氣體反壓控制設(shè)備應(yīng)用研究

李帥，孫成通，孫雪梅＊，劉守奎

（1.臨沂大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.山東豪門鋁業(yè)有限公司，山東 臨沂 276022）

近年來，隨著注塑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對注塑產(chǎn)品的質(zhì)量有了更高的要求，這對注塑成型技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，并逐漸發(fā)展出許多新型注塑工藝，如發(fā)泡注塑、快速熱循環(huán)注塑、雙色注塑、表面氣輔注塑、模內(nèi)轉(zhuǎn)印注塑等。發(fā)泡注塑可有效減少原材料使用量，但常規(guī)發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面存在氣痕缺陷，無法直接作為外觀產(chǎn)品應(yīng)用，需經(jīng)二次加工后方可作為外觀產(chǎn)品使用，造成環(huán)境污染和資源浪費。為解決上述問題，人們利用提高模具溫度、減少發(fā)泡機制含量、新型發(fā)泡劑等方法，提高了發(fā)泡注塑件的表面質(zhì)量。除此之外，氣體反壓技術(shù)可在消除發(fā)泡注塑產(chǎn)品的表面氣痕缺陷的同時，提高塑件尺寸精度。目前，人們針對氣體反壓注塑在數(shù)值模擬、泡孔質(zhì)量、塑件性能及表面質(zhì)量等方面進行了諸多研究。

目前，市場上氣體反壓設(shè)備價格昂貴，操作較為復(fù)雜。因此，本文在研究氣體反壓注塑技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，研制相應(yīng)的控制裝置和控制系統(tǒng)，構(gòu)建注塑試驗線，實現(xiàn)化學(xué)發(fā)泡注塑外觀產(chǎn)品的生產(chǎn)。

1 氣體反壓技術(shù)原理與系統(tǒng)

氣體反壓注塑與常規(guī)注塑的本質(zhì)區(qū)別在于模腔氣體壓力的控制策略不同。常規(guī)注塑采用的是自排氣控制策略，模腔內(nèi)的氣體隨熔體填充過程被逐漸排出，而氣體反壓注塑需滿足模腔氣體壓力動態(tài)變化的技術(shù)要求，其過程可分為快速加壓、高壓保持和快速卸壓三個階段。

圖1 所示為本文提出的氣體反壓注塑系統(tǒng)，包括氣體反壓控制系統(tǒng)和注塑系統(tǒng)，兩者既相對獨立，又相互關(guān)聯(lián)。上述設(shè)計可在保證現(xiàn)有注塑系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的同時，通過信號通訊實現(xiàn)控制過程匹配，保障氣體反壓注塑工藝各過程的順利進行。

2 氣體反壓控制裝置

2.1 氣體反壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖1 氣體反壓注塑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架示意圖

氣體反壓控制系統(tǒng)主要由高壓氣體發(fā)生裝置、氣體回收裝置（或排空）、報警裝置、閥門管路轉(zhuǎn)換裝置、控制單元等組成，其與注塑機和模具的組成如圖2 所示。閥門管路轉(zhuǎn)換裝置主要由加壓閥、穩(wěn)壓閥、卸壓閥和高壓管路組成?？刂茊卧x用電路集成的智能數(shù)控表，實現(xiàn)信號通訊及下達控制指令，確保各執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動作；通過模具附近的氣體壓力傳感器和控制單元，實現(xiàn)對模腔氣體壓力的閉環(huán)控制。

圖2 氣體反壓注塑技術(shù)的結(jié)構(gòu)組成

2.2 控制單元硬件設(shè)計

控制單元主要控制閥門管路轉(zhuǎn)換裝置中各部件的動作，實現(xiàn)模腔氣體加壓、穩(wěn)壓和卸壓控制，并完成與注塑機系統(tǒng)的信號通訊。本文通過外部電路控制技術(shù)和注塑機信號通訊技術(shù)，提出了一種基于智能數(shù)控表控制的模腔氣體壓力控制單元。注塑機系統(tǒng)與智能數(shù)控表之間的信號通訊包括合模信號、氣體加壓信號、氣體卸壓信號和開模信號，兩者通過信息通訊進行動作匹配，有效確保整個成型過程的順利進行。圖3 所示為自主設(shè)計的外圍接線電路。

3 生產(chǎn)驗證

3.1 試驗設(shè)計

以常規(guī)注塑機為基礎(chǔ)，將氣體反壓控制系統(tǒng)與注塑機系統(tǒng)進行通訊連接，構(gòu)建氣體反壓發(fā)泡注塑試驗線。以盒形產(chǎn)品為研究對象，進行氣體反壓化學(xué)發(fā)泡注塑成型。選用PP作為成型材料，選用偶氮二甲酰胺（Azodicarbonamide，AC）作為發(fā)泡劑?；瘜W(xué)發(fā)泡注塑參數(shù)取值如下：熔體溫度210℃，熱流道溫度210℃，模具溫度50℃，注射時間1.6s，冷卻時間60s，AC 含量1.5%wt。氣體反壓參數(shù)取值如下：反壓壓力0.6MPa，反壓作用時間1.6s。

3.2 結(jié)果分析與討論

為研究氣體反壓技術(shù)對不同塑件表面的影響，盒形件表面設(shè)計成光滑表面和皮紋表面兩種。圖4 給出了成型產(chǎn)品的對比照片，其中I 部分為光滑表面放大照片，II 部分為皮紋表面放大照片。

圖3 控制單元主要接線示意圖

圖4 不同工藝成型的產(chǎn)品對比照片

由圖4 可以看出，皮紋表面設(shè)計可在一定程度上掩蓋塑件的表面氣痕缺陷，但塑件表面質(zhì)量仍較差。對于光滑表面和皮紋表面，氣體反壓技術(shù)均可有效消除塑件表面氣痕缺陷，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，獲得可直接作為外觀件應(yīng)用的發(fā)泡注塑產(chǎn)品。

氣體反壓化學(xué)發(fā)泡注塑產(chǎn)品整體表面質(zhì)量良好，表明研發(fā)的氣體反壓控制設(shè)備可滿足技術(shù)要求，保證填充過程中模腔氣體壓力的穩(wěn)定，從側(cè)面驗證了研制設(shè)備的有效性。

4 結(jié)語

（1）基于智能數(shù)控表、時間繼電器和外部控制電路，研發(fā)了氣體反壓控制系統(tǒng)的控制程序。對于光滑表面和皮紋表面的塑件，氣體反壓設(shè)備均可成型直接作為外觀件使用的化學(xué)發(fā)泡注塑產(chǎn)品。

（2）研發(fā)的設(shè)備可滿足成型技術(shù)要求，能夠保證熔體填充過程中模腔氣體壓力的穩(wěn)定。