一种塑料注射成型工艺注射速率的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于塑料注射成型技术领域，更具体地，涉及一种塑料成型工艺注射速率 的优化方法。
【背景技术】
[0002] 在注射成型过程中，熔体前沿的速度对塑件质量有着重要的影响。通常情况下，随 着熔体流动速度的增加，残余应力、表面应力和分子取向度也会相应增加，熔体流动速度的 变化造成分子取向不均，从而导致塑件产生翘曲变形。
[0003] 在注射成型过程中，熔体前沿的流动速度与注射速率和流动前沿面积有关，其中， 注射速率是注射机将物料注入模具的速度，也是注射成型工艺过程中的一个重要工艺参 数。如果注射速率在整个充填过程中保持恒定，熔体流动前沿的速度势必会随着熔体前沿 面积的变化而变化：熔体前沿面积增大时熔体流动速度减小，反之熔体流动速度则会增大。 因此，在塑料制品的成型过程中，常常根据熔体前沿面积的变化调整注射速率。
[0004] 试凑法是工业现场很常用的一种方法。注射速度参数的分段是可以根据操作者的 经验与多次试模操作来确定，但是，找出所有合理分段点，并给出各段速度值，使熔体流速 为定值是很困难的。特别是对于形状比较复杂的模具这点很难保证。Chen等研制出了熔料 在模腔内填充位移的电容传感器，它能有效地在线检测出熔体在模腔内的填充位移和速 度。但是，由于电容传感器安装较复杂、增加了模具生产成本，且检测精度易受干扰，所 提方法在生产实际中很难推广。此外，还有通过数值模拟技术来获取流前速度的方法，但 这类方法都需要预先知道模腔的形状，而且优化结果准确与否取决于所用机理模型的精 确程度，然而建立一个精确的机理模型是非常困难的。
[0005] 目前，在公开的专利中也涉及到注射速率分段优化的方法，如专利CN101028740A， 该专利提出了一种对注射速度进行自动分段并优化的方法，但该专利假设喷嘴压力曲线对 充填行程的导数与熔体体积流速是线性关系，实际上，它们之间的关系是指数关系，而将其 关系假设成线性关系会导致其速度优化结果的不准确。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于简化数学模型的优化方 法，即根据已建立的表征充填过程的简化数学模型，检测入口压力随注射时间的变化，反演 熔体前沿面积变化，建立流动前沿面积与注射时间的关系，从而能更加准确地确定速度分 段点并调整注射速率，使熔体流动前沿保持恒定的流动速度。同时，本发明中的优化算法能 够实现注射速度的自动优化分段，不需要人工参与，减少了工作量，提高了生产效率。
[0007] 所述方法包括以下步骤：
[0008] (1)获取所用塑料熔体在不同剪切速率下的粘度，然后对剪切速率和粘度数据进 行拟合，求解出稠度系数和流变指数；
[0009] (2)测算塑料零件的平均厚度h;
[0010] (3)通过注塑机，以恒定的体积流率f。对该制品的模具进行注射直至充满，从注塑 机上导出注射压力一注射时间曲线P(]=f(t)，根据步骤（1)中求解出的稠度系数和流变指 数和步骤（2)测算的平均厚度，计算得到流动前沿面积一注射时间曲线，其示意图如图3所 示；其中，Pc表示注射压力，t代表注射时间；
[0011] (4)对流动前沿面积一注射时间曲线进行分段，使每段注射过程的熔体流动前沿 面积保持相对稳定，确定分段数和分段点，并计算出各段的平均熔体流前面积，其流程如图 4所示，分段结果示意图如图5所示；
[0012] (5)设定熔体流动前沿速度为V，根据所得分段点，计算出注塑机螺杆的各段行 程，调整每一段的体积流率fpj= 1、2、…K，使流动前沿的速度维持恒定。
[0013] 进一步地，所述步骤（1)采用流变仪测得所用塑料熔体在不同剪切速率下的粘 度。
[0014] 进一步地，所述步骤（1)根据粘度幂律模型
对剪切速率和粘度进行 拟合，从而得到对应的m与η的值。其中，η为熔体粘度，m、n分别为稠度系数和流变指数，ε为剪切速率。
[0015] 进一步地，所述步骤（3)中计算流动前沿面积一注射时间曲线包含如下子步骤：
[0016] (3. 1)对pQ=f(t)求导，得到注射压力对时间的导数关系，
[0017](3.2)将m、n、h、f。与
入下式，求得熔体流前面积一注射时间曲线s⑴：
[0019]进一步地，所述步骤（4)包含如下步骤：
[0020] (4. 1)设从注塑机上导出的流动前沿面积一注射时间曲线上共有N个采样点，得 到各点流动前沿面积s(i),i= 1、2、…N，计算差值Δ=Smax-Smin，Smax表示s(i)的最大 值、S_表示s(i)的最小值；N由注塑机采样频率决定；
[0021] (4. 2)设定百分比p，将ρΧΔ作为分段阈值，p的取值范围为0-100% ;
[0022] (4. 3)令k= 0,作为计数起点，令K= 0,K为分段段数；
[0023](4. 4)将k计数加1，比较s(k)和s(k+Ι)的大小，令较大值为n_，较小值为n_;
[0024] (4. 5)将k计数加1，比较s(k+1)与nmax的大小；判别是否s(k+1)彡η_，是则nmax =s(k+1)，转步骤（4. 7);否则转步骤（4. 6);
[0025] (4. 6)判别是否s(k+l)彡nmin，是则nmin=s(k+l);
[0026] (4.7)比较11_-11_是否大于ρΧΔ，是则将点k作为分段点，K=K+1，转入步骤 (4. 8);否则转步骤（4. 9);
[0027] (4.8)判别k+1 =Ν是否成立，是则将点k+Ι作为最后一个分段点，Κ=Κ+1，并进 入步骤（4. 10)，否则返回步骤（4. 4);
[0028] (4.9)判别k+1 =Ν是否成立，是则将k+Ι作为最后一个分段点，Κ=Κ+1，并进入 步骤（4. 10)，否则返回步骤（4. 5);
[0029](4. 10)判别是否分段数Κ大于注塑机所能提供的分段数，是则增大ρ，并重复步骤 (4· 3)至步骤（4· 10)直到K满足要求；
[0030] (4. 11)分段完成后，记每一段的注射时间为T,，计算每一段的平均面积S,，计算公 式为
[0032] 进一步地，所述步骤（5)包含如下步骤：
[0033] (5. 1)设螺杆直径为D，计算并设置螺杆每一段行程，计算公式为
[0034]
j=U，..·，Κ，其中T0= 0 ;
[0035] (5. 2)设定熔体流动前沿速度为ν，设置每一段的体积流率为fj并使
，从而 使得熔体流前速度维持恒定。
[0036] 本发明的原理是根据充填过程的简化数学模型，检测入口压力随注射时间的变 化，反演熔体前沿面积变化，建立流动前沿面积与注射时间的关系，从而能更加准确地确定 速度分级点并调整注射速率，使熔体流动前沿保持恒定的流动速度。
[0037] 在实际应用中，因大多数塑料件都是壁厚均匀的薄壁制品，故可以将复杂零件简 化成厚度均匀，宽度任意变化的平板。如图2所示，记零件厚度为h，宽度为y=y(X)，入口 处的体积流率为f且恒定，入口压力为P。假设充填过程中每一处的流动都是二维稳态流 动，宽度和厚度方向上的速度分量为〇,熔体不可压缩，且熔体粘度公式为
[0039] 其中η为熔体粘度，m、η分别为稠度系数和流变指数，?为剪切速率，则X处的平 均速度满足
[0043] 根据质量守恒关系
[0045] 以及公式（2)，可得到
[0053] 其中流前位置xf处的压力pf= 0,p。=pIx=。为入口压力。注意到p。和xf是关 于t的函数，对公式（8)两边分别取时间的导数得到
[0055]
为流前的前进速度，yf为流前处零件的宽度。根据公式（4)，可得到
[0059]根据K的定义，可以得到
[0061]公式（12)反映了流动前沿宽度（即流动前沿面积大小）与入口压力对时间的导 数的关系，即流动前沿宽度与注射时间的关系。公式两边再乘以厚度h，即得到流动前沿面 积与注射时间的关系s(t)。
[0063]由于采取上述技术方案，具有以下优点和积极效果：通过建立充填过程的简化数 学模型与获得注射压力一注射时间曲线，能够反演流动前沿面积的变化情况，建立流动前 沿面积与注射时间的关系，从而能更加准确地确定速度分级点并调整注射速率，使熔体前 沿保持恒定的流动速度。同时，本发明中的优化算法能够实现注射速度的自动优化分段，不 需要人工参与，减少了工作量，提高了生产效率。
【附图说明】
[0064] 图1是本发明方法的流程图；
[0065] 图2是充填过程的简化模型；
[0066] 图3是流动前沿面积一注射时间关系示意图；
[0067] 图4是注射过程分段流程图
[0068] 图5是注射过程分段结果示意图；
[0069] 图6是实施例中的制品几何图；
[0070] 图7是实施例中的流动前沿面积一注射时间曲线图；
[0071] 图8实施例中的注射过程分段图。
【具体实施方式】
[0072] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0073] 依据以上原理，本发明作为一种塑料成型工艺注射速率的优化方法，具体包括以 下步骤：
[0074] (1)用流变仪测出所用塑料在不同剪切速率下的粘度，然后根据粘度幂律模型
对剪切速率和粘度数据进行拟合，从而得到对应的m与η的值，其中η为熔体 粘度，m、η分别为稠度系数和流变指数，?为剪切速率；
[0075] (2)测算塑料零件的平均厚度为h;
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