注塑成型工艺在线监测方法与流程

本发明涉及注塑领域，具体涉及一种注塑成型工艺在线监测方法。

背景技术：

注塑成型工艺广泛应用于各工业领域，是生产塑料制品的一种重要方式。目前，各领域对塑料制品的质量要求越来越高，而塑料制品的质量跟制品在注塑过程中的注塑工艺参数有着密不可分的联系。但是，对于注塑工艺参数的调整主要是根据工程师的经验，缺少可靠的科学依据，而且效率低下。

随着人们对塑料成型零件质量和产量的要求越来越高，注塑过程的控制和质量的控制成了研究的热点。对于给定材料，材料的质量高度依赖于加工条件，这就产生了开发用于监测和控制注塑过程的智能化注塑模具技术的需求。然而，因为缺乏能对制品质量在线实时测量的传感器，过程控制变量与制品质量参数之间没有通用、精确的数学模型，真正无需人工干预，且成本在可接受范围内的注塑制品在线质量控制还没有实现。

经过近年的相关理论研究和实践证明，在既定的注射设备及材料下，型腔压力监测技术是确保长时间生产稳定性及产品质量的有效手段。注射制品的质量由型腔压力(p)，熔体比容量(v)、温度(t)三要素决定。理论上而言，只要保持此三要素的均衡就能确保制品质量。在现有的技术条件下，暂时未能提出直接获取熔体比容量的测量方法，只有型腔压力和温度能通过适当的方法实现高精度测量，以及在此基础上的进一步的控制。其中，型腔压力是实际塑料注射成形的过程参数，它真实地记录了熔体在注射过程中发生的变化情况，包括熔体在注射阶段、保压阶段、冷却阶段的实际流动状态。型腔压力技术为研究注射工艺与质量之间的关系提供了真实详细的过程信息，为指导人们科学分析注射工艺过程，解决实际问题提供了可靠的理论依据。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于型腔压力，实现注塑产品在线监测、产品质量监测和注塑工艺参数监测的注塑模具及其在线监测方法。

本发明一种注塑成型工艺在线监测方法，其技术方案为：在制品的近浇口区域和型腔末端处分别安装第一压力传感器和第二压力传感器，采集第一压力传感器和第二压力传感器的数据分别获取第一型腔压力曲线和第二型腔压力曲线，观察所述第一型腔压力曲线和第二型腔压力曲线，得到熔体在注射阶段、保压阶段、冷却阶段的实际流动状态，实现注塑成型工艺的在线监测。

较为优选的，所述第一压力传感器设置在型腔内熔体流动路径方向上，所述第一压力传感器位于流动路径的前1/3段内。

较为优选的，当所述制品为横截面变化较大的制品时，所述第一压力传感器安装在型腔横截面最大位置。

较为优选的，所述在线监测包括产品合格判断，其方法为：

根据最佳工艺参数，仿真出最优型腔压力曲线；

计算出所述第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线之间的容差，判断所述容差是否在标定的容差范围内；

若所述容差在标定的容差范围内，则所述产品为合格产品；

若所述容差不在标定的容差范围内，则所述产品为不合格产品。

较为优选的，当注塑材料为pp材料时，所述最佳工艺参数是注射时间为0.15s，熔体温度为260℃，模具温度为50℃，保压压力为34mpa，保压时间为8s。

较为优选的，所述在线监测包括注塑工艺参数调整，其方法为：

根据最佳工艺参数，仿真出最优型腔压力曲线；

将所述第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线进行比较；

若第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线重合，则无需调整注塑工艺参数；

若第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线不重合，则根据注塑工艺参数中注射速率对型腔压力曲线的影响、注塑工艺参数中模具温度对型腔压力曲线的影响、注塑工艺参数中保压压力对型腔压力曲线的影响和注塑工艺参数中保压时间对型腔压力曲线的影响，分析出导致所述第一型腔压力曲线形变的因素，所述因素为注射速率、模具温度、保压压力、保压时间中任意一种或多种参数偏大或偏小；

针对所述因素调节对应工艺参数，使第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线重合。

较为优选的，所述压力传感器为电容式压力传感器。

本发明的有益效果为：

1.采用电容式压力传感器来收集注塑过程中的型腔压力值，可以连续测量材料在整个注射成型过程中的型腔压力，得到的数据连贯且易分析。

2.通过近浇口区域和型腔末端处的两个电容式压力传感器收集的型腔压力数据绘成两条型腔压力曲线，可以清楚熔体在注射、保压和冷却阶段的状态信息，实现注塑阶段的在线监测。

3、通过计算测量所得的型腔压力曲线与仿真所得的最优型腔压力曲线的容差，判断注塑产品的合格与否，提高良品率。

4、通过各个工艺参数对型腔压力曲线形态的影响，对测量的型腔压力曲线进行分析，可以非常直观地判断工艺参数是否合理，不需要经验丰富的调模师傅就可以调到最优参数，满足生产要求；可以快速有效地修改参数，减少试模的浪费并能较快地进入生产状态。

附图说明

图1为本发明两个传感器的布置位置示意图；

图2为本发明第一型腔压力曲线和第二型腔压力曲线示意图；

图3为型腔压力曲线各特征点示意图；

图4为本发明腔压力曲线容差计算示意图；

图5为注射速率对型腔压力曲线的影响示意图；

图6为模具温度对型腔压力曲线的影响示意图；

图7为保压压力对型腔压力曲线的影响示意图；

图8为保压时间对型腔压力曲线的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

注射过程中，高分子熔体通过螺杆旋转挤压通过浇口进入型腔。电容式压力传感器安装在在浇口位置可以观察到的现象有：熔体进入型腔，也即开始注射的时刻，注射/保压切换的时刻，保压结束冷却开始的时刻。在型腔末端，也即塑料最后充填的位置也可以测得丰富的型腔压力变化信息：充填结束的时刻，注射/保压切换的时刻，保压结束冷却开始的时刻，开模时间。尤其对于熔体流动路径较长的制品，在型腔末端增加测量点尤为重要。

如图1所示，在制品的近浇口区域和型腔末端处分别安装第一压力传感器1和第二压力传感器2。第一压力传感器1安装在近浇口位于熔体流动路径一侧，在选择浇口附近的测量位置时，对于近浇口处难以安装传感器的模具，最好将第一压力传感器1安装在在流动路径的前1/3范围内。对于横截面变化较大的制品，应优先选择横截面最大，也即凝固时间最长的区域。其中，第一压力传感器1和第二压力传感器2均为电容式压力传感器。

如图3所示，塑料注塑成型过程是一个可以分为若干重要阶段的动态循环过程。模腔压力曲线上的6个特征点将注射成型过程分为5个特征明显的阶段。这些特征点的具体意义如下：

1、特征点1。料筒中的螺杆不断地向前推进，注塑过程开始。此时，塑料熔体尚未接触压力传感器，模腔压力传感器的测量值为0。

2、特征点1-2。塑料熔体在螺杆的推动下，经过模具的浇注系统被注射到模具型腔内，塑料熔体接触模腔压力传感器后，压力传感器测量到模腔压力。

3、特征点2。塑料熔体接触到模腔压力传感器。此后，随着注射过程的进行，模腔压力传感器测到的压力值不断增大。

4、特征点2-3。该阶段为充模阶段。此时，模腔压力不断升高，填充压力的大小取决于模腔内壁对塑料熔体的流动阻力。

5、特征点3。该点意味着塑料熔体已经完全填充模具型腔，是充模阶段和保压阶段的理想切换点。

6、特征点3-4。该阶段为保压阶段。在塑料熔体填充完模具型腔之后，注塑机需要继续对模具施加压力，不断地压缩塑料熔体，以确保塑料熔体被完全的压实填充，并且不会发生熔体倒流的现象。在该阶段中，模腔压力迅速升高，并得到最大值。

7、特征点4。随着保压的不断进行，模腔压力达到了最大值，其大小主要由保压压力和塑料物化特性共同决定。

8、特征点5。该点为浇口凝固点，浇口凝固后，熔体不再流入或流出模具型腔。同时，由于塑料熔体的凝固收缩，模腔压力不断减小。

9、特征点6。塑料制品完全凝固，并开始收缩，模腔压力重新回归为0，注射成型周期完成。

电容式压力传感器测得压力的信号之后，经过a/d转换成模拟信号，经过信号放大器将采集到的数据进行适当放大，输入软件系统的各个模块，进行数据处理和信号输出，最后得到第一型腔压力曲线1a和第二型腔压力曲线2a。从浇口附近测得的型腔压力曲线(第一型腔压力曲线1a)从开始充填型腔记录。在充填型腔的过程中，压力均匀上升。第二型腔压力曲线2a的起始点意味着熔体到达型腔末尾的时间点。由此可以看出高分子熔体在型腔内部的真实流动速率。与此同时，注塑机执行保压切换动作，进浇口的型腔压力有了显著提升，在型腔末端也有相应的响应。保压切换过程中型腔内熔体进行了压实和补缩过程，直到压力达到峰值。压力到达峰值后保压压力撤出，开始冷却过程。

本发明通过cae模拟仿真优化，经过计算模拟中的合理简化后获得可靠的型腔压力曲线推荐值，以此得到最优型腔压力曲线。如采用标准拉伸试件作为制件，采用的材料为pp，经cae模拟仿真得到，最佳工艺参数是注射时间为0.15s，熔体温度为260℃，模具温度为50℃，保压压力为34mpa，保压时间为8s。用此组数据加工，然后根据电容式压力传感器记录得到的型腔压力曲线即为最佳型腔压力曲线。

如图4所示，型腔压力积分值即为型腔压力对时间的积分。通过取得成形全程或部分区域间内的压力曲线面积值，可应用型腔压力曲线积分值。对于一在区间[a,b]上给定的非负函数f(x)，我们想要确定f(x)所代表的曲线与x坐标轴所夹图形的面积，我们可以将此记为：利用这个原理，任意选取区间[a,b]中一段，只要将实验得到的曲线型腔压力积分值与最佳型腔压力曲线型腔压力积分值进行对比，然后根据所需要加工的精度，确定一个值ε(即标定容差)，只要|s实验曲线-s目标曲线|<ε，就可以保证制件质量合格。

此外，还将第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线进行比较；若第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线重合，则无需调整注塑工艺参数；若第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线不重合，则根据注塑工艺参数中注射速率对型腔压力曲线的影响、注塑工艺参数中模具温度对型腔压力曲线的影响、注塑工艺参数中保压压力对型腔压力曲线的影响和注塑工艺参数中保压时间对型腔压力曲线的影响，分析出导致所述第一型腔压力曲线形变的因素，所述因素为注射速率、模具温度、保压压力、保压时间中任意一种或多种参数偏大或偏小；针对所述因素调节对应工艺参数，使第一型腔压力曲线与最优型腔压力曲线重合。

如图5所示，注射速率对型腔压力曲线的影响：

随着注射速率的升高，型腔压力曲线有向左上逐渐偏移的趋势。注射速率的升高减小了型腔充满的时间，达到压力峰值的时间随之左移。注射速率的升高还使得型腔压力峰值不断增大，并在注射速率超过一定数值后出现陡升；这说明此时的充填速度已经使得熔体瞬时充满型腔，在v/p转换之前变在型腔内产生了瞬间的高压。

如图6所示，模具温度对型腔压力曲线的影响：

随着模具温度的升高，型腔压力曲线的右边部分有向右上逐渐偏移的趋势。这说明冷却速率随着模具温度的升高而减慢，冷却时间增加，曲线右边部分曲率逐渐减小，冷却速率逐渐降低。曲线左边部分基本重合，开始充填的时间，v/p切换的时间，以及型腔压力顶峰几乎没有发生变化，说明模具温度的变化对于熔体充填的影响很小。曲线的型腔压力值随着模具温度的升高而逐渐增加。

如图7所示，保压压力对型腔压力曲线的影响：

随着保压压力的增加，型腔压力曲线有向右上逐渐偏移的趋势。显然，型腔压力峰值的改变与保压压力呈强相关的关系。换言之，型腔压力峰值的大小主要由保压压力决定，其次的影响因素分别为注射速度，零件形状，材料性能，模具温度，熔体温度等。曲线的型腔压力积分值与压力峰值的变化类似，其数值大小均为随着保压压力的增加而增加。

如图8所示，保压时间对型腔压力曲线的影响：

随着保压时间的增加，型腔压力曲线有向右方逐渐偏移的趋势。与保压压力相同，保压时间影响曲线形态主要在右边部分曲线下降的冷却过程，决定了熔体在冷却过程的发生的形态变化，对之前的工艺过程几乎没有影响。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。