基于型腔壓力技術(shù)的科學(xué)調(diào)參

竇希宇，許宇軒，劉 剛，黨開放，謝鵬程

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 前言

在注塑過程中不變的工藝參數(shù)并不能保證制品品質(zhì)的一致性，但是通過型腔壓力改變的工藝參數(shù)卻能大大改善制品的品質(zhì)。注射成型過程中型腔壓力是各種工藝參數(shù)共同作用的結(jié)果[1]，從型腔壓力曲線上可以直觀地看出注射過程、注射轉(zhuǎn)保壓的切換點(diǎn)(V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn))、保壓補(bǔ)縮、保壓過程以及冷卻過程，最終成為衡量制品質(zhì)量的綜合指標(biāo)。通過壓力曲線的變化可以監(jiān)控零件品質(zhì)，用于分析零件質(zhì)量、尺寸、飛邊、縮水、短射和翹曲等特性，為型腔提供最穩(wěn)定的環(huán)境。運(yùn)用型腔壓力技術(shù)主要的優(yōu)點(diǎn)是：可以減少試模次數(shù)，提高試模效率；實(shí)現(xiàn)不同機(jī)臺(tái)與工作環(huán)境下的快速工藝再現(xiàn)；可以保證高質(zhì)量、高合格率產(chǎn)品的生產(chǎn)[2]。型腔壓力曲線的積分值作為型腔壓力的特征值，它可以用來檢測(cè)制品的合格范圍，探究各工藝參數(shù)與型腔壓力曲線積分值之間的線性關(guān)系，通過計(jì)算積分值來精準(zhǔn)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，大大提高產(chǎn)品合格率。

本文通過控制注射速率、V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)、保壓時(shí)間以及保壓壓力的變化得出型腔壓力曲線的變化，找出型腔壓力曲線積分與這4個(gè)變量之間的線性關(guān)系，從而做到調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使型腔壓力曲線精確的變化，從傳統(tǒng)中的模糊調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變成量化的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

1 探索型腔壓力與各工藝參數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)

1.1 型腔壓力曲線

在注塑生產(chǎn)過程中，對(duì)于不同模具產(chǎn)生的型腔壓力曲線不盡相同，但是各種型腔壓力曲線的大體趨勢(shì)是一致的，它們都可以反映熔體在模腔中流動(dòng)的情況，以及各個(gè)注塑工藝過程的狀態(tài)[4]。圖1是典型的型腔壓力曲線隨時(shí)間變化的曲線圖，從圖中可以看出注塑是一個(gè)由注射到保壓再到冷卻的動(dòng)態(tài)循環(huán)的過程[3-6]。

圖1 典型型腔壓力曲線Fig.1 Typical cavity pressure curve

從選取的6個(gè)特征點(diǎn)就可以看出整個(gè)注塑過程的狀態(tài)以及熔體流動(dòng)的情況。這些特征狀態(tài)點(diǎn)的意義如下：

(1)注射開始，熔體開始從料筒進(jìn)入流道；

(2)熔體到達(dá)型腔壓力傳感器的位置；

(3)此時(shí)填充狀態(tài)已結(jié)束，為速度控制轉(zhuǎn)壓力控制的切換點(diǎn)；

(4)補(bǔ)縮完成，為型腔壓力最大值點(diǎn)；

(5)保壓狀態(tài)結(jié)束，為澆口凝固點(diǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)用到的注塑機(jī)是由浙江省寧波市長(zhǎng)飛亞塑料機(jī)械制造有限公司出廠的VE1500II/430h全電動(dòng)式注塑機(jī)。

本實(shí)驗(yàn)采用的采集設(shè)備是Kistler公司生產(chǎn)的測(cè)量型腔壓力、型腔溫度的工具。整套設(shè)備包括溫壓一體式傳感器6189A、壓力電荷放大器1722A、溫度電荷放大器2205A、數(shù)據(jù)采集及處理裝置ComoNeo 5887A。

塑料制品注射成型時(shí)一模多腔的使用越來越普遍，所以使用的是一模八腔的拉伸試樣模具，在模具的近澆口安裝了2個(gè)溫壓一體傳感器，遠(yuǎn)澆口安裝了一個(gè)溫壓一體傳感器，如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor installation position

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)采用聚丙烯(PP)為原料，料筒溫度設(shè)置在220 ℃左右，首先使用經(jīng)驗(yàn)調(diào)參的方法將參數(shù)調(diào)到最佳，然后保證其他參數(shù)不變的情況下，每組實(shí)驗(yàn)只變化注射速率、V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)、保壓壓力和保壓時(shí)間其中的一個(gè)量，具體每組的實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化如表1所示。

表1 每組實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的變化

Tab.1 Changes of technological parameters in each group

每組實(shí)驗(yàn)中參數(shù)變化一次做2組實(shí)驗(yàn)，取2組實(shí)驗(yàn)得出積分值和制品質(zhì)量的平均值。將一組的實(shí)驗(yàn)圖形都繪制在一起，近澆口處可以顯示出更多的注塑信息，所以對(duì)近澆口處型腔壓力曲線的積分值即面積，稱取每次得出制品(流道和拉伸試樣整體)的質(zhì)量，將數(shù)據(jù)整理后找它們之間的線性規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)的目的在于探索型腔壓力曲線面積積分和制品質(zhì)量與4個(gè)工藝參數(shù)(保壓時(shí)間、保壓壓力、V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)和注射速率)之間的線性關(guān)系，并且找出型腔壓力曲線對(duì)于這4個(gè)變量的響應(yīng)情況：

2.1 保壓時(shí)間的線性規(guī)律

由于實(shí)驗(yàn)使用的是標(biāo)準(zhǔn)的兩階段成型工藝，所以這里提到的保壓時(shí)間是包括補(bǔ)縮和保壓兩階段的時(shí)間，從V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)直到澆口凍結(jié)這段時(shí)間對(duì)于型腔壓力的影響。保壓時(shí)間對(duì)型腔壓力有非常的重要的影響，圖3是保壓時(shí)間從1 s逐漸增大到13 s型腔壓力曲線的變化趨勢(shì)圖，我們可以看出，在保壓時(shí)間小于6 s的時(shí)候型腔壓力曲線積分值隨保壓時(shí)間的增加有顯著的增加趨勢(shì)，而在大于6 s時(shí)，由于型腔中熔體已處于飽和狀態(tài)時(shí)間對(duì)于型腔壓力的影響已經(jīng)明顯降低，所以保壓時(shí)間在超過6 s時(shí)澆口已經(jīng)處于封閉狀態(tài)，保壓時(shí)間設(shè)置為6 s是最佳狀態(tài)，如果保壓時(shí)間過長(zhǎng)的話，在開模之前型腔壓力就會(huì)回不到大氣壓。

所以型腔壓力曲線積分值與保壓時(shí)間之間的線性關(guān)系是兩段直線，且第一階段的斜率會(huì)比第二段的大很多，制品質(zhì)量與保壓時(shí)間之間的線性關(guān)系亦如此， 如圖4所示。圖4(a)中連接正方塊形成的直線是遠(yuǎn)澆口處型腔壓力曲線積分值與保壓時(shí)間的線性關(guān)系圖；連接五角星形成的直線是近澆口處型腔壓力曲線積分值與保壓時(shí)間的線性關(guān)系圖。圖4(b)是制品質(zhì)量與保壓時(shí)間的線性關(guān)系圖。

保壓時(shí)間/s：■—1 ●—2 ▲—3 ▼—4 ◆—5 ?—6?—7 —8 ★—9 —10 □—11 ○—12 ◇—13圖3 不同保壓時(shí)間下的型腔壓力曲線Fig.3 Cavity pressure curve at different holding time

2.2 保壓壓力的線性規(guī)律

本實(shí)驗(yàn)所指的保壓是包括了補(bǔ)縮的過程，而且在充填過程結(jié)束后注塑過程主要是受壓力的控制，所以保壓壓力所起到的作用就非常重要，它決定了型腔壓力峰值的大小，補(bǔ)縮充填量的大小。如果保壓壓力太小會(huì)使得型腔壓力過小從而導(dǎo)致各種缺陷比如：短射、表面凹痕、尺寸不合格、翹曲變形等[7]。

1—遠(yuǎn)澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質(zhì)量圖4 保壓時(shí)間與曲線積分值和制品質(zhì)量之間的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship among holding time, curve integral value and product weight

型腔壓力/MPa:■—34 ●—37 ▲—40 ▼—43 ◆—46 ?—49?—52 ●—55 ★—58 —61 □—64 △—70 ○—67圖5 不同保壓壓力下型腔壓力曲線Fig.5 Cavity pressure curves under different holding pressure

從圖5中我們可以看到，隨著保壓壓力的升高型腔壓力的峰值也會(huì)增加；并且從注射開始到澆口封閉所用的時(shí)間減少，也就是說保壓時(shí)間會(huì)變短；真正冷卻用的時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)。在保壓壓力過小時(shí)，保壓補(bǔ)縮過程并不能達(dá)到理想的型腔壓力峰值，型腔內(nèi)并不能填充滿導(dǎo)致制品表面出現(xiàn)缺陷。

對(duì)于兩階段注射工藝來說保壓的過程包括補(bǔ)縮和保壓，所以此時(shí)的保壓壓力對(duì)于注射過程是重要變量，保壓壓力的大小決定了補(bǔ)縮量，會(huì)影響到制品是否會(huì)產(chǎn)生縮痕或者飛邊，因此對(duì)于型腔壓力曲線的積分值和制品質(zhì)量也會(huì)隨著保壓壓力的增大而線性增大，如圖6所示。

1—遠(yuǎn)澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質(zhì)量圖6 保壓壓力與曲線積分值和制品質(zhì)量之間的線性關(guān)系Fig.6 Linear relationship among holding pressure, curve integral value and product weight

2.3 V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)的線性規(guī)律

如今大多數(shù)的注塑過程一般都是位置轉(zhuǎn)壓，但有時(shí)位置轉(zhuǎn)壓的精確性難以控制。如果轉(zhuǎn)壓點(diǎn)設(shè)置的過早型腔壓力會(huì)出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象，因?yàn)樽⑸鋾r(shí)型腔壓力還未達(dá)到轉(zhuǎn)壓的值就進(jìn)入了保壓階段，導(dǎo)致型腔壓力的突變形成了尖峰；如果轉(zhuǎn)壓點(diǎn)位置設(shè)置的過晚導(dǎo)致型腔內(nèi)部在注射過程就幾乎充滿，此時(shí)再進(jìn)行轉(zhuǎn)壓就會(huì)出現(xiàn)下凹峰，也就是說在轉(zhuǎn)壓點(diǎn)過晚的狀態(tài)下，型腔壓力曲線會(huì)出現(xiàn)雙波峰現(xiàn)象。具體情況如圖7所示。

轉(zhuǎn)壓位置/cm:■—7 ●—8 ▲—9 ▼—10 ◆—11 ?—12?—13 ?—14 ★—15 □—16 ○—17 △—18圖7 不同V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)下型腔壓力曲線Fig.7 Cavity pressure curves at different V/P pressure transition points

通過改變轉(zhuǎn)壓點(diǎn)的位置進(jìn)行注射實(shí)驗(yàn)，得出不同轉(zhuǎn)壓點(diǎn)狀態(tài)下，型腔壓力曲線的積分值的變化情況，如圖8(a)所示型腔圧力曲線積分值與轉(zhuǎn)壓點(diǎn)呈現(xiàn)線性關(guān)系，且得出的制品質(zhì)量也與轉(zhuǎn)壓點(diǎn)位置呈現(xiàn)線性關(guān)系如圖8(b)所示。

1—遠(yuǎn)澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質(zhì)量圖8 V/P轉(zhuǎn)壓點(diǎn)與曲線積分值和制品質(zhì)量之間的線性關(guān)系Fig.8 Linear relationship among pressure point V/P,curve integral value and product weight

注射速率/mm·s-1:■—60 ●—70 ▲—80 ▼—90 ◆—100?—110 ?—120 ★—130 □—140○—150 △—160 ▽—170 ◇—180圖9 不同注射速率下型腔壓力曲線Fig.9 Cavity pressure curves at different injection speeds

2.4 注射速率的線性關(guān)系

在注射過程中，注射速率占了主要的作用，注射速率控制注射過程避免了由于塑料黏度波動(dòng)對(duì)制品質(zhì)量帶來的影響，塑料熔體以固定的速率進(jìn)入型腔，不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此對(duì)于制品質(zhì)量也不會(huì)產(chǎn)生大的影響，能大大改善產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。注射速率對(duì)型腔壓力的影響也是非常明顯的，如圖9所示，隨著注射速率的增加，熔體進(jìn)入型腔的速度變快，并且型腔壓力峰值也有明顯增加。但是注射速率和型腔壓力曲線的積分值與制品質(zhì)量并不是線性關(guān)系。

2.5 科學(xué)調(diào)參方法

本文只是提供了一種精準(zhǔn)調(diào)節(jié)參數(shù)的方法，通過找到各工藝參數(shù)與型腔壓力曲線積分值之間的線性關(guān)系，來調(diào)節(jié)制品的質(zhì)量。對(duì)于保壓時(shí)間非常容易設(shè)置，我們可以看到保壓時(shí)間與圧力曲線積分值之間呈現(xiàn)兩段線性關(guān)系，所以在兩段線段之間的交點(diǎn)處的時(shí)間即為最佳保壓時(shí)間。對(duì)于另外3個(gè)參數(shù)與壓力曲線積分值之間呈現(xiàn)的是一段線性關(guān)系，所以根據(jù)制品出現(xiàn)的缺陷以及線性關(guān)系就可以調(diào)節(jié)參數(shù)的具體數(shù)值大小，最終得出良好的制品。根據(jù)此方法此臺(tái)注塑機(jī)的參數(shù)設(shè)置為：螺桿起始位置為79 mm，轉(zhuǎn)壓點(diǎn)為12 mm，注射速率為120 mm/s，保壓時(shí)間為6 s，保壓壓力為60 MPa。以此參數(shù)得出制品20模，通過計(jì)算制品質(zhì)量的波動(dòng)范圍為千分之0.8，且制品無缺陷。表2為得出的20模制品的質(zhì)量。

表2 調(diào)參后制品質(zhì)量

Tab.2 Product quality after adjustment

3 結(jié)論

(1)保壓時(shí)間與曲線積分值和制品質(zhì)量呈現(xiàn)兩段線性關(guān)系，保壓壓力以及轉(zhuǎn)壓點(diǎn)與曲線積分值和制品質(zhì)量呈現(xiàn)一段線性關(guān)系，但是注射速率并不能找出線性關(guān)系，說明注射速率對(duì)制品質(zhì)量的影響要弱于其他工藝參數(shù),且無規(guī)律可循；

(2)通過改變各工藝參數(shù)可以相對(duì)應(yīng)的觀察到型腔壓力曲線的變化趨勢(shì)，明確了對(duì)型腔圧力曲線某一特征點(diǎn)影響最大的工藝參數(shù)，證實(shí)了型腔壓力曲線積分值與各工藝參數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且制品質(zhì)量與工藝參數(shù)之間也呈現(xiàn)線性關(guān)系；

(3)型腔壓力曲線積分值作為型腔壓力曲線的一個(gè)特征值，可以作為制品質(zhì)量的指標(biāo)，文中得到工藝參數(shù)與型腔壓力曲線的積分值的線性關(guān)系，以及工藝參數(shù)與制品質(zhì)量的線性關(guān)系，結(jié)合這2種線性關(guān)系可以將型腔壓力曲線量化進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)參。