表面的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口相連接。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到脫模時(shí)的壓力干擾。傳感器不能有預(yù)載,以保證傳感器產(chǎn)生的信號(hào)全部來(lái)自于模腔壓力。但是在高溫條件下它很容易損壞,造成安裝困難。如圖2所示。

2.2 間接型傳感器

圖2 直接型傳感器Fig.2 Direct type sensor

間接型傳感器盡量安裝在頂桿后面,頂針能夠自由移動(dòng),是獲取可靠測(cè)量結(jié)果的保證。安裝孔尺寸精度非常重要,傳感器不能有任何預(yù)載,才能確保頂針力順利傳遞到傳感器上。傳感器頂部的推件銷的大小決定了所需傳感器的大小。由于頂桿的作用是向傳感器傳遞塑料熔體的壓力,故不同的制品要采用不同尺寸的頂桿。選用合適尺寸的傳感器,必須與頂針匹配。在使用間接型傳感器時(shí),還需考慮到頂針傳遞給傳感器力的大小,從而選擇合適量程的傳感器,保證傳感器受力均勻。如圖3所示。間接型傳感器是力傳感器,力除以頂針面積,就是模腔壓力。

2.3 非接觸型傳感器

非接觸型傳感器是應(yīng)變傳感器。通過(guò)螺紋固定在鑲件內(nèi)或安裝孔內(nèi)。模腔壓力與模具變形量密切相關(guān)。傳感器前端面必須和安裝孔底部接觸,安裝時(shí)必須均勻地?cái)Q緊傳感器,如圖4所示。應(yīng)變傳感器安裝在模腔后面的鋼板內(nèi),不會(huì)在制品表面留下任何痕跡,不會(huì)影響模腔表面的溫度場(chǎng)。非接觸型傳感器測(cè)量模具鋼的應(yīng)變,無(wú)需改變模具結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量的應(yīng)變表示模腔壓力,并用于成型監(jiān)測(cè)。

2.4 傳感器安裝位置

(1)如果壓力傳感器的安裝位置正確,則它能夠?yàn)槟Ｋ苌烫峁┳畲罅坑杏玫男畔ⅰ３艘恍┨乩酝?對(duì)于厚壁制品及無(wú)關(guān)鍵流動(dòng)長(zhǎng)度,用于控制模塑壓力的傳感器則應(yīng)當(dāng)安裝在模腔的前三分之一處。該區(qū)域內(nèi)的壓力信號(hào)非常強(qiáng),提供非常詳細(xì)的信息,評(píng)估分析整個(gè)成型過(guò)程的特點(diǎn),如圖5(a)所示。

圖3 間接型傳感器Fig.3 Indirect type sensor

圖4 非接觸型傳感器裝配Fig.4 Nlon-contact sensor assembly schemes

(2)對(duì)于薄壁制品,在流程末端安裝傳感器,薄壁制品注射速率非?？?保壓時(shí)間極短,工藝參數(shù)微小波動(dòng)都會(huì)造成流程末端填充問(wèn)題和尺寸問(wèn)題。傳感器要安裝在流程末端[4],監(jiān)測(cè)短射和尺寸波動(dòng),還能檢測(cè)流程末端熔接痕等問(wèn)題,如圖5(b)所示。

(3)對(duì)于流程/厚度比值很大制品,如保險(xiǎn)杠,由于內(nèi)應(yīng)力較大,因此,容易變形。安裝兩個(gè)傳感器測(cè)量模腔壓力下降,一個(gè)傳感器安裝在靠近澆口的位置,另一個(gè)傳感器安裝在流程的末端。通過(guò)這兩個(gè)位置的壓力差,監(jiān)測(cè)澆口附近過(guò)填充的問(wèn)題,如圖5(c)所示。

圖5 傳感器安裝位置示意圖 (黑色點(diǎn)為傳感器位置)Fig.5 Schematic of sensor installation location(black for sensor position)

壓力傳感器有時(shí)安裝在流道系統(tǒng)內(nèi),但是這會(huì)使傳感器監(jiān)測(cè)不到澆口的壓力。需要強(qiáng)調(diào)的是,當(dāng)注料不足時(shí),模腔底部的壓力為零[5]。因此,位于模腔底部的傳感器就成為監(jiān)測(cè)注料不足的重要手段。

3 溫度傳感器控制模腔溫度的使用方法

按傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類:接觸型和非接觸型。

3.1 接觸型溫度傳感器

接觸型溫度傳感器的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸。通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡,這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的溫度。該方法精度較高,并在一定程度上還可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。使用這種傳感器,在熔體接觸傳感器之前,溫度傳感器測(cè)量的是模具表面溫度,接觸之后,測(cè)量的是熔體接觸溫度。由于熱塑性熔體冷卻速率很快,溫度傳感器的遲滯,測(cè)量部位的接觸溫度要低于熔體溫度。然而,接觸溫度的最大值能夠間接地反映熔體溫度。溫度傳感器包括探頭、信號(hào)傳輸和接口組成[6]。其外形和壓力傳感器的基本相同,安裝及位置可參照壓力傳感器的使用方法。

3.2 非接觸型溫度傳感器

非接觸型溫度傳感器測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量與溫度有關(guān),并且以電磁波形式向四周輻射。當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí),便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量,并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào),實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。這種傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和在溫度范圍上的限制,但測(cè)量較粗糙,使用不方便。在模具中也不宜使用。

4 壓力/溫度傳感器一體控制方法

圖6 壓力/溫度組合傳感器Fig.6 Presscure/temperature combined sensor

對(duì)較重要或控制要求高的塑件,不僅需測(cè)量模腔壓力,也需測(cè)量熔體接觸溫度。對(duì)它們的監(jiān)測(cè)十分必要。壓力/溫度傳感器能同時(shí)測(cè)量模腔壓力及熔體的接觸溫度。壓力/溫度傳感器中采用兩個(gè)熱電偶電纜迅速采集溫度信號(hào),如圖6所示。壓力/溫度組合傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:僅需一個(gè)傳感器,在同一個(gè)位置同時(shí)測(cè)量壓力和溫度。壓力/溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便。溫度影響注塑成型過(guò)程,如模具溫度或熔體溫度。使用壓力/溫度組合傳感器是非常有必要的,監(jiān)測(cè)和分析注塑成型過(guò)程。溫度傳感器本身不適合制品質(zhì)量監(jiān)測(cè),至于成型過(guò)程控制,也并不適合。測(cè)量溫度僅反映注塑制品的某個(gè)局部特征。壓力/溫度組合傳感器安裝及位置可參照壓力傳感器的使用方法。

5 傳感器在模具中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

由于溫度傳感器本身不適合制品質(zhì)量監(jiān)測(cè),測(cè)量模腔壓力傳感器已被證明是優(yōu)化注塑過(guò)程的唯一有效方式。模腔壓力的注塑控制系統(tǒng)是確保生產(chǎn)過(guò)程高度一致性和質(zhì)量的方法,將給注塑工藝帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)。

5.1 減少次品率

模腔壓力的監(jiān)測(cè)將質(zhì)量保證融入整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,不再需要進(jìn)行終端產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn),減少質(zhì)量保證的成本。批量生產(chǎn)的個(gè)別零件檢測(cè)被擴(kuò)展到所有零件的完全監(jiān)測(cè)。對(duì)超出規(guī)定容差范圍的不合格零件,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在循環(huán)結(jié)束時(shí)立即做出反應(yīng),以防止接連出次品。而傳統(tǒng)的質(zhì)量保證只能在產(chǎn)品終端質(zhì)量檢驗(yàn)后才分辨出次品。質(zhì)量保證系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存檔,供未來(lái)調(diào)用,提供質(zhì)量依據(jù),證明生產(chǎn)過(guò)程符合規(guī)范。

5.2 縮短設(shè)置時(shí)間

注塑機(jī)設(shè)置由工藝員根據(jù)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的。由于質(zhì)量特征是準(zhǔn)確設(shè)置的決定因素,因這方法速度慢,且不準(zhǔn)確,其結(jié)果是設(shè)置的生產(chǎn)條件不盡合理,原料消耗成本高和設(shè)備利用率低。用模腔壓力優(yōu)化生產(chǎn),相應(yīng)的模腔壓力曲線被存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)需要重新設(shè)置設(shè)備時(shí),存儲(chǔ)的模腔壓力“記憶”作為參考曲線,優(yōu)化加工過(guò)程,使其與參考曲線對(duì)應(yīng)的過(guò)程相同,確保零件質(zhì)量一致。模具成為工藝中心,并且可從一臺(tái)注塑機(jī)移到另一臺(tái)注塑機(jī),監(jiān)測(cè)模腔壓力與設(shè)備無(wú)關(guān),而塑件能被獨(dú)立于注塑機(jī)而重復(fù)生產(chǎn)。

5.3 切換點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別

從注射到保壓的切換點(diǎn)是重要的過(guò)程參數(shù),對(duì)零件質(zhì)量和生產(chǎn)成本起關(guān)鍵作用。當(dāng)模腔內(nèi)部完全充滿時(shí)需要從注射階段切換到保持壓力階段。傳統(tǒng)的方式采用注射時(shí)間、螺桿位置、液壓壓力作為切換參數(shù)。這些方法的共同特征是規(guī)定一個(gè)閾值,當(dāng)參數(shù)達(dá)到閾值時(shí),控制切換。閾值通過(guò)手動(dòng)控制,經(jīng)反復(fù)多次確定,耗時(shí)多,成本高。

模腔壓力曲線可用于準(zhǔn)確識(shí)別模腔填充程度狀態(tài)。無(wú)論模腔的幾何形狀如何,注射階段后模腔壓力都會(huì)由于熔體被壓縮而迅速升高。模腔壓力曲線中的“拐點(diǎn)”發(fā)生在模腔完全被充滿的時(shí)刻,可用于觸發(fā)注塑機(jī)的切換,注塑機(jī)將自動(dòng)從注射階段切換到保持壓力階段。應(yīng)用這技術(shù)極大地減少了次品率和原料損耗。過(guò)程波動(dòng)所造成的影響在循環(huán)中得以補(bǔ)償。由于自動(dòng)識(shí)別切換點(diǎn),不再需要采用部分模腔填充反復(fù)試驗(yàn)設(shè)置參數(shù),顯著簡(jiǎn)化了設(shè)置工作。目前,瑞士奇石樂(lè)公司的傳感器在模具上應(yīng)用較廣泛。

6 結(jié)束語(yǔ)

傳感器及其系統(tǒng)在模具中的應(yīng)用,縮短試模試機(jī)時(shí)間,優(yōu)化成型過(guò)程,監(jiān)測(cè)成型過(guò)程,從而降低生產(chǎn)成本。模腔壓力和溫度是注塑成型過(guò)程參數(shù),直接決定注塑制品的質(zhì)量。根據(jù)模腔壓力/溫度優(yōu)化工藝參數(shù),縮短優(yōu)化所需時(shí)間。模腔壓力提供詳細(xì)的成型過(guò)程信息,從而指導(dǎo)工藝參數(shù)的快速優(yōu)化。提高生產(chǎn)率和降低成本是自動(dòng)監(jiān)控、優(yōu)化注塑過(guò)程的主要目的,也是傳感器用于模具中關(guān)鍵之處。

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