一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法及成型设备与流程

本发明属于外部气体辅助注塑成型技术领域，具体涉及一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法及成型设备。

背景技术：

随着塑料工业和注塑成型技术的迅猛发展,塑料产品逐渐向着更加轻薄，更加个性化、更加复杂化的方向发展,这就要求注塑产品在满足一定的强度、刚度要求的同时还要有较高的表面质量和精度。然而,由于塑件收缩而产生的表面缩痕和形状整体翘曲等缺陷会严重影响产品的成型表面质量和精度。传统工艺,采用增大保压压力和保压时间的方法,虽然在一定程度上可以减轻制品的收缩情况,但是,增大保压压力和保压时间的同时,还增大了注塑过程中的锁模力,延长了生产周期,进而增加了生产成本。而且,增大保压压力还会使制件产生飞边现象,压力越大,飞边越严重。对于有肋状结构及凸柱的产品和大而平的薄壁塑件,传统工艺增压补偿的方法更是无能为力。而传统的内部气体辅助注塑成型技术虽然能减少塑件缩痕和翘曲变形的缺陷，提高塑件的表面质量。但是它仅适用于中空或允许内部有气道产生的制品，对于不是中空且内部不允许有气道的制品却束手无策。因此外部气体辅助注塑成型应运而生。

外部气体辅助注塑成型技术(简称“外辅”)是一种先进的塑料加工技术,它是在熔体完全填充型腔后，将一定压力的惰性气体从外辅设备中均匀注入到模具型腔表面与充填阶段形成的塑料冷凝层之间，利用气体的压力将溶体不断推向模壁,使其紧贴型腔壁以抵消成型过程中所产生的收缩,达到最大程度的降低塑件收缩所产生的缺陷的目的。相比采用传统保压方法,采用外辅工艺可以降低生产时模具所需锁模力,同时气体可以带走一部分热量,减少冷却时间,缩短生产周期。此外相比于传统内部气体辅助注塑成型技术外辅不需要较大尺寸气道结构，可不改变产品结构，反而可以进一步改善产品各部分壁厚来改善强度、节省材料，技术适应面更广。特别适用于又大又平且具有肋状结构、凸柱的薄壁产品。

注塑过程大致可描述为：室温下玻璃态的粒料在注塑机料筒内经过加热，塑化从玻璃态经高弹态再转化为粘流态然后由模具的浇注系统进入模具型腔。在模具型腔内逐渐冷却再从粘流态返经高弹态转回玻璃态，最后形成与模具型腔形状一致的制品。其中塑料从粘流态冷却至玻璃态的过程中，各个聚集状态在厚度方向上是分为若干层的，熔融塑料首先接触到较低温度的模具型腔，在表面形成冷凝层。随着成型过程的进行，冷凝层向内逐渐推进，同时塑料也从熔融状态逐渐冷却至固态。由于熔体冷却过程中各层的厚度是随着时间变化的，因此在冷凝层厚度也是随时间变化。

外辅注塑成型与传统注塑的主要不同体现在保压阶段,气体保压替代传统螺杆推动熔体保压,其中延迟时间是影响气体保压效果的重要参数，它与冷却凝固层厚度是相匹配的。保压冷却的前期，冷却凝固层温度较高，厚度相对比较薄，因此强度较低，若此时在模具型腔表面和冷却凝固层之间注入气体，带压力的气体会导致塑件表面凹凸不平甚至击穿塑件，无法达到高质量表面塑件的要求。而随着保压冷却的进行，温度逐渐降低，冷凝层逐渐变厚，强度不断上升。如果外部气体注入时间过晚，由于绝大部分的熔体已经冷却到塑料的玻璃态温度之下，从外部注入的带压力气体对冷却凝固层已基本没有推动作用，达不到外部辅助注塑要求的气体保压效果。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法及成型设备。它能解决现有设备无法准备判断合理的注气时机而且存在判断方法过于复杂的问题以及外辅成型设备容易出现气体击穿塑件或者无法显著消除缩痕的问题。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于包括以下步骤：

1）采集超声信号

在模具的模具型腔内安装超声探头，在成型过程中向垂直于熔体的流动方向按照发射频率（f）发射n组超声波，采集每组超声波的反射回波LB1、LB2、LB3、LB5、……LBn；其中LBn为第n组超声波在冷凝层界面发生的反射回波，所述的冷凝层界面为模具内表面与冷凝层的界面；

2）计算冷凝层的厚度

a.计算冷凝层厚度h

通过与超声探头相连的信号处理装置计算入射波与反射波LBn之间的时间间隔∆t，冷凝层厚度h为：h=1/2×v×∆t；

其中，v为超声波在冷凝层中的传播速度，冷凝层指在注塑过程中熔融塑料首先接触到较低温度的模具型腔，在表面形成的冷凝层；

b.计算超声波在冷凝层中的速度v

将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料制品在超声波对应处的厚度h0，然后在塑料制品一侧发射超声波至另一侧接收，从而得到超声波穿过塑料制品的时间t，进而计算出超声波在冷凝层中的传播速度v=h0/t；

c.计算超声波发射的时间间隔∆t

通过已知的超声波发射频率f,即单位时间内超声波发射的次数，得到发射周期T=1/f，进而求出超声波发射的时间间隔∆t，将步骤b、步骤c中的速度v、时间间隔∆t代入步骤a中求得冷凝层厚度厚度h；

3）建立时间-冷凝层厚度参照标准

建立时间-冷凝层厚度参照坐标主要分以下步骤：

a将超声探头连接到信号处理装置，信号处理装置将接收的波形信号转化成电信号，传输至控制装置进行处理，控制装置根据接收到的电信号和超声波的发射频率，将所接收的信号处理成每组超声波发射时间和每组入射波与该组反射波的时间间隔，即（t1 ∆t1）（t2 ∆t2）（t3 ∆t3）……（tn∆tn）；

b然后将步骤2）中的计算公式输入控制装置得到相应的每组超声波发射时间t与此时冷凝层厚度h的对应数据即（t1 h1）（t2 h2）（t3 h3）……（tnhn），然后由控制装置对所得的数据进行二阶多项式拟合得到的时间-冷凝层厚度的坐标曲线；

c将坐标曲线中时间横轴按照相同的时间间隔进行分割，找到所对应的冷凝层厚度，将每一个时间-冷凝层厚度设定为理想的注气时间-冷凝层厚度区域，作为参照基准；

4）选择合适的注气时间区域

选取一组注塑中的塑件，在塑件注塑成型过程中，控制装置将步骤3）中得到的参照基准中各个区域信号分别反馈至对应的每个气辅控制装置的气辅压力调节装置输入端，气辅压力调节装置将得到的信号经过输出端发送给气体压缩机，控制气体压缩机输送出对应压力的气体进入储气罐中储存，打开气辅开关装置，将储气罐的气体通过进气通道和气针对塑料进行注气，注气结束后，脱模取件，通过测量装置测量各个时间-距离区域所对应塑件的缩痕深度值，将缩痕深度值最小的时间作为合适的注气时间区域；

5）在批量注塑塑件时，将步骤4）得到的注气时间区域的时间作为注气时间，即在注塑完成后，冷却至注气时间区域的时间后，进行注气辅助成型。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于时间间隔的划分依据：选取保压冷却前期阶段进行划分。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于超声探头对冷凝层的厚度变化进行实时监测，将每一个波形信号传输给信号处理装置，经信号处理装置将波形信号通过电信号转换传输给控制装置。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于控制装置包括信号接收装置，数据处理装置和信号传输装置，信号接收装置接收来自信号处理装置的波形信号，由数据处理装置建立成型过程中冷凝层厚度随时间变化的统计模型，并将数据绘制成时间-冷凝层厚度坐标曲线图，并对时间横轴按照相同的时间间隔进行分割，找到对应的冷凝层厚度区域，将各个时间-冷凝层厚度区域设为理想注气区域，再通过信号传输装置依次将设定的理想注气区域信号传输至气辅控制装置，由气辅控制装置参数进行外辅注气。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于控制装置中的数据处理装置将所接收的信号处理成每组超声波发射时间和每组入射波与该组反射波的时间间隔，即（t1∆t1）（t2 ∆t2）（t3∆t3）……（tn∆tn），转化为相应的每组超声波发射时间t与此时冷凝层厚度h的对应数据即（t1h1）（t2h2）（t3h3）……（tnhn）并对对所得的数据进行二阶多项式拟合得到的时间-冷凝层厚度的坐标曲线。

所述的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型方法，其特征在于气辅控制装置接收控制装置传输的信号来控制气体压缩机输出相应压力的高压气体，来完成外部气体注入的过程；气辅压力调节装置用于调节气体压缩机的参数，来生产成不同压力的气体，气辅开关装置控制是否注气。

所述的一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，包括注塑模具，所述注塑模具设有浇口、型腔、气针、进气通道、拉料杆、推杆及超声波探头，其特征在于超声探头和信号处理装置连接，信号处理装置依次连接控制装置和气辅控制装置，气辅控制装置通过进气通道连接气针，气辅控制装置内的压缩气体通过气针进入型腔内部。

所述的一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，其特征在于气辅控制装置包括气辅压力调节装置、气体压缩机、储气罐及气辅开关装置，所述气辅压力调节装置输入端与控制装置信号连接，气辅压力调节装置输出端连接气体压缩机，气体压缩机与储气罐、气针通过进气通道连接，气辅开关装置设置在储气罐与气针之间的进气通道上，用于控制气针出气。

所述的一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，其特征在于气针通过螺纹固定连接在注塑模具本体内部，气针端头位于型腔表面。

所述的一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，其特征在于超声探头设有螺纹，通过螺纹安装固定在注塑模具本体内，用于实时测量冷凝层与型腔内部的距离变化。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明所用的基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，包括注塑模具，所述注塑模具设有浇口、型腔、气针、进气通道、拉料杆及超声探头，超声探头与信号处理装置连接，信号处理装置依次连接控制装置和气辅控制装置，气辅控制装置通过进气通道连接气针，气辅控制装置内的压缩气体通过气针进入型腔内部，本发明合理的将超声检测技术用于外辅成型设备中，既简单快速的判断合适的注气时间，提高了生产效率，同时也可以有效的去除了塑件表面缩痕，提升了产品质量；

2）本发明通过实时测量冷凝层厚度，建立成型过程中冷凝层厚度随时间的变化的关系，结合成型过程分析来确定保证有合理的冷凝层厚度的注气时间，并将得到的气体注入时间运用到了外辅成型设备中，完成良好地气体保压；它既简单快速的判断合适的注气时间，提高了生产效率，同时也可以有效的去除了塑件表面缩痕，提高了产品质量。

附图说明

图1为超声波测试原理图；

图2为没有外部气体介入的情况下所得到的冷凝层与模具型腔内壁之间的距离与时间的曲线关系图；

图3为本发明设备的结构示意图。

图中：1-浇口，2-模具型腔，3-气针，4-进气通道，5-拉料杆，6-推杆，7-超声探头，8-信号处理装置，9-控制装置，10-气辅压力调节装置，11-气体压缩机，12-储气罐，13-气辅开关装置，14-气辅控制装置，15-熔体，16-冷凝层，17-模具。

具体实施方式

以下结合说明附图具体阐述本发明的实施过程，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1所示，本发明的一种基于超声测量的外部气体辅助注塑成型设备，包括模具17上设有的浇口1、模具型腔2、气针3、进气通道4、拉料杆5、推杆6、及超声探头7，气针3通过螺纹安装在模具型腔2内，气针3端头位于模具型腔2表面，超声探头7设有螺纹，通过螺纹连接安装在模具型腔2的表面，用于实施监测模具型腔内壁与冷凝层16之间距离的变化，超声探头7与信号处理装置8连接，信号处理装置8用于控制超声探头发出超声波，还用于接收和采集超声反射波，并将接收和采集的反射波经过信号转换传输给连接控制装置9，控制装置9和气辅控制装置14相连，气辅控制装置14包括气辅压力调节装置10、气体压缩机11、储气罐12及气辅开关装置13，所述气辅压力调节装置10、气体压缩机11、储气罐12及气辅开关装置13，所述气辅压力调节装置10输入端与控制装置9信号连接，气辅压力调节装置10输出端连接气体压缩机11，气体压缩机11于储气罐12、气针3通过进气通道4连接，气辅开关装置13设置在储气罐12与气针3之间的进气道4上，用于控制气针3出气。

所述超声探头7实时测量冷凝层厚度的变化，并将波形信号传输给信号处理装置8，经信号处理装置8进行信号处理然后传输至控制装置9。所述控制装置9包括信号接收装置，数据处理装置和信号传输装置，信号接收来自信号处理装置8的电信号，由数据处理装置建立成型过程中冷凝层厚度随时间变化的统计模型，并将数据绘制成时间-冷凝层厚度坐标曲线，并对时间横轴按照超声波发射的时间间隔进行分割，找到对应的冷凝层厚度区域，将各个时间-冷凝层厚度区域设为理想的注气区域，再通过信号传输装置依次将设定的理想注气区域信号传输至气辅控制装置1，由气辅控制装置参数进行外辅注气。

所述气辅控制装置14接收控制装置9传输的信号来控制气体压缩机11输出相应压力的高压气体，来完成外部气体注入过程；气辅压力调节装置10用于调节气体压缩机11的参数，来生产成不同压力的气体，气辅开关装置13控制是否注气。

如图所示，本发明的工作过程如下；在注塑完成后，超声探头7实施检测模具型腔2与冷凝层16之间距离的变化，并将其反馈至信号处理装置8，由信号处理装置8对波形信号的处理，即将模具型腔2内表面的超声探头所接收的反射波信号进行电信号转换后发送至控制装置9，在控制装置9将接收的来自超声探头所接收到的波形信号进行处理，建立注塑产品成型过程中型腔与冷凝层之间距离与时间的变化的统计模型，并以时间为横坐标、距离为纵坐标，将对应的距离与时间绘制成时间-冷凝层厚度坐标图，并对横轴时间按照相同的时间间隔进行分割，找到对应的距离区域，将各个时间-冷凝层厚度区域设为理想注气区域，选取与理想注气区域相同的注塑中的塑件，进行平行试验，从中选取最优的注气时间，具体过程如下：

在塑件注塑成型过程中，控制装置将参照基准中各个理想区域信号分别反馈至对应的每个气辅控制装置的气辅压力调节装置输入端，气辅压力调节装置将得到的信号经过输出端发送给气体压缩机，控制气体压缩机11送出对应压力的气体进入储气罐12中储存，打开气辅开关装置13，将储气罐12的气体通过气体通道4和气针3对塑料进行注气，注气结束后，出模各个取件，通过测量装置测量各个距离-时间区域所对应的塑件的缩痕深度值，将缩痕深度值最小的时间作为合适的注气区域。

在批量注塑过程中，将得到的合适的注气时间区域作为实际注气时间段，即注塑完成后，先冷却至实际注气时间段后，再由气辅控制装置14的气辅压力调节装置10，通过气辅压力调节装置10控制气体压缩机11的压缩气体的压力，使气体压缩机11输入相应压力的压缩气体存至储气罐12中，打开气辅开关装置13，将储气罐12中的相应压力的气体经进气通道4和气针3进行注气，即采用气辅压力调节装置10灵活的调节气体压缩机11的压力参数，来生产成不同压力的气体，再通过气辅开关装置13来控制是否向外部注气，反应灵敏迅速，它通过合理将超声测试技术用到了外辅成型设备中，既能判断合适的注气时间，提高了生产效率，同时也可以有效的去除塑件表面缩痕，提高了产品质量。

模具开模时，主流道凝料在拉料杆5的作用下从浇口套中被拉出，随后推杆6将塑件和凝料一起推出模具，取出产品。

本发明的时间-冷凝层厚度坐标曲线经过对多组数据的拟合得到，超声波发射频率越高，所拟合得到的坐标曲线越准确。此外本发明的时间间隔区域选用的是保压冷却前期阶段作为分割区，对所得的坐标曲线时间横轴分割的段数越多，就越接近理想时间值。

实施例1；

如图2所示，该示意图是在没有外部气体介入的情况下在保压冷却阶段冷凝层厚度与时间的曲线关系图。此时型腔内的熔体15注塑完成充模，型腔内熔体开始冷却收缩，冷凝层开始形成，同时模具型腔内壁与冷凝层之间开始产生距离并逐渐增大。图中t0-t5代表保压冷却前期阶段，控制装置对保压冷却前期阶段按照超声波发射的时间间隔进行分割，即t0-t1；t1-t2；t2-t3；t3-t4；t4-t5；共5段时间间隔，t6表示保压冷却后期熔体基本凝固不在收缩，此时模具型腔与冷凝层之间的距离达到最大并保持不变。之后开始注塑成型，该次注塑成型在t0-t1内对塑件进行一定压力气体的外部注气，进行保压冷却，之后脱模取件，塑件冷却至室温后进行表面缩痕值的测量记录，采用同样的方法依次在t1-t2；t2-t3；t3-t4；t4-t5；内进行外部气体辅助成型，记录各个塑件的表面缩痕值。最后通过比较缩痕值的大小，从而确定最终的注气时机。缩痕值最小所对应的注气时机作为最后大批量生产所对的注气时机。当时间间隔越小时，所划分的时间段越多，所对应的注气时机越理想，所产生的缩痕值越小，最大限度的提升了产品质量。

本发明所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举。本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围也仅仅于本人领域技术技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。