注塑机模腔树脂压力控制方法

专利名称：注塑机模腔树脂压力控制方法
技术领域：
本发明涉及一种注塑成型技术，具体地说是一种注塑机模腔树脂压力控制 原理及方法。
背景技术：
注塑成型(Injection Molding)是指通过对树脂材料进行加热和在机械剪切 应力作用下使树脂成为熔融状态，并将已热融化的塑料由高压射入封闭的模腔 内，经冷却固化定型后取得成形品的循环工艺过程。该方法适用于形状复杂部 件的批量生产，是重要的加工方法之一。注塑成型机(简称注塑机或注射机)， 是现今最适合进行大量生产的产业装置。
现在，塑料制品在社会生活中的使用非常广泛，小到日用品，大到家电零 件、汽车配件、工业部件、电子元件乃至医疗器械。从粗放型产品到超薄电子 元器件替代品的诞生，充分运用塑料特性，研发出附加值更高的产品，成了该 行业的追求。然而当注塑业在发展同时，也不应忽视现实中还存在的许多技术 上的难题，尤其是如何生产出优质稳定的产品，如何节约资源、能源等。
模具、注塑机、周边机器甚至是周围环境等，凡是与注塑相关的因素都会 影响制品的质量，而成型条件的设定方法和控制方法是众多因素中至关重要的 一个。
成型条件的设定必须以塑料的状态变量为基础。那是因为制品的质量是由 模腔内的压力、温度以及容积变化等参数决定的。其中尤以模腔压力波形最为 重要。其理由是，根据模腔压力波形可以显示和测量出制品成型的详细状况， 从而能够简单、迅速地进行控制。因此，无论是当作理论研究或看作是一个实 际中遇到的问题，模腔压力波形控制是控制制品质量的关键。通过模腔压力波 形控制可以使原先在机械部分和模腔中存在的无法观测到的现象透明化。
虽然注射成型的条件有许多，且无论哪一个条件都是不可缺少的构成要素， 但是，如果它们各自分开，则不能成为决定质量的尺度，只有在彼此间相互调 和、互为影响下，才能够成为决定质量的整体。而作为塑料状态变量之一的模 具内压力波形便是这样的一个尺度。并且，只有在控制模腔压力波形后，才能 计算出模腔内熔融温度(此温度也是一个非常重要的但难以测量和控制的状态 变量)的正确值，从而确保质量的稳定。
对于注射压力的控制，传统注塑机一般基于行程和时间来进行压力切换， 其控制也包含两层含义 一个是对螺杆推进物料的压力进行开环或闭环控制。 另一个是对螺杆推进压力同时进行位置和压力值的多级切换，称为多级注射压 力切换或控制。
传统注塑机的注塑控制全部采用螺杆的前进速度和前进压力的液压控制， 不能自由地对产品的质量进行控制，是一种间接控制产品质量的方法，其精度和稳定性都较差。

发明内容
本发明的目的是提供一种模腔树脂压力控制原理及方法，这种方法能有效 的提高制品质量和精度以及降低成本。
按照本发明提供的技术方案，所述注塑机模腔树脂压力控制方法包括如下 步骤
步骤一，设置压力传感器的检测位置；设置时，当模腔直接位于浇注口下 面时，将压力传感器的检测位置设置在模腔的主流道附近；当模腔位于浇注口 两边的情况下，将压力传感器的检测位置设置在靠近主流道的分流道内；
步骤二，在注塑控制过程中，随着物料不断地进入模腔，模腔压力会逐渐 升高；在整个物料进入过程中，利用所述压力传感器，在模腔即将完全达到模 腔压力设定值之前，即时检测出模腔的实际压力，并立即发&至控制器，由控 制器计算出模腔实际压力与模腔压力设定值的接近速度来控制模腔压力；
在控制模腔压力时，利用模腔内流动的熔融物料的细微变化会引起模腔内 实际压力的变化的特点，通过所述压力传感器来捕捉实际的模腔压力的变化， 并将这种压力变化转化为电信号后发送至控制器，由控制器将模腔压力的变动 值与模腔压力设定值进行比较后，控制伺服阀迅速调整物料的射出压力和射出 速度，使模腔的实际压力与模腔压力设定值保持一致，实现从填充阶段到保压 阶段即时修正模腔内实际压力的反馈控制。
所述注塑控制过程包括4个阶段
填充阶段在物料填充入模腔时，模腔内的压力逐渐上升，当物料填充接 近饱和，膜腔压力上升至压縮阶段的初始压力设定值后转入压縮阶段；
压縮阶段模腔内的压力不断提高，使物料的密度不断加大；在压縮阶段 中，压力的上升速度与时间的关系是开始阶段与结束阶段的升压速度小于中 间阶段的升压速度；
保压阶段在模腔内的压力达到设定值后，开始保压；在保压阶段使物料
的内部粒度分布均匀并达到良好的结晶性树脂结晶度；
冷却阶段物料经过保压后，再使模腔内的压力逐渐冷却至零，形成制品。
本注塑控制方法采用与产品质量直接有关的模腔树脂压力(模腔压力波形) 进行控制，这种控制方式因能获得模腔内的树脂压力变化值，故可对高精密制
品进行模腔内的塑料变化的控制,从可抑制成型品的成品未完成(SHORT)和填 料过饱(OVERPACK)现象，实现产品质量的高精度和稳定性的控制，是一种直 接控制产品质量的方法。


图1是传统注塑机由注射过程切换到保压状态时模腔压力的波形图。 图2是以模腔压力进行保压切换的波形图。 图3是一种典型的模腔压力波形图。
图4是高速填充的模腔压力波形图。这是一种比较理想的波形图。
图5是高速填充-低速注射的波形图，虽然接近理想波形但可能发生末端部分的空气泄漏不良的情况。
图6是低速填充-高速注射的波形图，可以防止喷嘴部分出现喷出，裂缝等 情况。
图7是低速填充-低速注射的波形图。
具体实施例方式
本发明包含如下步骤
步骤一，设置压力传感器的检测位置；首先要调查制品各部分的压力分布， 其次要以监视成型条件和控制制品质量为目的来使用膜腔压力传感器。压力传 感器的检测位置一般分为两种情况l.当制品与浇注口垂直的情况下将检测位 置设置在在主流道附近。2.当制品位于浇注口两边、接头部分的情况下将检测 位置设置在靠近主流道的一部分流道的地方。另外树脂的滞留部分和分歧点需 要避开而且所选的通路必须是树脂的末端部分必定会经过的通路。
步骤二，利用所述传感器，在模腔未完全达到模腔压力设定值之前检测出 模腔压力，并发送至控制器，由控制器计算出与模腔压力设定值的接近速度来 控制模腔压力；
控制时，将模腔压力波形设定为成型条件，使得腔内流动的熔融树脂的细 微变化，通过压力传感器来捕捉模腔压力波形的变动，然后由伺服阀迅速调整 射出压力和射出速度，进行从填充到保压完成阶段的修正模具内压力波形设定 值的反馈控制；
所述注塑控制过程包括4个阶段
填充阶段在物料填充入模腔时，模腔内的压力逐渐上升，当物料填充接 近饱和，膜腔压力上升至压縮阶段的初始压力设定值后转入压縮阶段。填充阶 段的时间为0.1~99秒，压力从零上升至10 999kg/cm2 ;
压縮阶段进一步提高模腔内的压力，开始对物料进行注射，使物料的密 度不断加大；整个压縮阶段的时间是0.01 99.99秒，压力逐步上升到 100 3300kg/cm2为止；在压縮阶段中，压力的上升速度与时间的关系是开始 阶段与结束阶段的升压速度小于中间阶段的升压速度；
保压阶段在模腔内的压力达到100 3300kg/cm2后，开始保压；保压时间 0.1~99.的秒；保压压力100~3300kg/cm2 ;在保压阶段使物料的内部粒度分布 均匀并达到良好的结晶性树脂结晶度；
冷却阶段物料经过保压后，再使模腔内的压力逐渐冷却至零，形成制品； 整个冷却时间为0.1~99秒。
本申请是注射成型过程的模腔压力控制原理及方法。本注塑成型控制方法 采用全闭环的反馈控制方式，利用模具内的树脂压力(模内压波形)对注塑缸 进行控制，使原来在机械部分和模腔中存在的无法观测到的现象透明化。
这种控制方式因能获得模具内的树脂压力变化值，能较好地调节由很微小 的外乱所造成的成型条件的偏差，对于超薄和高精密化塑料产品有较好的质量 控制，可抑制成型品的成品未完成和填料过饱现象，抑制不良品的产生，也不 会造成模具的破损，实现产品质量的高精度和稳定的控制，产品质量得以保证。是一种直接控制产品质量的方法。
因采用了闭环控制方式，节约了液压系统的损耗，减少注塑时间，达到了 节能效果。
下面对本发明的控制原理、压力波形对产品的影响加以描述。
(1) 模腔树脂压力控制的原理
图1为传统注塑机由注射过程切换到保压状态时模腔压力的波形图。每一 段间距中填充的树脂量都在变化。从模腔压力最高值可以看出，制品的重量， 尺寸并不稳定。
这是因为即使螺杆实际前进速度与设定速度相同，但在熔融状态影响下， 机筒内树脂的速度发生改变，与螺杆实际前进速度并不相同，所以螺杆室内逆 流阀的闭塞时间以及螺杆室内树脂量的实际值与测量值之间都存在误差，导致 逆流阀没有完全关好，造成填充量的少量泄漏。
想要使制品的公差范围减小，除了按照要求确保正确的填充树脂量外，对 在用保压切换法替换过程中塑料状态变数的测量及简单实用的模腔压力都应受 到重视。
也就是说，对于制品的质量来说，质量并不仅仅由模腔压力的最大值决定，
它还受工序即填充过程中的模腔压力的压力状况、填充后的模腔压力的压力状 况影响。
利用模腔压力波形控制技术，则可改变传统的注塑技术存在的问题，它是 一项在成型过程中实施的最重要的控制技术，是测量各种影响制品质量要素的 技术，是进行综合性评价的成型技术。
申请人通过对模腔压力波形与质量关系的多年研究，总结出所述控制方法 将模腔压力波形设定为成型条件，使得腔内流动的熔融树脂的细微变化(受机 械上的变动、模具温度的变化、环境的变化、可塑化的变动等外乱影响)，通过 模腔压力波形的变动来捕捉，然后由伺服阀迅速调整射出压力和射出速度，进 行从填充到保压完成阶段的修正模具内压力波形设定值的反馈控制，从而保证 成型制品质量的最佳的控制方法。
图2为以模腔压力进行保压切换的波形图，与图l的方法相比，每一段间 距中模腔压力最大值的变动都得到了大幅的改善。
但是，由于实际的模腔压力高于预想压力，而且其变化的幅度又受到树脂 速度和控制系统应答速度的影响，因此模腔压力并不稳定。由于模腔压力浮动 的最大值必须在制品的最小公差范围内，所以应在控制系统的开环设定上设置 限度。而存在精度问题的控制系统，如果不做闭路控制，则无法达到上述目标。 尤其是在注塑成型工艺中要求短时间内完成填充动作的树脂量的控制，在模腔 压力已经达到设定值时再进行检测、控制的话，速度上来不及，导致对树脂量 的控制不及时，甚至没有效果。因此必须在未完全达到设定值之前检测出模腔 压力，并计算出与设定值的接近速度来控制模腔压力。
所以，模腔压力的检测位置，对于控制显得十分重要。
(2) 模腔压力波形对质量的影响过去对模腔压力的一般认识是，因为树脂的填充量是由模腔压力的最大值 反映的，.所以只是单纯的捕捉最大值。然而，制品的质量并不能仅仅通过捕捉 模腔压力的最大值来解决，因为在填充过程、注射过程及保压到冷却，取出的 全过程中，受到来自各个加工参数的影响。质量与模腔压力波形间相互关系的 重要性是显而易见的，只要保证模腔压力的稳定就可以保证质量的稳定。因此 我们想到，通过在主流道附近的树脂通路部分采集模腔压力，从而采集到设计 制品成型全过程的模腔压力波形，这是最实用且最好的控制方法。
为了使注射过程中模腔压力在树脂流的前段到达传感器时立刻就能捕捉 到，所以将传感器放在主流道附近的树脂通路部分，这也是因为充分传递压力 熔融树脂必须要有较低的粘度。另外即使树脂没能填充到模腔末端，通过压力 的进行情况也能把握填充情况。
模腔压力会随着机械、材料、模具、冲程操作等所有加工参数的变化而变 化，除了注射油压、螺旋杆前进速度、材料温度、模具温度、喷嘴"主流道，阀门 形状、腔形状、模具的弹性变形及恢复、主流道系统中熔融树脂的凝固外，材 料的特性、可塑化情况也会影响此树脂通路部分的模腔压力波形。所以模腔压 力波形的变化无论在何种情况下都会影响制品质量的变化。
(3)模腔压力波形控制方法
既然制品质量是由模腔压力波形决定的，那么只要保证模腔压力波形的稳 定就可以确保制品质量的稳定。树脂通路部分的模腔压力，从管嘴、转子、以 及喷嘴到模腔的树脂流动状况，随着其流动阻力的变化会发生各种各样的变化。 一般填充时的波形形状会随着熔融温度的变化而变化，尤其在成型开始和中断 时尤为明显。因此将这之间的模腔压力波形保持一定，就能将模腔内的树脂速 度控制在一定范围内。
但是，在实际过程中决定模具形状的任意波形要通过控制系统来设定是非 常困难的。那是因为填充过程中壁厚相同的制品的流动阻力不发生变化，但当 制品形状中有较大的壁厚变化时，必须改变与之相应的树脂流动速度。在多次 实验后发现，此类问题可以通过将模腔压力和螺旋杆前进速度相组合的简单设 定方法来解决。此方法对所有形状都具有很好的实用性。也就是能够任意设定 至测量出模腔压力为止的螺旋杆前进速度以及下一处的模腔压力位置的任意其 ^的螺旋杆前进速度。从而保证压縮阶段到保压阶段的模腔压力的转移顺利进 行。
据多次实验的结果来看，制品的形态与材料的种类、模腔的形状无关，而 是由某一种曲线能够使压缩阶段下的制品质量达到最好的效果。在保压阶段， 将在压縮阶段被贮藏的模腔压力的最高值在被止流阀止流前保持稳定能够将制 品的收縮控制在最小。此有效保压时间最为理想的情况是模腔内熔融物的凝固 时间同主流道系统的凝固时间相等，但是受到喷嘴横断面大小的限制。
总之，保压时间的决定因素在于不能因为去除保压后造成模腔压力的下降， 使速度发生变化。为补充容积收縮需要设定必要的时间。从注射到保压阶段过 程中采用模腔压力的闭路控制的效果较之前有着无可比拟的完整性。因为需要对为容积收縮而准备的补充材料施加与树脂冷却速度相对应的保 持压力，来实现对材料的自动控制和补充，所以将保压阶段时的模腔压力控制 在一定值是确保产品尺寸的理想方式。以往采用的方法是进行以时间划分的数 阶段的保压设定来控制保压时压力的一定或加快。而这种方法并不能与模具温 度、树脂温度相对应，从而导致容积收縮的误差。由于容积的收縮量由模腔压 力及温度决定，而温度又根据材料的冷却速度而下降，所以按照材料的冷却速 度必须同时调整与粘度状态相应的保压压力。同时我们还必须考虑到影响模腔 熔融温度的模具的温度管理、螺旋杆内均等的可塑化以及填充时间等原因。所 有的数据综合在一起，都反映在了模腔压力波形上，所以找出正确处理它们的 相互关系的方法后，才能保证制品的质量。
因此，模腔压力波形的控制原理及方法是一门能确保制品质量的先进技术, 此项技术具有发明的意义。
权利要求
1、注塑机模腔树脂压力控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤步骤一，设置压力传感器的检测位置；设置时，当模腔直接位于浇注口下面时，将压力传感器的检测位置设置在模腔的主流道附近；当模腔位于浇注口两边的情况下，将压力传感器的检测位置设置在靠近主流道的分流道内；步骤二，在注塑控制过程中，随着物料不断地进入模腔，模腔压力会逐渐升高；在整个物料进入过程中，利用所述压力传感器，在模腔即将完全达到模腔压力设定值之前，即时检测出模腔的实际压力，并立即发送至控制器，由控制器计算出模腔实际压力与模腔压力设定值的接近速度来控制模腔压力；在控制模腔压力时，利用模腔内流动的熔融物料的细微变化会引起模腔内实际压力的变化的特点，通过所述压力传感器来捕捉实际的模腔压力的变化，并将这种压力变化转化为电信号后发送至控制器，由控制器将模腔压力的变动值与模腔压力设定值进行比较后，控制伺服阀迅速调整物料的射出压力和射出速度，使模腔的实际压力与模腔压力设定值保持一致，实现从填充阶段到保压阶段即时修正模腔内实际压力的反馈控制。
2、 如权利要求1所述注塑机模腔树脂压力控制方法，其特征在于，所述注 塑控制过程包括4个阶段填充阶段在物料填充入模腔时，模腔内的压力逐渐上升，当物料填充接 近饱和，膜腔压力上升至压縮阶段的初始压力设定值后转入压縮阶段；压缩阶段模腔内的压力不断提高，使物料的密度不断加大；在压縮阶段 中，压力的上升速度与时间的关系是开始阶段与结束阶段的升压速度小于中 间阶段的升压速度；保压阶段在模腔内的压力达到设定值后，开始保压；在保压阶段使物料 的内部粒度分布均匀并达到良好的结晶性树脂结晶度；冷却阶段物料经过保压后，再使模腔内的压力逐渐冷却至零，形成制品。
全文摘要
本发明涉及一种注塑机模腔树脂压力控制原理及方法。按照本发明提供的技术方案，所述注塑机模腔树脂压力控制方法包括如下步骤步骤一，设置压力传感器的检测位置；设置时，当模腔直接位于浇注口下面时，将压力传感器的检测位置设置在模腔的主流道附近；当模腔位于浇注口两边的情况下，将压力传感器的检测位置设置在靠近主流道的分流道内；步骤二，在注塑控制过程中，随着物料不断地进入模腔，模腔压力会逐渐升高；在整个物料进入过程中，利用所述压力传感器，在模腔即将完全达到模腔压力设定值之前，即时检测出模腔的实际压力，并立即发送至控制器，由控制器计算出模腔实际压力与模腔压力设定值的接近速度来控制模腔压力。这种方法能有效的提高制品质量和精度以及降低成本。
文档编号B29C45/77GK101612783SQ20091003183
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者朱留存 申请人:无锡威锐科智能测控技术有限公司