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注塑成型過程中的壓力調(diào)節(jié)

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

壓力調(diào)控及量度系統(tǒng)


在油壓式注壓機(jī)上,所有運(yùn)動(dòng)由負(fù)責(zé)以下操作的油路執(zhí)行:

1、塑化階段中的螺桿旋轉(zhuǎn)(可確定甚至控制反壓)。
2、滑座料道(注嘴靠近注口襯套)。
3、注射和保壓期間射料螺桿的軸向運(yùn)動(dòng)。
4、將基材閉合於射料桿上,直到肘桿全部延伸或活塞合模行程已完成。
5、啟動(dòng)裝配頂桿的頂出臺(tái)以頂出部件。

在全電壓機(jī)上,所有運(yùn)動(dòng)由配有永久磁鐵的無刷同步電動(dòng)機(jī)執(zhí)行。通過機(jī)床業(yè)中一直采用的滾珠軸承螺桿,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為線性運(yùn)動(dòng)。整個(gè)流程的效率部分取決於塑化過程,其中,螺桿起十分關(guān)鍵的作用。三菱公司在生產(chǎn)全電機(jī)型的過程中最新推出的解決方案包括一根灌料螺桿(第二螺紋抱輥)和一根配有混煉元件的螺桿尖梢。這樣,可最大限度增強(qiáng)塑化能力和混煉效果,縮短螺桿長度,實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

螺桿必須確保物料熔化和均化。這一過程可借助于反壓調(diào)整,以避免過熱?;鞜捲荒墚a(chǎn)生過高的流速,否則,會(huì)導(dǎo)致聚合物降解。每一種聚合物具有不同的最大流速,如果超過這一極限,分子會(huì)拉伸,出現(xiàn)聚合物主鏈斷裂現(xiàn)象。不過,重點(diǎn)仍然是在注射和保壓過程中控制螺桿的向前軸向運(yùn)動(dòng)。

后續(xù)的冷卻過程,包括內(nèi)在應(yīng)力、公差和翹曲等方面,對(duì)于確保產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。這一切全由模具質(zhì)量決定,對(duì)于優(yōu)化冷卻料道、確保有效的閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)時(shí),尤其如此。該系統(tǒng)完全獨(dú)立,不會(huì)干擾機(jī)械調(diào)節(jié)。閉模和頂出等模具運(yùn)動(dòng)必須精確高效。通常采用速度分布曲線,以確?;顒?dòng)部件準(zhǔn)確靠近。接觸維持力可調(diào)整。因此可斷定,在不考慮能耗和機(jī)械可靠性、附加條件相同(如模具質(zhì)量)的前提下,產(chǎn)品質(zhì)量主要決定於控制螺桿向前運(yùn)動(dòng)階段的系統(tǒng)。在油壓式注塑機(jī)上,這一調(diào)節(jié)通過探測油壓而實(shí)現(xiàn)。具體地說,油壓通過控制板而激活一套閥門,流體通過操縱器而產(chǎn)生作用,并得到調(diào)節(jié)及釋放。

注射速度控制包括開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制等選擇方案。開環(huán)系統(tǒng)依靠共用比例閥。比例張力施加於所需比例的流體上,從而使流體在注射機(jī)筒中產(chǎn)生壓力,讓注射螺桿以一定的前向速度運(yùn)動(dòng)。半閉環(huán)系統(tǒng)采用閉環(huán)比例閥。環(huán)路在閉合口所在的位置閉合,閉合口通過在閥門內(nèi)的移動(dòng)而控制油料的流量比例。閉環(huán)系統(tǒng)在螺桿平移速度時(shí)閉合。閉環(huán)系統(tǒng)中采用速度傳感器(通常為電位計(jì)型),定時(shí)探測張力下降。比例閥流出的油料通過調(diào)節(jié),可補(bǔ)償出現(xiàn)的速度偏差。閉環(huán)控制依靠與機(jī)器整合一體的專用電子元件。閉環(huán)壓力控制能在注射和保壓階段確保壓力均勻一致,以及在各個(gè)循環(huán)中確保反壓均勻。通過探測出的壓力值對(duì)比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié),根據(jù)設(shè)定壓力值進(jìn)行偏差補(bǔ)償。一般來說,可對(duì)液壓進(jìn)行監(jiān)控,但是,探測注嘴或模腔中的熔體壓力也是另一有效方法。更加可靠的方案是通過閱讀注嘴或模腔壓力讀數(shù)對(duì)比例閥進(jìn)行管理。在壓力探測的基礎(chǔ)上增加溫度探測,特別有利於流程管理。了解物料可承受的實(shí)際壓力,還有助於根據(jù)設(shè)定壓力和溫度條件來預(yù)測模塑件的實(shí)際重量和尺寸。實(shí)際上,通過改變保壓壓力值,可將更多的物料引入模腔,以降低部件收縮,符合設(shè)計(jì)公差(其中包括預(yù)設(shè)注塑收縮)。接近熔化條件時(shí),半晶體聚合物顯示出極大的比容變化。對(duì)此,過充模不會(huì)阻礙部件頂出。

油壓設(shè)備與出料量及壓力調(diào)節(jié)

離心泵產(chǎn)生的平均液壓壓力可達(dá)140巴,這一壓力值特別適合於注塑。在周期的其它各個(gè)階段,要求明顯較低,除了需要快速塑化的特定情形(例如:PET注拉吹一步法注塑機(jī))要求較高。

為降低能耗,在出料高峰期時(shí)可采用可變排量泵和儲(chǔ)壓缸。固定排量泵在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)移動(dòng)等量油量,因此,油泵選型由特定時(shí)間內(nèi)所需移動(dòng)的油量而定。三相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1440轉(zhuǎn)/分,通常要求裝配雙泵。只有在塑化過程中(功率達(dá)100%),油泵的利用率才達(dá)到最大限度。在停頓過程中,機(jī)械不需要能耗,即使需要,也屬功率損耗。

所有注塑機(jī)均采用質(zhì)量等級(jí)各異的比例伺服閥。兩套或以上的比例閥安裝於注射壓機(jī)上,目的是對(duì)以下各個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)確控制:

開模速度(兩級(jí)),閉模速度(兩級(jí)),閉模安全性,注射(3-10級(jí)),加料(3-5級(jí)),吸入和頂桿(兩級(jí))。
開模壓力,閉模壓力,模具安全性,機(jī)械夾具(料筒或肘桿),注射(充模階段一次,後續(xù)階段3-10次),吸入和反壓(3-5級(jí))。
螺桿旋轉(zhuǎn)速度(3-5級(jí))。

滑座靠近速度(機(jī)械注嘴靠近模具固定半模上注射襯墊的速度)以及頂桿的運(yùn)動(dòng)速度(頂出臺(tái)速度)也可調(diào)整。輔助電動(dòng)機(jī)通過微弱的輸入信號(hào),將放大的信號(hào)(輸出信號(hào))發(fā)送到閥門,使伺服閥執(zhí)行調(diào)節(jié)功能。在伺服閥中,微弱的輸入電信號(hào)被轉(zhuǎn)化為液壓輸出信號(hào),以壓降的形式根據(jù)所需的出料要求進(jìn)行改進(jìn)。閥門必須對(duì)張力或通用指令做出快速、可重覆及低滯後的出料響應(yīng)。實(shí)際上,當(dāng)前研究的目的是改進(jìn)頻率響應(yīng),使運(yùn)行於數(shù)千赫(kHz)頻率的動(dòng)力設(shè)備(液壓邊)和電子設(shè)備之間進(jìn)行對(duì)話。由於有效出料取決於閥門上聚合度(DP)的作用,因此,液壓線路中的油溫必須保持在45-55℃的範(fàn)圍內(nèi)(通常采用閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)),具體根據(jù)流體粘度和過渡口的幾何形狀而定。在閥內(nèi)沒有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)系統(tǒng),溫度上升會(huì)導(dǎo)致溶體粘度下降;若配有均衡開閥值,則可提高出料量。增加傳動(dòng)系統(tǒng)的出料油量,意味?注射速度隨之加快。對(duì)高科技伺服傳動(dòng)閥進(jìn)行精確控制,可基本消除滯後現(xiàn)象,增強(qiáng)所有功能的重復(fù)性。

全電動(dòng)壓機(jī)的力度測定

由於全電動(dòng)注塑機(jī)上不存在引發(fā)運(yùn)動(dòng)的矢量流體,因此,不能進(jìn)行液壓壓力探測。因此,通常采用載荷傳感器,利用伸縮儀測量彈性變形,從而直接測定其力度。全電動(dòng)注塑機(jī)制造商開發(fā)了多種彈性部件,并裝配了相應(yīng)的伸縮儀。另一區(qū)別在於反壓及其控制,可通過向注射電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的軸向移動(dòng)增加阻力而實(shí)現(xiàn),而另一電動(dòng)機(jī)致使螺桿旋轉(zhuǎn)和後續(xù)物料塑化。以前,有些機(jī)械制造商采用安裝在注嘴內(nèi)換能器的測量系統(tǒng),後來因?yàn)椤肮δ苄院涂煽啃圆蛔恪倍艞壛嗽撓到y(tǒng)。

注嘴壓力測定的優(yōu)點(diǎn)

以上已證明了壓力調(diào)節(jié)在注射和保壓過程中的重要性。因此,壓力探測的準(zhǔn)確性和重復(fù)性是十分關(guān)鍵的因素。在閉環(huán)系統(tǒng)中,壓力探測十分重要,只有確保準(zhǔn)確的壓力探測,調(diào)節(jié)器才能使實(shí)際壓力接近於或等於設(shè)定值。

在開環(huán)系統(tǒng)中,由於直接與傳動(dòng)系統(tǒng)相連接,因此壓力探測的準(zhǔn)確性和重復(fù)性更加重要?,F(xiàn)在,開環(huán)系統(tǒng)仍在使用,在高噸位機(jī)型中的應(yīng)用更加廣泛。

一般來說,基於設(shè)定值的速度控制在注射過程中進(jìn)行(也就是說,速度變化由電位計(jì)或磁致收縮傳感器測定),測定後轉(zhuǎn)換為壓力調(diào)節(jié)。通路可根據(jù)配額(配額通路)或壓力予以啟動(dòng)。無論如何,當(dāng)壓力啟動(dòng)通路同時(shí)也作為“截口”以限制充模壓力、防止溢料形成及模具受損時(shí),均必須采用壓力啟動(dòng)通路。一旦形成通路,後續(xù)的保壓過程即由壓力調(diào)節(jié)(型材亦不例外)。液壓機(jī)的壓力一般在液壓線路中探測,很少在模具注嘴中進(jìn)行。對(duì)於注塑而言,必須盡量將探測點(diǎn)靠近模腔。因此,模具壓力測定最好在注嘴處進(jìn)行,即使不太直接,也可在液壓線路內(nèi)進(jìn)行壓力測定。

與模具壓力探測不同的是,注嘴內(nèi)探測還能通過調(diào)節(jié)反壓而控制塑化過程。當(dāng)接近注射的壓力實(shí)際達(dá)到設(shè)定值并在材料注塑所需的時(shí)間內(nèi)保持這一壓力時(shí),模具壓力探測可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。測定可直接進(jìn)行,也可通過探針進(jìn)行(如:壓電傳感器)。在模具內(nèi)進(jìn)行直接探測十分有效,唯一的局限性是會(huì)在模塑件上留下痕跡。間接探測往往受探針結(jié)構(gòu)和間隙的影響,例如,公差過大會(huì)導(dǎo)致材料傾瀉,致使探測準(zhǔn)確性不足。

注嘴壓力探測比模腔壓力探測的有效性較低,因?yàn)椴牧线€得經(jīng)過一段流道路線(或冷或熱)。但是,注嘴壓力探測具有某些優(yōu)點(diǎn),主要包括:探測在材料上進(jìn)行;不需要對(duì)模具進(jìn)行改造;模塑件上不留下任何痕跡。通過熔體壓力控制(最好在模腔內(nèi)進(jìn)行),可避免在初始?jí)毫ο略斐沙淠_^量(隨後形成溢料)的風(fēng)險(xiǎn)。由此,可提高控制的有效性,避免材料燒焦,防止充模不足,縮短周期時(shí)間,增強(qiáng)重復(fù)性。

生產(chǎn)能確保系統(tǒng)可靠性且使用方便的傳感器確實(shí)存在一些技術(shù)問題。如果要求均勻調(diào)節(jié)反壓,流程相關(guān)的難度確實(shí)不小。

注嘴壓力探測所用的傳感器必須符合以下要求:

不能干擾模塑過程。
能在高壓(2500巴)及高溫(350-400℃)下確保探測精確度。
體積小巧,結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),在發(fā)生故障時(shí)便于更換。
與充模料接觸時(shí),具有優(yōu)良的耐磨性。
能長期保證探測有效性(長時(shí)間使用後出現(xiàn)磨擦、污染時(shí),能確保測量無偏差、無誤差、無滯后)。
提供高速取樣(2-5微秒)和標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議,如:CAN開放式版本CANbus或DeviceNet。

因此,問題較為復(fù)雜。不難理解的是,迄今為止,液壓機(jī)仍然將傳感器配置於液壓線路內(nèi),全電動(dòng)機(jī)則采用力度探測,兩者均未采用熔體傳感器。多年來,熔體傳感器廣泛用於擠塑機(jī)上,但是,擠塑機(jī)對(duì)探測范圍、精確度、響應(yīng)時(shí)間和結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)度等方面的要求較低(與擠塑機(jī)上的靜態(tài)應(yīng)力相比,安裝于注射機(jī)上時(shí),傳感器薄膜上承受的機(jī)械疲勞應(yīng)力要大得多)。

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