专利名称：基于超声外场作用的控制精密注塑制品成型收缩的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于超声外场作用的控制精密注塑制品成型收缩的装置及方法，属于微注塑成型技术领域
背景技术：
随着工业技术的进一步发展，“以塑代钢”的零件应用越来越多，尤其是通信、医疗、汽车等领域，对塑料制品的精度要求越来越高，从而推动了对精密注塑成型技术的研究。由于塑料本身在注射成型时存在冷却、结晶、解取向等效应，会使塑料制品在成型时不可避免的存在收缩问题，有时甚至会严重影响到制品的使用性。因而如何减小精密注塑制品的收缩率，提高精密注塑制品的尺寸精度是精密注塑成型技术中急需解决的问题。针对注塑制品的收缩率问题，国内外研究者虽采取了各种手段，但都存有一定的局限，难以取得理想效果。例如有人通过新材料的开发以达到减小注塑制品收缩率的目的，但是开发新材料不仅需要耗费大量的资金，开发周期长，而且很多新开发的材料在尺寸精度上效果不是很理想；有的研究者通过调整注塑参数来寻找使注塑精密收缩率达到最小值的最优参数组合，例如田口法，能够一定程度的减小制品的收缩率，但是仍然难以满足精密注塑成型的要求；还有大量学者将减小收缩率的研究集中于提高模具的设计和制造精度上，但是对于一些收缩率较大的聚合物材料也没有取得理想的效果。近年来聚合物超声改性技术出现为注塑制品性能的提高提供了一种新的途径，本发明将超声振动系统和精密注塑模具集成起来，形成超声振动精密注塑模具，并利用该套系统分别对高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、共聚甲醛(POM)、聚苯乙烯(PS)四种材料进行效果验证。
发明内容
本发明要解决的问题是针对精密注塑制品因收缩而影响其尺寸精度的问题。本发明主要包括精密注塑模具、超声振动系统、连接部件和自动控制电路。超声振动系统通过连接部件连接到精密注塑模具上。其中超声振动系统包括超声振子、超声波换能器、导线和超声波发生器。连接部件是双头螺栓。为了实现超声振动系统、精密注塑模具和注塑机的一体化自动控制，本发明采用基于PLC(可编程控制器)的自动控制电路。自动控制电路包括PLC、控制器(KA1、KA2、KA3)、PC, KAU KA2、KA3分别与PLC连接；精密注塑模具中注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点分别与KA1、KA2的输入继电器相连，KA1、KA2的输出继电器的常开开关分别与PLC相连，PLC与KA3的输入继电器相连，KA3的输出继电器又与超声波发生器相连。由此组成超声振动和注塑机之间的自动控制回路。利用超声精密注塑模具控制注塑制品收缩率的的方法如下在注塑机开始注射熔体时，注塑机注射启动开关量输出点同时输出信号启动超声波发生器，使超声振子开始工作。超声振子通过双头螺栓带动镶块振动，以此对型腔内熔体施加超声振动，其超声作用阶段包括整个注射和保压过程。保压结束时，注塑机保压结束开关量输出点输出信号，使超声波发生器停止工作。随后进入冷却阶段，冷却结束后，模具开模并取出塑件。超声波发生器输出功率为O 800W。超声振子工作频率为19 20KHZ。塑件在成型过程中需经历以下几个阶段合模、注射熔体、超声振动、保压、停止超声振动、冷却、开模、推出塑件。在聚合物熔体开始注入型腔的同时，超声振子便直接对进入型腔的熔体施加超声振动，从而使聚合物熔体在熔体流动剪切力场和超声振动形成双重剪切力场的综合作用下，抑制了聚合物的结晶，而聚合物的结晶度是注塑制品收缩率的重要影响因素，收缩率随着结晶度的降低而降低，因此本发明实际上是通过超声精密注塑模具抑制注塑制品内部结晶度来达到降低塑料制品收缩率的目的。通过有效利用注塑机内部的注射成型过程中的实时控制信号(注射成型启动开关量信号和保压结束开关量信号)，作为超声振动系统开始与结束的控制信号；通过合理使用PLC及输入、输出继电器等元器件，以及编制PC控制程序来对超声振动系统进行精确自动控制。同时还可实现超声振动在射成型过程中的分段作用。从而实现精密塑件的自动
化生产。本发明具有以下优点1.通过将超声振动系统有效集成于精密注塑模具中，通过注塑过程中施加超声振动来降低结晶度的方法，从根本上大幅降低制品收缩率，提高精密注塑制品的尺寸精度。2.基于超声振动对熔融聚合物具有降低粘度的作用，因此该成型方法可在较小的注射压力下即可获得常规注塑成型较大压力下获得的填充效果，因此可以降低对注塑机能力的要求，节约能源和成本。3.利用注塑机内部注射成型过程的实时控制信号，通过外接PLC编程控制器，实现注塑机、超声振动系统的一体化自动控制，提高了精密注塑成型过程的自动化程度和生
产效率。
图1是超声精密注塑模具结构示意图。图2是图I中的超声振动部分局部放大图。图3是集成系统自动控制示意图。图4是分别对高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚苯乙烯(PS)四种材料通过本发明所测得的收缩率变化曲线。图中1导线；2超声波发生器；3卸料杆；4镶块；5双头螺栓；6超声振子；7动模板；8PC ;9注塑机;10控制器KAl ；11控制器KA2 ;12控制器KA3 ;13PLC。
具体实施例方式镶块4装于动模板7中，并保持间隙配合，以使镶块4在装配间隙之间进行振动。镶块4的端面和超声变幅杆6的端面均有MlO的螺孔，两者通过涂有环氧树脂的双头螺栓5进行连接，以此将超声振动系统产生的振动传递给镶块4。注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点分别与控制器10，11相连；同时，控制器10，11的输出继电器常开开关与PLC 13相连。PLC 13与控制器12的输入继电器相连；控制器12的输出继电器常开开关与超声波发生器2相连。在注塑机喷嘴开始注射时，注塑机9注射启动开关量输出点输出信号,控制器10的输入继电器通电，由PCL 13实现控制器12的输出继电器通电，控制超声波发生器2启动，超声振子6开始振动。保压结束时，注塑机9保压结束开关量输出点输出信号,控制器11的输入继电器通电，由PLC 13实现控制器12的输出继电器断电，控制超声波发生器2停止工作，经过冷却阶段后，模具开模，由卸料杆3将塑件顶出。
实施例I在注射压力56MPa，注射速度36mm/s，保压压力14MPa，保压时间0. 5s，料筒温度180°C，模具温度30°C的注塑条件下，对高密度聚乙烯(PE)施加频率为19.92HKZ，功率为500W的超声振动，收缩率从2. 79%下降到2. 34%，降幅为16. 13%。实施例2在注射压力63MPa，注射速度30mm/s，保压压力14MPa，保压时间0. 5s，料筒温度205°C，模具温度25°C的注塑条件下，对聚丙烯(PP)施加频率为19. 92HKz，功率为500W的超声振动，收缩率从2. 06%下降到I. 67%，降幅为18. 93%。实施例3在注射压力49MPa，注射速度36mm/s，保压压力14MPa，保压时间0. 5s，料筒温度1700C，模具温度50°C的注塑条件下，对聚甲醛(POM)施加频率为19. 92HKz，功率为500W的超声振动，收缩率从2. 71%下降到I. 91%，降幅为29. 52%。实施例4在注射压力70MPa，注射速度30mm/s，保压压力14MPa，保压时间0. 5s，料筒温度230°C，模具温度30°C的注塑条件下，对聚苯乙烯(PS)施加频率为19. 50HKz，功率为400W的超声振动，收缩率从0. 26%下降到0. 11%，降幅为57. 69%。
权利要求
1.一种基于超声外场作用的控制精密注塑制品成型收缩的装置，包括精密注塑模具、超 声振动系统、连接部件和基于PLC的自动控制电路；其特征在于，超声振动系统通过连接部件连接到精密注塑模具上，超声振动系统包括超声振子、超声波换能器、导线和超声波发生器，连接部件是双头螺栓； 自动控制电路包括PLC、控制器(KA1、KA2、KA3)、PC机，KA1、KA2、KA3分别与PLC连接；精密注塑模具中注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点分别与KA1、KA2的输入继电器相连，KA1、KA2的输出继电器的常开开关分别与PLC相连，PLC与KA3的输入继电器相连，KA3的输出继电器又与超声波发生器相连，由此组成超声振动和注塑机之间的自动控制回路。
2.利用权利要求I所述装置的方法，包括以下几个阶段合模、注射熔体、超声振动、保压、停止超声振动、冷却、开模、推出塑件；其特征在于， 在注塑机开始注射熔体时，注塑机注射启动开关量输出点同时输出信号启动超声波发生器，使超声振子开始工作；超声振子通过双头螺栓带动镶块振动，以此对型腔内熔体施加超声振动，其超声作用阶段包括整个注射和保压过程；保压结束时，注塑机保压结束开关量输出点输出信号，使超声波发生器停止工作；随后进入冷却阶段，冷却结束后，模具开模并取出塑件；超声波发生器输出功率为O 800W，超声振子工作频率为19 20KHz ； 通过有效利用注塑机内部的注射成型过程中的实时控制信号，作为超声振动系统开始与结束的控制信号；通过合理使用PLC及输入、输出继电器等元器件，以及编制PC控制程序来对超声振动系统进行精确自动控制。
全文摘要
一种基于超声外场作用的控制精密注塑制品成型收缩的装置及方法，属于微注塑成型技术领域。由精密注塑模具、超声振动系统、连接部件和基于PLC的自动控制电路组成装置，超声振动系统通过连接部件连接到精密注塑模具上，超声振动系统包括超声振子、超声波换能器、导线和超声波发生器，连接部件是双头螺栓；自动控制电路包括PLC、控制器(KA1、KA2、KA3)、PC机，KA1、KA2、KA3分别与PLC连接；精密注塑模具中注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点分别与KA1、KA2的输入继电器相连，KA1、KA2的输出继电器的常开开关分别与PLC相连，PLC与KA3的输入继电器相连，KA3的输出继电器又与超声波发生器相连。本发明通过对注塑成型中的熔融聚合物施加超声振动，降低注塑制品收缩率，提高其尺寸精度。
文档编号B29C45/76GK102615797SQ20121010056
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者于同敏, 包成, 祝思龙, 罗寿萍, 黄晓超 申请人:大连理工大学