注射成型鎖模力重復(fù)精度影響因素的研究

王小華，謝鵬程，張攀攀，丁玉梅，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

注射成型鎖模力重復(fù)精度影響因素的研究

王小華，謝鵬程，張攀攀，丁玉梅，楊衛(wèi)民＊

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

討論了傳統(tǒng)鎖模力重復(fù)精度測(cè)試方法的特點(diǎn)，使用瑞士Baumer鎖模力感測(cè)儀研究了鎖模力重復(fù)精度的影響因素。結(jié)果表明，開(kāi)合模位置以及開(kāi)合模速度的變化對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響可以忽略不計(jì)；基于Baumer鎖模力感測(cè)儀的鎖模力重復(fù)精度測(cè)試方法相比于傳統(tǒng)測(cè)試方法具有操作簡(jiǎn)單、高效精確的特點(diǎn)。

注塑機(jī)；鎖模力重復(fù)精度；拉桿；應(yīng)變

0 前言

注塑機(jī)主要由注射裝置、合模裝置、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大部分組成。合模裝置是保證成型模具可靠地閉緊和實(shí)現(xiàn)模具啟閉動(dòng)作及頂出制品的部件，鎖模力重復(fù)精度是注塑機(jī)的主要性能參數(shù)之一，也是精密注射成型的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一［1］。注射成型過(guò)程中合模裝置4根拉桿的受力情況是變化的，注塑機(jī)拉桿受力情況如圖1所示。從圖中可以看出，注塑機(jī)模板與拉桿形成封閉力系，當(dāng)合模裝置的4根拉桿處于合模狀態(tài)時(shí)，承受的是拉力，4根拉桿所承受的拉力合力與鎖模力大小相等，方向相反［2］。注塑機(jī)模板和拉桿形成的封閉力系使模具受到鎖模力而閉緊，當(dāng)4根拉桿受力不均勻時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致模板施加在模具上的力不均衡，造成制品飛邊而影響制品質(zhì)量，甚至在合模時(shí)會(huì)發(fā)生拉桿斷裂，導(dǎo)致注塑機(jī)和模具的損壞［3］。傳統(tǒng)鎖模力重復(fù)精度測(cè)試方法包括以下2種：（1）應(yīng)變電測(cè)法［4－5］；（2）磁附式感測(cè)法［6］。

圖1 注塑機(jī)拉桿受力情況Fig.1 The forces for tie bars of injection molding machines

應(yīng)變電測(cè)法主要原理是利用粘貼式電阻應(yīng)變片、轉(zhuǎn)換箱、靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量處理儀將合模時(shí)4根拉桿的受力應(yīng)變位移量轉(zhuǎn)換成模擬電量輸出，將非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出，然后再通過(guò)有關(guān)計(jì)算、修正得出實(shí)際鎖模力。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，需要粘貼溫度補(bǔ)償片以補(bǔ)償溫度變化造成的影響［4－5］。該方法存在應(yīng)變片粘貼困難，應(yīng)變片使用壽命短，測(cè)試準(zhǔn)備工作繁瑣，測(cè)量結(jié)果重復(fù)精度低，測(cè)量環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。

磁附式感測(cè)法主要原理是將應(yīng)變片放置在2個(gè)磁鐵之間的不銹鋼箔下，強(qiáng)勁的磁力通過(guò)螺栓、螺母及橡膠墊使應(yīng)變片緊貼在拉桿表面，從而在應(yīng)變片、鋼箔及拉桿表面之間產(chǎn)生強(qiáng)大的相互作用摩擦力。當(dāng)拉桿表面受力發(fā)生形變時(shí)，由于摩擦力的相互作用，在磁力作用下緊貼在拉桿表面的應(yīng)變片和拉桿發(fā)生同樣的形變，從而實(shí)現(xiàn)鎖模力的測(cè)量。磁附式感測(cè)法使用摩擦力與磁力替代粘貼應(yīng)變片膠水的黏附力，避免了應(yīng)變片粘貼的繁瑣步驟以及一次性使用的缺點(diǎn)，測(cè)試重復(fù)精度較高，解決了傳統(tǒng)應(yīng)變電測(cè)法安裝測(cè)試?yán)щy，測(cè)量精度低的不足。但由于安裝應(yīng)變片時(shí)采用的是體積及質(zhì)量較大的鋼殼，且通過(guò)磁力壓緊，因此這種測(cè)試方法不太適合在具有較大且連續(xù)沖擊載荷的在線生產(chǎn)制品場(chǎng)合上測(cè)量鎖模力，僅適合于注塑機(jī)鎖模力調(diào)試和試模 時(shí) 使 用［6］。瑞 士 Sensormate AG 公 司 生 產(chǎn) 的QE1008－Sensors鎖模力測(cè)試儀基于磁附式感測(cè)法，磁附式感測(cè)法結(jié)構(gòu)原理與QE1008－Sensors鎖模力測(cè)試儀如圖2所示。

圖2 磁附式感測(cè)法結(jié)構(gòu)原理與QE1008－Sensors鎖模力測(cè)試儀Fig.2 Structure principle of magnetic enclosed test method and QE1008－Sensors

瑞士Baumer鎖模力感測(cè)儀的主要原理與磁附式感測(cè)法相類似，只是將螺紋緊固的預(yù)緊力替代了電磁力，因而該方法不受連續(xù)沖擊載荷的影響，可以在正常工況下實(shí)現(xiàn)鎖模力的測(cè)量，該測(cè)試方法不僅適用范圍寬，環(huán)境因素影響小，而且具有操作簡(jiǎn)單、高效精確的特點(diǎn)。Baumer鎖模力感測(cè)儀通過(guò)檢測(cè)拉桿在拉伸或壓縮狀態(tài)下直徑的微小變化量，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大作用顯示拉桿的實(shí)際變形量，拉桿變形量經(jīng)過(guò)換算輸出鎖模力值［7－8］，Baumer鎖模力感測(cè)儀及其測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 Baumer鎖模力感測(cè)儀測(cè)量原理圖Fig.3 Measurement mechanism of Baumer strain clamps

本文基于瑞士Baumer鎖模力感測(cè)儀對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，明確合模系統(tǒng)的鎖模力波動(dòng)對(duì)制品成型缺陷的影響，完善鎖模力重復(fù)精度影響因素的理論研究，保證塑料制品的精密注射成型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)使用Baumer鎖模力感測(cè)儀研究GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)的鎖模力重復(fù)精度［9］，注塑機(jī)及鎖模力測(cè)量夾安位置如圖4所示。

圖4 GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)和鎖模力測(cè)量裝置的安裝位置Fig.4 Installation position of clamping force measurement device and GSK AE80－32Hall－electric IMM

按照要求接線完畢，注塑機(jī)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為手動(dòng)狀態(tài)，在開(kāi)合模的實(shí)際工作狀態(tài)下運(yùn)行Inspect Master軟件完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)記錄開(kāi)合模狀態(tài)下拉桿的應(yīng)變量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5（a）所示。根據(jù)公式進(jìn)行鎖模力重復(fù)精度的計(jì)算，結(jié)果表明，GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)的鎖模力重復(fù)精度完全符合塑料機(jī)械行業(yè)精密注塑機(jī)的鎖模力重復(fù)精度標(biāo)準(zhǔn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)采用全電動(dòng)合模系統(tǒng)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠提供開(kāi)合模動(dòng)作所需的動(dòng)力，而伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速容易受電壓波動(dòng)的影響，伺服電機(jī)在正常工作狀態(tài)下的振動(dòng)是導(dǎo)致鎖模力波動(dòng)，最終影響重復(fù)精度的主要因素。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，精密注射成型機(jī)的鎖模力重復(fù)波動(dòng)應(yīng)不大于1.0%，因此，鎖模力的微小波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，對(duì)制品精密注射成型質(zhì)量的影響可以忽略。

圖5 鎖模力重復(fù)精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of clamping force repeatability

為了驗(yàn)證Baumer鎖模力感測(cè)儀測(cè)試鎖模力重復(fù)精度的精確度，我們進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探討感測(cè)儀的實(shí)驗(yàn)影響因素。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在初始實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上變換測(cè)量夾的位置，即A、B信號(hào)測(cè)量夾安裝在初始實(shí)驗(yàn)B信號(hào)測(cè)量夾的位置；C、D信號(hào)測(cè)量夾安裝在初始實(shí)驗(yàn)C信號(hào)測(cè)量夾的位置。手動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行開(kāi)合模動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為10次，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5（b）所示。從圖中可以看出，A、B信號(hào)測(cè)量夾所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)具有高度的重復(fù)一致性；C、D信號(hào)測(cè)量夾所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)同樣具有高度的重復(fù)一致性。測(cè)量數(shù)據(jù)曲線的相似性可用于表征感測(cè)儀的可重復(fù)性與精確度，因此，Baumer鎖模力感測(cè)儀用于鎖模力的測(cè)試具有較高的可重復(fù)性與精確度。

為了探究鎖模力重復(fù)精度的影響因素，我們進(jìn)行了2組參數(shù)評(píng)估實(shí)驗(yàn)，分別研究開(kāi)合模位置、開(kāi)合模速度對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響。第1組實(shí)驗(yàn)在保證相同開(kāi)合模速度的前提下，改變開(kāi)模停止位置，實(shí)驗(yàn)比較鎖模力測(cè)試結(jié)果；第2組實(shí)驗(yàn)在保證開(kāi)模停止位置的前提下，改變開(kāi)合模的速度，實(shí)驗(yàn)比較鎖模力測(cè)試結(jié)果。評(píng)估實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1，表2所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同一測(cè)量夾測(cè)量對(duì)應(yīng)拉桿的變形量，即同一測(cè)量夾采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映的是同一拉桿在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下的拉桿應(yīng)變量。分別對(duì)每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比較，繪制柱狀圖進(jìn)行結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖6所示，從圖6（a）中可以看出，在不同的開(kāi)模停止位置條件下，各測(cè)量夾采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有高度一致性，因此，Baumer鎖模力感測(cè)儀的鎖模力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受開(kāi)模停止位置的影響。從圖6（b）中可以看出，在不同的開(kāi)合模速度實(shí)驗(yàn)條件下，各測(cè)量夾采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有高度一致性，即鎖模力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受開(kāi)合模速度變化的影響，表明在正常的工作狀態(tài)下同樣可以進(jìn)行鎖模力重復(fù)精度的測(cè)試。

表1 第1組評(píng)估實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of the 1st group assessment experiment

表2 第2組評(píng)估實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings of the 2nd group assessment experiment

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Comparison of experimental results

2 結(jié)果與討論

2.1 鎖模力重復(fù)精度分析

本研究使用瑞士Baumer鎖模力感測(cè)儀在廣州數(shù)控GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)上進(jìn)行鎖模力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算其鎖模力重復(fù)精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)的鎖模力重復(fù)精度完全符合精密注射成型設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全電動(dòng)注塑機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠提供肘桿機(jī)構(gòu)合模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)合模動(dòng)作所需的動(dòng)力，而伺服電機(jī)作為主動(dòng)力源其轉(zhuǎn)速容易受電壓波動(dòng)的影響而在正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生微小振動(dòng)，最終影響鎖模力的重復(fù)穩(wěn)定性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)的鎖模力重復(fù)精度完全符合塑料行業(yè)對(duì)于精密注射成型機(jī)的定義，鎖模力的微小波動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，對(duì)制品精密注射成型質(zhì)量的影響可以忽略。

2.2 開(kāi)合模位置對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響

從圖6（a）可以看出，設(shè)定5組開(kāi)合模停止位置變量研究鎖模力重復(fù)精度的影響因素，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，開(kāi)模停止位置的變化對(duì)鎖模力測(cè)試結(jié)果基本沒(méi)有影響。肘桿式合模機(jī)構(gòu)開(kāi)合模過(guò)程中鎖模力隨著動(dòng)模板位置的變化而變化，鎖模力最大值出現(xiàn)在模具動(dòng)模與定模閉合鎖緊的一瞬，此時(shí)肘桿結(jié)構(gòu)完全伸展，拉桿的變形量也是最大，鎖模力測(cè)試記錄拉桿變形量的最大值轉(zhuǎn)換輸出。因此，只要保證肘桿機(jī)構(gòu)完全伸展，拉桿的變形量即可達(dá)到最大值鎖緊模具，開(kāi)模停止位置的變化不會(huì)影響鎖模力的測(cè)試結(jié)果。

2.3 開(kāi)合模速度對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響

開(kāi)合模速度設(shè)置的合理性是影響制品精密注射成型質(zhì)量以及保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。設(shè)置較高的開(kāi)合模速度可以提高生產(chǎn)效率，但考慮到模具的安全性保護(hù)又希望能適當(dāng)?shù)亟档烷_(kāi)合模速度，因此開(kāi)合模速度通常按照“慢－快－慢”的順序進(jìn)行設(shè)置。為了研究開(kāi)合模速度的變化對(duì)鎖模力測(cè)試結(jié)果的影響，我們進(jìn)行了第二組實(shí)驗(yàn)，如圖6（b）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)合模速度的變化對(duì)鎖模力重復(fù)精度測(cè)試結(jié)果的影響可以忽略。鎖模力的最大值出現(xiàn)在模具完全鎖緊以后，動(dòng)模板移動(dòng)過(guò)程的參數(shù)變化與鎖模力的測(cè)試結(jié)果無(wú)關(guān)。

3 結(jié)論

（1）GSK AE80－32H全電動(dòng)注塑機(jī)鎖模力重復(fù)精度完全滿足塑料機(jī)械行業(yè)對(duì)精密注射成型機(jī)械所定義的標(biāo)準(zhǔn)；

（2）基于Baumer鎖模力感測(cè)儀的鎖模力測(cè)試方法具有較高的可重復(fù)性與精確度；

（3）開(kāi)模停止位置以及開(kāi)合模速度的變化對(duì)鎖模力重復(fù)精度的影響較小，可以忽略不計(jì)；

（4）基于Baumer鎖模力感測(cè)儀的鎖模力測(cè)試方法與傳統(tǒng)鎖模力測(cè)試方法相比，具有操作簡(jiǎn)單、高效精確的特點(diǎn)。

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Study on Factors Influencing Clamping Force Repeatability of Injection Molding Machines

WANG Xiaohua，XIE Pengcheng，ZHANG Panpan，DING Yumei，YANG Weimin＊
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Characteristics of conventional measurement methods of clamping force repeatability was discussed.Influencing factors on clamping force repeatability were investigated by Baumer strain clamps（Switzerland）.It was found that the influences of variations of mold closing/opening position and speed could be neglected.The test methods of clamping force repeatability based on Baume strain clamps had characteristics of easy operation and high accuracy.

injection molding machine；clamping force repeatability；tie bar；strain

TQ 320.66＋2

B

1001－9278（2012）01－0098－05

2011－05－24

國(guó)家自然基金項(xiàng)目資助（21174015）

＊聯(lián)系人，yangwm＠m(xù)ail.buct.cn

（本文編輯：劉本剛）