注塑機(jī)開(kāi)模過(guò)程液壓沖擊與振動(dòng)測(cè)試分析

康獻(xiàn)民，鐘祺彬，譚艷雄，劉冬冬

（1.五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部,廣東 江門(mén)529000；2.廣東科仕特精密機(jī)械有限公司,廣東 江門(mén)529000）

0 引 言

肘桿式合模機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中，合模之后會(huì)有非常大的鎖模力[1-2]，并且鎖模力在開(kāi)模之前都沒(méi)能釋放完全，因此合模缸需要進(jìn)行卸壓，這就需要一開(kāi)始就高壓開(kāi)模，這將造成極大的瞬時(shí)沖擊[3-8]，對(duì)加工零件與設(shè)備造成較大的影響。對(duì)于注塑機(jī)的開(kāi)模振動(dòng)研究，華南理工大學(xué)的陳學(xué)峰[4]對(duì)合模過(guò)程的速度與應(yīng)力曲線(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化，改善了模板運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性；張友根[11]認(rèn)為開(kāi)模時(shí)的停頓現(xiàn)象是因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)肘桿機(jī)構(gòu)彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)換不匹配造成的，改為液壓馬達(dá)-滾珠絲桿-肘桿機(jī)構(gòu)的形式后，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的開(kāi)模運(yùn)動(dòng)；五邑大學(xué)的杜遙雪[12]通過(guò)考慮機(jī)構(gòu)非線(xiàn)性振動(dòng)、彈性動(dòng)力學(xué)及阻尼等因素對(duì)合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，改善了合模運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及合模位置的高精度。為了合理地對(duì)注塑機(jī)工作時(shí)的壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)注塑機(jī)開(kāi)模過(guò)程的液壓沖擊過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試分析。

1 肘桿式合模機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)工作原理

某型號(hào)注塑機(jī)合模部分采用液壓-雙曲肘式合模裝置，主要零部件有：合模液壓缸、尾板、曲肘連桿、調(diào)模裝置、頂出桿裝置、頂出桿、移動(dòng)模板、導(dǎo)柱和固定模板等。

圖1為肘桿式合模機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖，合模過(guò)程完成后，為了保證模具的合模力，活塞桿以很大的力推動(dòng)動(dòng)模板和定模板鎖緊，用來(lái)抵抗射膠巨大的沖擊力[9-10]。在完成注塑過(guò)程后，將開(kāi)始開(kāi)模。開(kāi)模過(guò)程由三個(gè)過(guò)程組成[11]：1）解鎖。壓力油從泵出來(lái)經(jīng)過(guò)三位四通電磁閥換向閥到達(dá)合模油缸有桿腔，實(shí)現(xiàn)肘桿機(jī)構(gòu)瞬間解鎖。2）啟模。肘桿鉸接點(diǎn)在有桿腔壓力油的作用下實(shí)現(xiàn)解鎖，肘桿機(jī)構(gòu)解鎖后，合模時(shí)鎖模力存儲(chǔ)的彈性變形能成為油缸活塞高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。3）移模。肘桿機(jī)構(gòu)在油缸活塞的帶動(dòng)下，完成移動(dòng)模板到達(dá)設(shè)定位置的動(dòng)作。

由于合模后會(huì)有非常大的鎖模力[1-2]，在開(kāi)模過(guò)程中需要一定的高壓來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)模，以釋放鎖模力存儲(chǔ)的彈性變形能，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置壓力和壓力斜率、流量斜率等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)模參數(shù)的設(shè)定，但不合適的參數(shù)設(shè)置將在開(kāi)模工作過(guò)程中產(chǎn)生較大的沖擊與振動(dòng)，影響設(shè)備的長(zhǎng)期有效工作；目前仍缺乏一定的數(shù)據(jù)來(lái)了解開(kāi)模過(guò)程中的壓力、流量變化規(guī)律，文中對(duì)某肘桿式合模機(jī)構(gòu)的開(kāi)模過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為合理地設(shè)置壓力、流量斜率等參數(shù)提供理論依據(jù)。

圖1 合模機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案為：測(cè)試實(shí)際工作狀態(tài)下動(dòng)模板的位移、合模油缸及泵出口對(duì)應(yīng)的壓力值、流量，以及合模機(jī)構(gòu)動(dòng)模板的運(yùn)行速度和模板的振動(dòng)加速度等參數(shù)。

選定位移傳感器1個(gè)，壓力傳感器3個(gè)，加速度傳感器4個(gè)。位移傳感器用注塑機(jī)自帶的杰弗倫位移行程電子尺，實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)位移，測(cè)量范圍為0～420 mm，輸出信號(hào)為0～10 V的電壓值；泵出口壓力信號(hào)采集利用泵出油法蘭上壓力信號(hào)反饋的杰佛倫壓力傳感器；位移電子尺和泵出口壓力傳感器由通電的注塑機(jī)供電；油缸兩端壓力數(shù)據(jù)采集采用VP4系列壓力變送器，測(cè)量壓力范圍0～20 MPa；測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的壓電式加速度傳感器。

為了采集開(kāi)模時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，在合模機(jī)構(gòu)的固定模板縱向和徑向、動(dòng)模板上分別安裝了4個(gè)加速度傳感器，其中：1點(diǎn)為動(dòng)模板軸向，2點(diǎn)為動(dòng)模板徑向，3點(diǎn)為固定模板軸向，4點(diǎn)為注塑機(jī)外殼徑向。

以某公司160 t鎖模力的伺服控制液壓注塑機(jī)為測(cè)試對(duì)象，壓力傳感器的具體安裝位置如圖2所示，由于二位四通電磁換向閥只起到輔助作用，電磁鐵YA12在一個(gè)開(kāi)模、合模過(guò)程中通電時(shí)間很短，可以用三位四通電磁換向閥前的油制板上進(jìn)油口處壓力代替油缸進(jìn)油口壓力，總的回油壓力為油缸回油口 壓 力 。 在LabVIEW 中編寫(xiě)的部分?jǐn)?shù)據(jù)采集程序如圖3所示。

圖2 壓力傳感器測(cè)試安裝圖

3 開(kāi)模過(guò)程的沖擊振動(dòng)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變壓力、流量及流量斜率的大小測(cè)試開(kāi)模過(guò)程沖擊振動(dòng)的規(guī)律，找到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中沖擊振動(dòng)噪聲小且生產(chǎn)效益高的最優(yōu)參數(shù)。這里主要說(shuō)明開(kāi)模過(guò)程。

圖3 測(cè)試采集的LabVIEW 程序框圖

按照注塑機(jī)開(kāi)模工作要求設(shè)置一組壓力、流量理論參數(shù)，其中，系統(tǒng)壓力為17.5 MPa，模板行程0～420 mm，流量是按泵出口額定流量的百分比設(shè)定，根據(jù)該注塑機(jī)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1500 r/min，泵排量Q=40.1 mL/r得泵出口流量I=nQ/1000=60.15 L/min。開(kāi)模時(shí)每一段位移對(duì)應(yīng)的理論壓力、流量值如表1所示。

在壓力、流量參數(shù)改變時(shí)，需要平緩過(guò)渡，對(duì)于該注塑機(jī)的每一段開(kāi)始時(shí)的壓力流量變化都是按斜率設(shè)定最大值的百分比過(guò)渡的，具體參數(shù)如表2所示。

其中開(kāi)模流量最大斜率為50 000%/s，壓力最大斜率為5000 MPa/s。

也就是說(shuō)壓力在第1段從0上升到12 MPa理論上只要12÷（5000×2%）=0.012 s，流量從第1段30%過(guò)渡到第2段60%理論上時(shí)間為(60%-30%)÷（50000×100%）=0.0006 s。

以此類(lèi)推，這種斜率的設(shè)置起到了不同壓力流量間的過(guò)渡緩沖作用，壓力、流量參數(shù)及斜率的設(shè)置如表1和表2所示（稱(chēng)為設(shè)置1）。

表1 開(kāi)模每段位移對(duì)應(yīng)的壓力流量設(shè)定值

表2 開(kāi)模每段壓力流量斜率設(shè)定值

3.1 流量變化對(duì)開(kāi)模振動(dòng)沖擊影響分析

在保持壓力和壓力斜率、流量斜率（設(shè)置1）不變的情況下，設(shè)置5組不同的流量值觀察模板運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)及壓力和加速度曲線(xiàn)變化，5組流量參數(shù)設(shè)置如表3所示。

這5 組實(shí)驗(yàn)的每一段設(shè)定流量依次增加，因?yàn)樵谟透讕?dòng)模板的開(kāi)模運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從圖4（a）中可以看出，無(wú)桿腔的壓力接近于零，所以可以用有桿腔的油缸壓力近似表示整個(gè)油缸的壓力。

表3 流量變化參數(shù) %

從這5組流量遞增的圖中可以看出，隨著流量的增加，開(kāi)模速度加快，整個(gè)過(guò)程的時(shí)間減少，相應(yīng)的高壓開(kāi)模和快速開(kāi)模的壓力值也變大，說(shuō)明負(fù)載在這一過(guò)程中有一定程度增加。開(kāi)模時(shí)間是影響整個(gè)注塑周期的一個(gè)重要影響因素，速度加快，時(shí)間減少，對(duì)提高生產(chǎn)效益起到了很好的作用。一般來(lái)說(shuō)，速度越快越好，并且從壓力提升幅度可以知道，速度的提升對(duì)壓力的要求也越來(lái)越高，5組實(shí)際壓力均沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，但第5組已經(jīng)很接近設(shè)定值了，說(shuō)明壓力設(shè)定最基本要考慮負(fù)載及開(kāi)?？炻@兩個(gè)因素。

圖4 流量變化下各點(diǎn)變化曲線(xiàn)

在圖4（c）的測(cè)試位移數(shù)據(jù)中，第1組開(kāi)模用時(shí)2.4 s、第2組用時(shí)2.1 s、第3組1.8 s、第4組1.6 s多不到1.7 s、第5組1.6 s。從圖4（c）第1段的時(shí)間及整個(gè)周期數(shù)據(jù)我們也可以得知，當(dāng)流量增加到一定值時(shí)，隨著流量的增加對(duì)速度和周期的變化影響越來(lái)越小，而且流量增大會(huì)加大電動(dòng)機(jī)油泵的工作負(fù)擔(dān)，最重要的是加大能耗，提高成本，不利于節(jié)能減排。所以流量也不是設(shè)置為越大越好，綜合周期時(shí)間和能耗等方面的要求選擇合適的流量設(shè)定值才能獲得較好的效益與節(jié)能效果。

從圖5的5組加速度振動(dòng)信號(hào)曲線(xiàn)可以看出，動(dòng)模板縱向點(diǎn)1處振動(dòng)最明顯，振動(dòng)最明顯的時(shí)間點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著快速開(kāi)模的起始位置，此時(shí)流量增加，速度加快，壓力也增大，但5組參數(shù)對(duì)應(yīng)的動(dòng)模板振動(dòng)幅度卻變化不大。針對(duì)此次實(shí)驗(yàn)，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以得出：在合理的范圍內(nèi)流量不變化時(shí)它的大小對(duì)開(kāi)模沖擊振動(dòng)影響不大，平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中流量的大小并不是影響開(kāi)模振動(dòng)的主要因素。

綜合流量變化對(duì)效率和沖擊振動(dòng)的影響，該注塑機(jī)宜選擇速度快的第4組流量參數(shù)；從節(jié)能及綜合性能考慮，可以選擇第3組參數(shù)。

3.2 壓力變化對(duì)開(kāi)模振動(dòng)沖擊影響分析

圖5 流量變化下1 點(diǎn)處的加速度變化曲線(xiàn)

在保持流量設(shè)置不變，以及壓力流量斜率為設(shè)置1的情況下，設(shè)置5組不同的壓力值觀察模板運(yùn)動(dòng)位移曲線(xiàn)及壓力和加速度曲線(xiàn)，每段位移對(duì)應(yīng)流量如表4所示。

第1段和第4段行程短，壓力設(shè)置不變，主要改變第2、3 段 的 壓 力值，5組壓力設(shè)置好后，觀察實(shí)際開(kāi)模過(guò)程中壓力位移變化曲線(xiàn)。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程和圖6中可以看出，這5組開(kāi)模過(guò)程均用時(shí)約1.6 s，開(kāi)模過(guò)程中壓力變化趨勢(shì)和位移變化趨勢(shì)都基本一致，每一組壓力都沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值，說(shuō)明流量一定，速度相同的情況下，負(fù)載也相同，實(shí)際需要克服負(fù)載的壓力也就一樣。隨著壓力設(shè)定值的增大，開(kāi)模工作時(shí)間并沒(méi)有減少，反而有可能實(shí)際電動(dòng)機(jī)油泵產(chǎn)生較大壓力的液壓油通過(guò)溢流閥回油箱，增大能耗，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，增加了電動(dòng)機(jī)工作負(fù)擔(dān)。圖7為這5組不同設(shè)定壓力值下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)曲線(xiàn)，可以看出，實(shí)際振動(dòng)的幅度相差不大，并且都是在快速開(kāi)模動(dòng)作開(kāi)始時(shí)波動(dòng)最為厲害，因此壓力設(shè)置值應(yīng)該在滿(mǎn)足克服負(fù)載要求的前提下越小越好，對(duì)于不同注塑機(jī)型和不同產(chǎn)品模具壓力設(shè)定值也不同，根據(jù)實(shí)際情況而定。

表4 每段位移對(duì)應(yīng)流量值

表5 5組壓力設(shè)定值

圖6 壓力變化下各點(diǎn)的變化曲線(xiàn)

從對(duì)流量或壓力改變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中可以看出，在開(kāi)模過(guò)程中，不同壓力、流量的過(guò)渡過(guò)程是產(chǎn)生振動(dòng)沖擊的主要時(shí)間段，因此，不同的壓力流量切換方式及切換速度的快慢都將對(duì)開(kāi)模過(guò)程的性能產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié) 論

圖7 各參數(shù)下1 點(diǎn)處的加速度變化曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)開(kāi)模過(guò)程中流量壓力和斜率參數(shù)對(duì)合模機(jī)構(gòu)沖擊振動(dòng)及工作效益的影響分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得，開(kāi)模過(guò)程中，流量加大可以加快開(kāi)模速度，減少周期時(shí)間，提高工作效益，但流量加大到一定程度的時(shí)候，對(duì)速度的提升越來(lái)越不明顯，流量的增大也會(huì)對(duì)能耗提升。并且開(kāi)模過(guò)程中振動(dòng)最明顯的位置點(diǎn)是從第一段高壓開(kāi)模結(jié)束到第二段快速開(kāi)模流量壓力上升的那一段。綜合效益和能耗的影響，選擇了合理的流量設(shè)置參數(shù)。在滿(mǎn)足克服動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)負(fù)載的情況下，設(shè)置壓力參數(shù)的變化對(duì)開(kāi)模的速度和周期并無(wú)明顯影響，實(shí)際壓力變化并沒(méi)有達(dá)到設(shè)置的壓力參數(shù)值，說(shuō)明流量一定的情況下，模板運(yùn)動(dòng)速度一樣，需要克服的運(yùn)動(dòng)阻力也一樣，對(duì)壓力的需求也就一樣。并且設(shè)置的壓力值過(guò)大會(huì)從泵出口處的溢流閥排除壓力油減壓，造成不必要的浪費(fèi)，所以在滿(mǎn)足克服負(fù)載前提下，壓力值設(shè)置越小越好。