（机械设计及理论专业论文）非损伤性精密注射成型在线控制制品质量方法的研究.pdf

摘要 非损伤性精密注射成型在线控制制品质量方法的研究 摘要 随着人们对注射制品质量要求的不断提高，各种新型注射成型技术不 断发展，精密注射成型技术便是其中一种。目前中国在精密注射成型方面 与发达国家相比有较大的差距，因此本课题希望通过对现有注塑机进行性 能方面的实验研究，提出改进措施，使现有注塑机精度大幅度地提高，并 研究开发一种新型非损伤性质量在线监控系统。所谓非损伤性，就是指在 追求制品精度的同时，不对制品、模具及机器进行破坏，实现普通注塑机 的精密化。 通过选择对不同注塑机、模具及物料的实验，研究注射成型过程中的 胀模特性，探讨了胀模量与制品精度之间的关系以及影响胀模特性的影响 因素。通过研究胀模特性规律，也为后期产品的开发提供了必要的理论基 础。得出主要结论如下： 1 基于注射成型过程的胀模特性与制品重量的关系：胀模量越大， 制品重量越大，并呈线性关系，研究开发了一种基于胀模特性信号的非损 伤性在线质量监控系统。通过胀模量为转压信号进行对制品质量的在线控 制，并在注射成型周期结束之前即可判别制品的优劣。 2 通过使用胀模量作为转压信号，大大提高了制品精度，将普通注 塑机的重量重复精度由的7 提高到4 。 3 注射成型中工艺参数对胀模量的影响显著，主要有锁模力、保压 压力、转压点等。而锁模力作为整个胀模特性应用的基础，在注塑机锁模 精度较高的情况下：锁模力越大，胀模量越小；保压压力越大，胀模量越 大，并在一定范围内呈线性关系；转压点越靠后，胀模量越大。 关键词：精密注射，胀模量，制品质量，工艺参数，非损伤性 i l 摘要 s t u d yo no n l i n en o n d a m a g ec o n t r o lm e t h o d o fp r o d u c t s q u a l i t yi ni n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t n e wi n je c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gp r e c i s i o ni n je c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g ya r ed e v e l o p i n gw i t ht h er e q u i r e m e n t so fh i g hq u a l i t yo fi n j e c t i o n m o l d i n gp a n s t h e r ei sm a j o rg a pb e t w e e nc h i n aa n dd e v e l o p e dc o u n t r i e si n p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g t h i sp r o j e c ta i m st oi m p r o v ep r e c i s i o no f i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sa tl o wc o s t ，t od e v e l o pan e wo n l i n en o n - d a m a g e m o n i t o r i n gs y s t e mo fp r o d u c t s q u a l i t y , a n dt om a k eag e n e r a li n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n ew i t hh i g hp r e c i s i o n n o n d a m a g em e a n si tw o n td a m a g e t h ep r o d u c t s ，t h em o u l da n dt h ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ew h e nw ep u r s u e t h ep r e c i s i o ni ni n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s i n g c o n t r a s te x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n ti n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e s ，m o u l d s a n dm a t e r i a l sw e r em a d e i tw a st or e s e a r c ht h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm o l d s e p a r a t i o n ( m s ) a n dp r o d u c t s ，a n dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h em s i ti s u s e f u lt oe m p o l d e rl a t t e rp r o d u c t i o nb ys t u d y i n gm s t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h e r ei sa h i g hr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm sa n dp r o d u c t sw e i g h t t h em o r e m s ，t h em o r ew e i g h t ，a n dt h e yt a k eal i n e a rr e l a t i o n s h i p b a s eo nt h i st h e o r y , i i i 北京化t 人学硕j ：学位论义 a no n l i n en o n d a m a g ej u d g i n gs y s t e mo f p r o d u c t s q u a l i t yw a sd e v e l o p e d i t c a no n l i n ec o n t r o lp r o d u c t s p r e c i s i o nb yu s i n gt h em st ob es w i t c h o v e r p o i n t a n di tc a nd e t e r m i n ew h e t h e rt h ep r o d u c t si se l i g i b l eo rn o tb e f o r et h e i n je c t i o nm o l d i n gc y c l e 2 i tc a nh i g h l yi m p r o v ep r o d u c t s p r e c i s i o nf r o m7 0t o4 o ，w h e nu s e t h em st ob es w i t c h o v e r p o i n t 3 p r o c e s sp a r a m e t e r sh a v en o t a b l ei n f l u e n c eo nm s ，t h em a i np a r a m e t e r s a r ec l a m p i n gf o r c e ，h o l d i n g p r e s s u r ea n ds w i t c h o v e rp o i n t ，e t c c l a m p i n g f o r c ei st h eb a s i co fa p p l y i n gt h es y s t e m w h e nt h ec l a m p i n gu n i to ft h e m a c h i n eh a sah i g hp r e c i s i o n ，t h eh i g h e rc l a m p i n gf o r c e ，t h el e s sm s ，a n dt h e y t a k eal i n e a rr e l a t i o n s h i p ；t h eh i g h e rh o l d i n gp r e s s u r e ，t h em o r em s ，a n dt h e y t a k eal i n e a rr e l a t i o n s h i pt o o ；t h el a t e rs w i t c h o v e rp o i n t ，t h em o r em s k e y w o r d s ：p r e c i s i o ni n je c t i o n ，m o l ds e p a r a t i o n ，p r o d u c t sq u a l i t y , p r o c e s sp a r a m e t e r ，n o n d a m a g e 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：一鸳! ：复日期：圭= 孚三三! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在_ 2 一年解密后适用本授 作者签名： ! 缘! 堑日期：之翌。if 导师签名：缉复童纽日期：筮习：三：! ) 第一章绪论 1 1 注射成型简介 第一章绪论 注射成型作为塑料加工中重要的成型方法之一，主要适于大批量生产形状复杂、 尺寸精度高的塑料制品。现代工业对注塑制品的质量、品种及性能提出了更高的要求。 提高制品质量成为近几年注塑行业的首要问题。注塑制品的质量受几何参数、材料性 能参数及工艺参数等许多因素的影响，而工艺参数直接影响着熔体在型腔中的流动 状态及最终制品的质量。近年来，注射成型已发展和运用得相当成熟，国民经济的各 个领域都有广泛应用。统计结果表明，注射成型用塑料量约占整个塑料产量的3 0 n 。2 1 ，并有逐年增长的趋势。最近，有专家指出，我国今后塑料机械产品的出口将以注 塑机为主。 金属和聚合物是当今材料体系中应用最多的两类材料，聚合物材料中尤以塑料应 用最多、最广。目前全球每年塑料消费量达2 4 亿吨，年增长达4 左右；中国每年消 费塑料4 0 0 0 多万吨，今后几年内仍将会以最低8 的速度增长。中国塑料工业已形成 较完整的行业体系，成为与钢材、水泥、木材并驾齐驱的新型基础材料产业，其应用 领域已远远超越上述三大产业h 1 。注射成型与其它方法相比具有一些明显的优点：能 一次成型外形复杂、尺寸精确可带有各种金属嵌件的塑料制品；可加工的塑料种类繁 多，几乎可以加工所有的热塑性塑料、热固性塑料和弹性体；成型过程自动化程度高， 生产周期短，生产率高等。正是这些优越的特性促使注射成型得到广泛的发展，广泛 应用于家电、电子、汽车、建筑、医疗和航空航天等部门。 1 8 7 2 年美国人发明了最早的柱塞式注塑机瞄1 。随后相继出现活塞式注塑机、全自 动柱塞式卧式注塑机。1 9 4 8 年注塑机开始使用螺杆塑化装置。1 9 5 6 年在美国诞生了 世界上第一台往复螺杆式注塑机，这是注射成型技术的重大突破，它使得更多的塑料 通过比较经济的注射成型方法加工成各种塑料制件。注塑机是借助于金属压铸机的原 理，以高速高压将塑料熔体注入到已闭合的模具型腔内，经冷却定型，得到与模腔形 状一致的塑料制件。注塑机加工产品的过程包括：闭模和合紧、注射装置前移和注射、 压力保持、制品冷却和预塑化，以及注射装置后退和开模顶出制品等单元。在工业中 使用注塑机生产塑料制品适应性强、周期短、产率高、易于自动化控制。 1 1 1 注射成型技术 随着工业化技术的发展，塑料产品种类的增多，制品应用领域越来越广，人们对 塑料制品的精度、形状、功能、成本等要求也相继提高。传统的注射成型技术已难以 北京化丁人学硕。i ：学位论文 适应这种要求哺1 ，主要表现在：( 1 ) 生产大面积结构制件时，高黏度的熔体需要高的注 射压力，高的注射压力要求大的锁模力，从而增加了制造机器和模具的难度和费用； ( 2 ) 生产厚壁制件时，难以避免表面缩痕和内部缩孔，塑料件尺寸精度差；( 3 ) 加工纤 维增强复合材料时，缺乏对纤维取向的控制能力，基体中纤维分布随机，不能充分发 挥增强作用h 1 。这就促进了塑料成型技术的不断创新，先进成型技术的频频涌现。诸 如动态注射成型、其它辅助注射成型、反应注射成型、高速低压注射成型等新的注射 成型工艺。 随着计算机技术在塑料成型领域中的应用，在注射成型工艺过程的数值模拟方 面，由于塑料工业迅猛发展的近三十年也正是计算机应用飞速发展的时期，加之以有 限元分析技术为代表的数值分析技术在广泛的工程领域取得了令人振奋的应用效果， 从而推动了对注射成型加工过程进行模拟的理论与应用技术的发展。可以很方便地用 计算机辅助工程( c a e ) 技术对模具、制品、成型过程进行分析、改进，以避免代价昂 贵的机械生产并缩短生产周期砸吲。其中最常用的就是m o l d f o l w 、c - m o l d 和m o l d e x 等 注射成型c a e 软件。 1 1 2 注射成型原理 注射成型基本原理就是利用塑料的可挤压性与可模塑性，将粒状或粉状塑料通过 高温的料筒内加热熔融塑化，使之成为粘流熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下， 快速通过料筒f j 端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过保压冷却定型后，开 模从型腔中顶出具有一定形状和尺寸的塑料制品。注射成型主要有合模、注射、保压、 塑化、冷却定型及脱模顶出等步骤，总体上可以划分为预塑计量、注射充模、冷却定 型等三个重要的过程。 预塑计量：预塑计量过程就是将固体粒料或粉料通过螺杆机筒及外加热的作用下 逐步压实、混合，从玻璃念转变为均化的粘流态熔体的过程。所谓均化是指聚合物熔 体组分均匀、密度均匀、粘度均匀和温度分布均匀。在这一过程进行的同时完成计量 程序。计量是指将塑化好的熔体定温、定压、定量地输出料筒所进行的准备工作。计 量精度越高，获得高精度制件的可能性越大。只有连续均化的熔体才能保证注射充模 过程中具有良好的流动性。良好的塑化质量为得到高质量塑料制件提供了可能。塑化 质量主要受背压，螺杆转速及温度等的影响。 注射充模：注射充模过程即是熔料在高速高压下被注进模具，在此过程中，熔料 通过喷嘴，产生大量的剪切热，熔料的密度发生变化。如果在注射过程中，注射速度 第一章绪论 和注射压力的重复精度差，则熔料密度的重复精度差，导致每次注射进模腔的重量不 一致将塑化均匀存储于料简内的熔体。这一过程主要有三个阶段：注射充模阶段、保 压补缩阶段和倒流阶段。注射充模阶段是指螺杆推进熔体开始，到模具型腔注满为止， 是一个体现熔体速度的过程。保压补缩阶段则是从型腔充满开始到浇口封冻为止。即 注射后要继续维持一定的压力，对型腔内的熔体继续进行压实，同时向型腔内压入一 定量的熔体来补偿因冷却造成的熔体收缩。保压的目的一是防止型腔内物料在浇口凝 固前产生倒流；二是充分压实型腔中的物料，降低其收缩率，提高强度；三是补充因 为收缩而造成的型腔内物料体积的变化，确保形状尺寸的稳定。保压过程是一个体现 压力的过程。倒流阶段是指柱塞或螺杆倒退时，型腔内的熔体向浇口倒流的阶段，持 续到浇口封冻为止。 冷却定型：冷却定型过程是注射成型过程的最后一个阶段，即从浇口封冻到制品 项出为止。这个过程中，当保压压力卸去以后，型腔内的制品有足够的冷却时间进行 冷却，避免制品顶出时因刚度不够出现扭曲变形等情况的发生。在冷却定型过程中， 熔体没有流动，型腔内的温度和压力逐步下降减少。 1 1 3 注射成型机 注射机是将熔融塑料在模具内成型制品的设备，为了实现这项功能，注射机需有 相应的装置。目前通用的注射机主要包括注射系统、合模系统、液压系统、控制系统 四部分，此外，还包括安全系统和一些辅助设备。 注射系统：注射塑化部件是注塑机的四大部件之一，而螺杆与机筒及相关件设计 的合理与否直接关系到塑化部件的性能。随着塑料制品的科技进步，对塑化部件性能 的要求，也越来越高。衡量一个塑化部件主要技术性能是，塑化质量、计量精度，其 次是注射速率、塑化速率及能耗等。注射系统的主要作用就是将塑料均匀塑化，并在 高压和高速下将熔体注入到模腔内；注射充模后，对型腔保持一定的压力直到制品冷 却定型。一般的注射系统主要由塑化装置、驱动装置、计量装置、喂料系统、注射和 移动液压缸等组成。塑化装置主要由料筒和螺杆组成，螺杆头部装有防止熔体倒流的 止逆环；驱动装置主要由减速装置、驱动电机或油马达组成。注射系统应该具有良好 的塑化性能、计量精准等特点。 合模系统：主要作用就是固定模具，保证模具可靠的启闭及足够的锁模力防止出 现开缝胀模溢料的现象，而且能够将制品从模具内顶出。一般合模机构主要由模板、 拉杆、调模机构、肘杆机构、移模液压缸、锁模液压缸、顶出机构及其它辅助设备等 组成。 液压系统：液压系统为注射机的各种执行机构提供所需要的压力和速度，保证注 射机各机构能够准确的执行设定的动作程序的动力系统。液压系统主要由各种液压元 北京化t 人学硕j ：学位论文 件、回路和液压辅助元件组成。 控制系统：控制系统控制注射机各个部分准确地实现各种预定的工艺程序和动作 过程，对时间、位置、压力、速度等进行控制和调节，并为动作程序的执行提供动力。 控制系统主要由各种电子元件、传感器、微机、仪表等组成。 安全系统：安全装置是用来保护人和机器安全的装置。它主要由各种安全阀、安 全门、光电检测元件、限位丌关等组成，目前的注射机能够实现多重安全保护。 1 2 精密注射成型简介 1 2 1 精密注射成型现状 精密注塑技术是一门涉及原材料性能、配方、成型工艺及设备等多方面的综台技 术，精密注塑机是指可加工包括数码光盘、d v d 激光头、数码相机零件、电脑接插件、 导光板、非球面透镜等精密产品的塑料注射成型设备。这类产品的一个特点是不但尺 寸精度要求高，而且对制品的内在质量和成品率要求极高u 引。 成型制品的模具是决定该制品能否达到设计所要求的尺寸公差的重要条件，而精 密注塑机是保证制品始终在所要求的尺寸公差范围内成型，以及保证极高成品率的关 键设备。在精密注塑技术方面我国起步晚，与国外相比差距较大，许多大企业都是近 几年才丌始重视并逐步研发的叫2 1 。 一般精密注塑机有两个指标：一是制品尺寸的重复误差；另一个是制品质量的重 复误差。前者由于尺寸大小和制品厚薄不同难以比较。而后者代表了注塑机的综合水 平，一般普通注塑机的重量重复误差在1 左右，较好的机器可达到o 8 ，低于0 5 为精密机，小于0 3 为超精密机。2 0 0 4 年德国科德塑机博览会上，德国雅宝公司宣 布其最新式注塑机质量重复精度可达0 0 7 。精密注塑机要求制品尺寸精度一般在 0 o 卜0 0 0 1 m m 以内 1 3 o 精密注塑机一般都采用较大的注射功率，这样除了可以满足注塑压力和注射速率 方面的要求外，注射功率本身还会对制品精度起一定的改进作用。精密注塑机的控制 系统一般都有很高的控制精度，这一点是制品本身所要求的。高的控制精度能保证各 种注射工艺参数具有良好的重复精度，以避免制品精度因工艺参数波动而发生变化。 因此精密注塑机一般都对注射量、注塑压力、注射速率、保压压力、背压和螺杆转速 等工艺参数采取多级反馈控制。精密注塑要求其合模系统有足够的刚度，否则制品精 度将会因合模系统的弹性变形而降低。其次合模系统的合模力大小必须能够精确控 制，否则过大或过小的合模力都将对制品精度产生不良影响。所以在设计时，应该综 合考虑模具刚度、系统刚度以及合模力的大小以精确控制制品的精度，尤其是平板薄 壁制品。当模具面积较大时，必须对导向柱进行挠度校核。精密注塑机还必须能够对 4 第一章绪论 液压回路中的工作温度进行精确控制，以防工作油因温度变化而引起粘度和流量变 化，进一步导致注射工艺参数波动而使制品失去应有的精度n4 l 。 近年来，为了满足i t 相关产业所需塑料零部件高精度、高功能化、小型化、轻 量化、低成本、高附加值的要求，在精密注射工程技术领域精密注射成型机和精密注 射成型模具的研制是首先面临的重点和难点问题。在精密注射成型机的研制方面代表 当今世界先进水平的生产厂商主要有德国的克劳斯玛菲、德玛格、阿博格以及同本的 同精、日钢、东芝机械和住友重机等。m c 系列的大型注塑机是德国k r a u s s m a f e i 公司在m x 系列基础上的进一步发展。针对m c 系列大型注塑机，k r a u s s m a f e i 公司首 先开发出一种新型锁模系统，并对锁紧装置和锁模力均进行了大力改进和调整。同时， 也对机器的固定底板和喷嘴范围重新进行了设计，并将原来的固定底板根据特殊的几 何形状改成可移动的底板，这样能够使压力均匀的传递到模具上并保证底板具有高度 的平行度。另外，用大型滑挚支撑移动底板起缓冲作用。这种新型结构系列的注塑机 是通过改变模块规格来适应每次生产的要求。生产商为了进一扩大使用范围，则提出 了在基础底板上设置注塑机与齿轮泵组合系统。m c 系列注塑机的优点是，通过两板式 技术和高耐磨的注射装置可使机器的结构形状变短，从而取代了m x 结构系列。由于 采用了两板式技术和节省能量的传动方案，故m c 系列的注塑机可生产用于汽车或电 动车的大型塑料部件n 5 叫6 | 。而在国内，精密注射成型机也是各生产厂商竞相摘取的皇 冠上的明珠。近年，广东弘利生产出国内第一台光盘注射机而在精密注射成型工程技 术领域产生了较大影响。但实际上，我国精密注射成型工程技术的研究还仍然处于攻 坚战役的关键阶段，学术界也对此抱有强烈的研究兴趣n 刀。 为了满足用户对利用所购买的注射成型机生产出最优异产品的强烈需求，致力于 成为行业领袖的注射机生产企业，除了能够提供技术领先的设备之外，还有责任给用 户提供最佳的成型工艺技术支持。由于高聚物成型过程是各种物理、力学现象共存的 复杂过程，存在着温度、压力等多物理场耦合作用下高聚物成型加工条件、形态结构 演化与制品力学性能之间耦合问题、高聚物复杂流体动力学问题、模具优化设计和制 品质量控制理论等诸多急需解决的问题。 在国外精密注射飞速发展同时，中国的精密注射也在快速发展，国内曾有公司开 发出的高速精密机的注射速度和制品质量重复精度，分别达到国际先进水平的 1 0 6 5 m m s 及0 1 4 ，但整体与国际还是有较大的差距。国内厂家目前还未能掌握伺服 电机、滚珠丝杆、控制等核心技术，一些精密设备重要领域专用注射机尚为进口设备 所控制，在每年进口1 6 万台注射机中，我国无法生产的大型、精密和高速注射机占 全部进口量的9 0 以上n8 。制造技术的落后相应地降低了中国注射机的价格竞争优 势，而没有制定我国自己的注射机性能评判和测试统一标准也将会阻碍中国注射机特 别是精密注射机的发展。因此，只有通过不断地吸收和自主创新，制定自己注射行业 的标准，才能缩小差距，提高我国注射机行业，特别是高端注射机的发展。 北京化t 人学倾l ：学位论文 1 2 2 精密注射成型的关键技术 塑料件的精密成型，主要是使制品达到高精度求，尺寸波动和重量波动达到高稳 定。随着精密注射成型机的不断引进，以及产品对塑料件的尺寸精度同趋严格，热塑 性塑料件的精密成型技术，日益受到人们的重视。从注塑件的生产工艺特征分析、零 件的结构、成型模具、设备、工艺条件、精密注射成型新技术是精密注塑的关键环节， 只有相互配合，才能共同保证生产出满足精度要求的零件争制。 ( 1 ) 精密注塑件的特征要求 要生产出符合精度要求的注塑件，零件的结构设计和选用合适的材料是实现精度 要求的重要前提。在产品设计初期，工艺人员应强调零件的结构工艺性及注塑加工的 工艺性。尽可能避免不对称及悬臂梁的结构设计、减少壁厚差别、控制最小成型厚度、 对一些特殊结构部位采取加强筋及防止变形的工艺设计、拐角处采用圆弧形过渡、设 计适宜的脱模斜度等，这些措施对增加熔体的流动性、低成型温度和注射压力、减小 零件的内应力和控制变形量、满足零件的精度要求是有益的瞳卜2 副。 根据注塑件的结构功能要求和精度，选择适当的材料对于保证零件的精度和使用 功能十分重要。精密注塑件对材料的要求比较苛刻，要求材料必须有很小的成形收缩 率，还要具有能满足使用要求的性能和良好的加工性能。要合理的使用材料，就必须 充分认识零件在产品中所起的功能作用、熟悉工程塑料的性能特点。 ( 2 ) 成型模具 要制造出精密的制品，精密模具是必不可少的。模具的精度一般受模具的温度控 制、模具的精密制造和模具设计时对塑料收缩率选用等影响。控制模具温度主要是为 了提高生产率。然而模具温度控制对精密注射成型的影响极大，它影响制件的收缩、 形状、结晶、内应力等，因此设计模具冷热回路时要求温度分布合理，控制精度精确， 最好采用模温机和冷水机控制心钔。 模具设计的好坏是保证塑料制件尺寸精度的前提，为了提高精密注塑模的精度， 在设计过程中采用计算机辅助分析是必要的，特别是对浇注系统的流动行为和模具温 度调节系统热量分布的分析等。应尽可能地应用分析模拟软件并利用接近实际的加载 条件来分析模拟熔体在模具中的浇注、冷却等非稳态的过程。模具的制造质量是保证 塑料制件尺寸精度的关键，精密模具主要的制造特点是除了抛光和装配作业外，均不 用手工加工。一般模具机械加工和手工加工的比例约为6 ：4 - - 7 ：3 ，而精密模具的机 械加工和手工加工比例为9 ：1 比5 。2 7 1 。 热塑性塑料制品成型时收缩率波动较大，给模具设计、确定型腔尺寸和控制制品 尺寸精度带来困难。因此在模具设计时应了解塑料的收缩特性和因制件形状而造成的 各部位收缩率的差异，然后采用必要的补偿措施。对高精度塑料件可在设计前先制造 简易模具，以测出成型时各部位的实际收缩率，这样便可大大提高制件的尺寸精度。 6 第一章绪论 ( 3 ) 设备 精密注塑件的发展必将对注塑机等塑料成型设备提出更高的要求，使他们向着品 种多、规格全、质量稳定可靠、自动化程度高、快速高效、高精度、节能省电、低噪 音方面发展，精密注塑需要高精度的注塑成型机械。精密注射成型机必须具备以下条 件： 1 ) 具有高的响应灵敏度、高的再现性和稳定性的油压控制系统； 2 ) 具有能进行微调的、控制性能优良可靠、操作使用方便的电子控制系统； 3 ) 能进行高速高压注塑成型，使收缩率为最小； 4 ) 具有优良的塑化装置，能使塑料在均匀温度下充分塑化，并能正确计量； 5 ) 对应不同的模具流道形状，再现塑料流动最适合的控制： 6 ) 冷却过程中能使适当的保压时间变化； 7 ) 具有刚性好、耐久牲好、有足够锁模力的锁模装置，能抵抗高压、高速注入的 熔融塑料的压力，使模具变形最小啪哪3 。 ( 4 ) 精密注射成型最佳工艺参数的设定 选取最佳的成型工艺参数能够减少塑料制品的收缩率。塑料的收缩特性是指塑料 的热收缩、弹性回复、塑性变形、后收缩和老化收缩的综合反映，通常是因材料吸水 或分子链重排而引起，具体表现为线性收缩率和体积收缩率的变化，常用收缩特性值 表示。热塑性塑料注塑制品成型时收缩率波动较大，特别是对于结晶性塑料注塑制品 更加明显，由于结晶度不仅取决于化学结构，而且还受到加工过程中冷却参数( 冷却 速率、熔体温度、模具温度、制品厚度) 的影响，给模具设计确定型腔尺寸和控制制 品尺寸精度带来困难，所以迫切需要了解注塑工艺参数对各种塑料收缩率的影响规 律。 ( 5 ) 精密注射成型新技术 最近几年，随着精密注射成型的发展，出现了一些注射成型新技术，如：在模具 中应用注射压缩成型( i c m ) 技术；高速注射成型；无保压的注射成型；其它的智能控 制技术等。这些技术的出现对精密注射成型的发展也起到了举足轻重的作用啪1 。 近年来，在精密注塑机方面有采用液压伺服驱动及电伺服电动机驱动两种。由于 采用伺服电机控制螺杆的塑化计量精度较高，转速也较稳定，还可以多级调节。采用 伺服电机带动滚珠丝杆驱动螺杆进行注射时，由于滚珠丝杆负载大，高速旋转造成磨 损也较严重。因此，一般全电动式精密注塑机的注射速度不大于5 0 0 m m s 。在注射时 用伺服电机起动速度比一般的液压式快，但如果液压式精密注塑机的液压系统采用蓄 能器时，将比伺服电机启动更快，伺服电机对注射速率及位置的控制都较准确，但进 入保压时由于伺服电机不能在不旋转的情况下提供大的扭矩，所以只能问断地旋转， 靠测量螺杆i i 面物料压力进行补压。这样，一方面滚珠丝杆容易磨损；另一方面耗能 也较为严重，压力也不稳定。另外，要将伺服电机的旋转运动变成注射的直线运动， 7 北京化t 人学硕1 ：学位论文 注射压力很大，磨损也较大，对于这一点，许多厂家还没有很好的解决的方法。 1 3 非损伤性质量控制方法研究进展及存在的问题 1 3 1 质量控制方法研究进展 在注射过程中，为了获得和保证一流的制品质量，在过去的2 0 年罩做了相当多的 研究，发明了一些合适的控制系统。在他们的研究中，对注射成型的；b n - r - 变量分成不 同的阶段：第一阶段，机械变量；第二阶段，加工变量；第三阶段，质量变量口。 第一阶段对机械变量的控制。机械变量即指机械参数，主要描述了机械动力 学的独立控制和重复操作的可靠性。在对机械参数的控制研究方面，主要征对机筒温 度，模具温度和充填速度等。这些研究方法主要有：经典比例积分微分控s j j ( p i d ) ，立 足于人工智能( a i ) 的逻缉失真控制和人工神经网络控制( a n n ) 等。这些方法通常 都能获得满意的结果，但是仅限于帮助改善机械性能，对改善制品质量是不够的。 第二阶段对加工变量的控制，即对加工工艺参数的控制。意识到对机械变量 控制的不足，因此前人做了更多的研究来控制加工变量，如熔体温度，喷嘴压力和型 腔压力等，对加工变量控制就必须结合机械参数与特殊树脂和模具。但是这些方法不 能独立控制，必须先设定机械参数。相比机械变量，加工变量对制品质量的影响更为 显著，在众多的相关文献当中，大多都是基于型腔压力进行研究的。 第三阶段对质量变量的控制。其主要控制方式是通过建立一系列模型，从经 验模型到材料模型方法等。然而，建立一个经验模型需要做很多的实验，并且单个模 型只适用于特定的村料和模具整体。在实际生产中，模型的适用性还高度依赖于实验 过程中的系统误差，这些系统误差都不可避免地受系统扰动和测量的影响。而且，并 且模式或样式一般不可靠，它们随着工作条件的不同而变化。 由上述三个阶段的控制要中以看出，一个缺乏在线质量测量能力来提供反馈的控 制圈，要获得合适的在线质量控制是不可能的。因此，z h o n g b a oc h e n 提出了采用监 测和控制胀模量，在他们的研究中，通过在模具四个角分别安装高精度线位移传感器， 用来测量胀模量，选择一个合适的胀模量曲线做为参考，并在以后的注塑过程中通过 改变注射工艺参数保证胀模量曲线同参考曲线一致来获得很好的重量重复精度，效果 显著潞：驯。 在以上三种控制阶段中，对加工工艺参数的控制研究较为全面和深入，其中效果 较为明显的是通过对型腔压力的控制来控制制品质量，以下具体介绍下前人对型腔压 力控制所做的研究。 第一章绪论 1 3 2 型腔压力控制研究进展及存在的问题 ( 1 ) 型腔压力控制研究进展 在注射过程中，型腔压力对制品质量的影响是至关重要的。那是因为，在实际成 型过程中，熔体比、体积与温度都无法直接测量，只有模腔压力能通过简单的方法实 现高精度测量，并加以控制。型腔压力能直观的反映熔体在型腔内的情况，因此在众 多的文献记载中，均有对型腔压力方面的研究。 佘少玲等人提出，模腔压力反映的是熔料充填过程及充满后作用于模腔内壁的压 力场分布，可以直接反映注塑过程中各个工艺参数的情况，并且最终反映制品的质量。 模腔压力可以直接反映模腔内部的状况。而注射压力、注射率、螺杆速度、背压等参 数变化，都能够通过模腔压力敏锐地体现出来。通过实验表明，模腔压力能够灵敏反 映注塑过程中各种工艺参数的变化。对比单独的直接控制参数，如注射压力、注射速 度、模腔表面温度等，模腔压力作为注塑过程控制参数更能全面反映注塑成型过程的 各种情况。因此，以模腔压力作为控制目标对注塑成型工艺进行控制能够达到良好的 效果，也将成为应用广泛的闭环控制手段。川。m i n g - s h y a nh u a n g 研究了通过型腔压力 对转压点的控制。话1 。郑晓培提出基于压力模式的注塑制品质量控制的研究，通过监测 型腔压力曲线，利用模式识别技术对注塑成型过程中的压力模式进行识别。结合多项 式表示法和子模式分析建立压力随时间变化的函数关系，通过确定各个子模式中多项 式的系数来识别不同的压力曲线，并把这些系数作为神经网络的输入输出。然后应用 人工神经网络技术建立工艺参数与压力模式，压力模式和制品质量之间的关系模型。 通过在m a t l a b 平台上开发的注塑制品质量闭环控制系统，实现了制品重量闭环控制仿 真啪1 。常鸿等人讨论了排气不良及模板胀模变形对制品影响，提出了一种通过改变浇 口数量及分布来控制注射压力分布的思想，并以一实例介绍了一种通过预置压缩气体 空间来消除注射模模板胀模变形的方法口7 1 。李萍等人认为，在实际生产中，平均模腔 压力的数值比模腔中某点的压力数据更有效。首先，模腔中某点的压力仅能反映模腔 中特定位置的压力变化，而平均模腔压力能够反映整个模腔的压力变化。其次，设计 注塑机时，要确定合模力的大小，需要最大平均压力的数据及其变化规律。另外，研 究模腔压力对制品质量的影响，也需要利用平均模腔压力的数据。总之，平均模腔压 力的变化规律对确定最佳工艺条件，缩短成型周期，掌握冷却阶段平均模腔压力的变 化规律，确定保压切换点，模具温度、熔体温度等具有重要作用。 除了上述专家外，也有不少专家和学者在研究型腔压力方面做出了努力。为了更 好的监测型腔压力，就需要高精度高灵敏度的传感器为工具。在这方面，瑞士的k i s t l e r 公司走在世界的前列，它生产的传感器在模腔压力测量方面应用广泛，很多专家学者 在其基础上研究丌发了很多方法以提高制品质量。如黄科雄编译了模腔压力测控新技 术。剐，郑荣成等人的模腔压力测量技术在连接器生产上的应用，模腔压力监测技术， 9 北京化- t 人学硕- j ：学位论义 模腔压力曲线必须j 下确，完整的模腔压力测量与监测解决方案，模腔压力监测与零缺 陷部件的优化注塑工艺的研究等n 叫4 | ，吴宏武等人研究了脉动力场下的熔体充模能力 及模腔压力响应h 5 1 。 ( 2 ) 型腔压力控制存在的问题 然而，采用型腔压力进行控制，就必须得用装在模具内的传感器来测量型腔压力， 如果制品的表面质量要求严格，那么将不能采用平镶的传感器。当因为空间或其他限 制导致不能测量型腔压力的时候，由于喷嘴离型腔较近并且容易安装传感器，可采用 测量喷嘴压力来代替，但是控制喷嘴压力不如控制型腔压力对制品的质量有影响。因 此，现有的型腔压力控制也不是解决控制制品质量的最有效途径。 1 3 3 非损伤性质量控制方法 非损伤性精密注射成型在线控制制品质量方法的研究旨在提高普通注塑机的精 度，实现普通注塑机的精密化。所谓非损伤，就是不对制品和模具以及机器造成损伤。 在本文，将围绕这个概念进行深入探讨和研究。本文通过将l v d t 线位移传感装在注 塑机的模架上，避免了对模具及制品的损伤。使用l v d t 进行监测注射成型过程中的 胀模量，并将胀模量信号反馈到注塑机控制系统，实现对制品质量的控制。 1 4 课题来源、研究的主要内容和意义 1 4 1 课题来源 国家十一五科技支撑计划。 1 4 2 课题研究内容 1 ) 利用注射成型过程胀模规律，研制一套注塑制品质量在线监控制系统 2 ) 研究注射成型工艺参数对于胀模特性的影响规律，为基于胀模特性的制品质量 在线控制方法的研究奠定基础。 研究分为三个部分，实验、硬件和软件部分。实验旨在总结胀模特性规律，硬件 为数据的采集卡和控制器主体硬件部分，软件以实现数据的处理及显示。 1 4 3 本课题研究的意义 随着高聚物制品在国民经济和国防工业等领域中应用的同益广泛，高聚物制品的 l o 第一章绪论 精密化和高性能化已成为全球聚合物成型加工领域所普遍关注的重要问题。注射成型 作为高聚物制品成型的最主要的加工方式，已成为体现现代制造业发展水平的重要标 士 j l x o 近2 0 年来，我国注射成型加工业迅猛发展，但目前世界上注射成型机制造业居 领先地位的公司主要都集中在德国和日本。虽然我国的企业宁波海天集团，在注射成 型机生产方面出现了年销量超过l 万台，居世界首位，但在全球精密注塑机市场中， 我国企业生产的注塑机所占的市场份额极少，并在技术水平上还有一定的差距。国外 精密注塑成型机厂商，以德国阿博格为例，注塑机重量重复精度为o 3 ，宁波海天 集团推出的精密级注塑机，经过实际测量后发现重复精度只能达到1 0 。由此造成的 直接影响是，国内注塑机的售价只有国外相同吨位精密机的1 3 ，甚至更少。因此国 内公司要想走向世界，向世界水平靠拢，必须通过不断创新，向市场推出精密、高速、 节能、环保的注射成型设备新产品。 在本文的研究中，通过使用l v d t 线位移传感器可以很直接的了解型腔内熔体充 填过程的情形，由于l v d t 线位移传感器安装在注塑机动定模板上，避免了对型腔结 构的破坏，不会影响制品的表面质量，l v d t 传感器能够很好的记录模具在分离过程中 的胀模量值的变化。本课题通过引入胀模量，能够真实直观的在线监测制品在注射成 型过程中变化，找出制品重量变化的根源所在，并可以以低成本将胀模量信号作为注 射成型的转压信号达到对制品重量重复精度的控制，实现普通注塑机的精密化。 北京化t 人学硕一l j 学位论文 第二章注塑机胀模特性的研究 注塑机的胀模特性是指在注射成型的充填结束至保压过程中动定模具会有微小 分离量，动定模具分丌的相对位移即是胀模量。胀模量的产生主要是由于当型腔充满 后，型腔内熔体的压力随着注入的熔体量的增加而增大。当型腔压力足够大以克服锁 模力时，动定模具将会被熔体胀丌，产生微小位移( 微米级) 。 在本课题研究中，通过对不同注塑机、模具及物料分别进行了实验，研究注塑机 的胀模特性，以及胀模量与制品重量之间的关系。典型胀模量曲线图如图2 - 1 所示。 从图中可以看出海天机与阿博格机器的胀模量曲线图略有不同，将在后文中作出具体 说明。 童 1 2 播 辎 1 2 毯 9 5 1 1 e 三 喇 彗 警 02 0 04 0 06 0 0 8 0 0 伯 时问( m s ) ( a ) 海天注塑成型机( h t f l2 0 x 2 ) 时问( m s ) ( b ) 阿博格注塑成型机( a r b u r g2 7 0 s ) 图2 1 典型胀模量曲线图 f i g 2 - 1t i p i c a lg r a p ho fm s 1 2 第二幸注型机胀模特性的研究 2 1 直压式锁模机器 实验条件 实验设备： 实验材料 基本参数 注射机，a r b u r ga l l r o u n d e r2 7 0 s ，液压式锁模，如图2 一l 所 示。 精密电子称，型号j t 2 0 0 3 ，精度0 0 0 1 9 ，金诺天平仪器有限公司； 样条模具，哑铃型样条模具。 p e 塑化越l 4 0 1 1 1 1 1 1 注射； 位置( r a m )压力( b 砷述度( m m s ) 一段8008 0 二段3 21 0 0 01 0 0 二段 1 28 0 08 0 终i p8 保压： 压力( h 坤速度( m m s )时间( s ) 设4 0 050 0 5 _ 二段3 0 054 锁模力： 3 0 k n l 嘲嘲2 量而黛囊瀚 图2 - 1a r b u r g2 7 0 s 注射机 f i g 2 1 a r b u r g2 7 0 s i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e 2 实验过程 根据材料成型加工推荐值选取注射实验基本工艺参数，并进行调试，得到满足条 降魄 北京化_ t 人学硕i ：学位论文 件的成型工艺参数。在相同的工艺参数条件下，生产1 0 0 个制品，取有效制品( 成型 制品无飞边，未出现充不满现象及没有明显缺陷) ，对每个制品测其重量，并读取数 据采集系统提供的每模制品所对应的胀模量。绘出胀模量与制品重量之间的关系曲线 图。 3 结果与分析 ( 1 ) 实验结果 实验结果如表2 - 1 、图2 - 2 所示。 ( 2 ) 分析 从图2 2 可以看出，在制品不出现飞边及充不满情况下，胀模量越大，制品重量 越大，并且呈线性关系。得出这个结论，为整个非损伤性质量在线监控系统的研发提 供了结实的理论基础。 表2 - 1 实验结果 t a b l e 2 - 1e x p e r i m e n tr e s u l t s 1 4 第一二章注塑机胀模特性的研究 9 3 4 9 + 3 2 g 3 0 8 9 2 8 一 恻9 2 6 昭 蕃9 2 4 9 2 2 9 2 0 g 18 4 06 0b 0 2 2 肘杆式锁模机器 10 012 01 4 0 1 6 0 胀模量( u m ) 图2 2 制品重量与胀模量的关系曲线 2 2 1 海天h t f l2 0 x 2 注塑机 f i g 2 - 2p r o d u c t s w e i g h tv sm s 1 实验条件 实验设备：注射机，海天h t