傳感器在注塑模具中的應用

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司,重慶400712)

在注塑成型過程中,正確掌握和精確控制模腔壓力和模腔溫度是成型高質量塑件十分重要的條件。對模腔壓力或溫度進行實時控制,并對其檢測,優化了注塑工藝。而使用傳感器是有效,精確地控制注塑模具的模腔壓力/溫度的重要工具。本文闡述傳感器在模腔壓力/溫度的監測應用,以達到自動監控注塑過程質量。

1 傳感器的基本原理

1.1 傳感器的定義

國家標準GB 7665-87對傳感器定義:“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成”[1]。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能檢測感受到的信息。即:利用一定的物質(物理、化學、生物)法測、定理、定律、效應等進行能量轉換與信息轉換,并輸出與輸入嚴格一一對應的器件和裝置均可稱為傳感器[2]。

1.2 傳感器組成與分類

傳感器種類繁多。其工作原理、性能特點和應用領域各不相同,所以結構、組成差異很大。但總的來說,傳感器通常由敏感元件、轉換元件及測量電路組成,還有輔助電源,如圖1所示。

圖1 傳感器組成框圖Fig.1 Sensor composition diagram

敏感元件是傳感器中能直接感受被測量的變化,并輸出與被測量成確定關系的物理量元件,是傳感器的核心。轉換元件是傳感器中能將敏感元件輸出的物理量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。測量電路又稱轉換電路或信號調理電路,其作用是將轉換元件輸出的信號進一步轉換和處理,如放大、線性化、補償等,以獲得更好的特性,便于后續電路實現顯示、記錄、處理及控制等功能[3]。傳感器的分類五花八門。本文主要選擇適合模具使用的壓力傳感器和溫度傳感器。

1.3 壓力傳感器

壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的,也稱壓電傳感器。主要利用石英(二氧化硅)晶體是各向異性的,而非晶體是各向同性的。晶體介質,當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時,就產生了極化效應;當機械力撤掉之后,又會重新回到不帶電的狀態,也就是受到壓力的時候,某些晶體可能產生出電的效應,這就是所謂的極化效應[3]?？茖W家就是根據這個效應研制出了壓力傳感器。

1.4 溫度傳感器

溫度傳感器是把冷端(與儀表相接的兩端)與熱端(要求測量的溫度端)之間的溫度差異轉化為電動勢(電壓)的傳感器。溫度傳感器兩端均處于20℃環境溫度下,在熱端加熱,要求儀表測量出加熱端的溫度。顯然,這時熱端(加熱處)和冷端(接二次儀表的兩端)有溫度差,此溫度差就會產生對應的電動勢(電壓),相應地也會產生電流。因所產生的熱電勢(電壓)與測量溫度呈一定的比例關系,儀表將溫度差產生的電壓轉化為溫度,溫度值就會出現在儀表上[2]。

2 壓力傳感器控制模腔壓力的使用方法

在模腔中常用的壓力傳感器有:直接型、間接型和非接觸型。

2.1 直接型傳感器

直接型傳感器是通過在模腔后面鉆一個安裝孔而插入模腔的。它的頂部與模腔的表面平齊,傳感器前端直徑為9.5 mm,6 mm,4 mm,2.5 mm或1 mm。盡可能選用前端直徑大的傳感器。傳感器與熔體直接接觸,測量精度非常高,其電纜則從模具中穿過而與位于模具外表面的監測系統接口相連接。這種傳感器的優點是不會受到脫模時的壓力干擾。傳感器不能有預載,以保證傳感器產生的信號全部來自于模腔壓力。但是在高溫條件下它很容易損壞,造成安裝困難。如圖2所示。

2.2 間接型傳感器

圖2 直接型傳感器Fig.2 Direct type sensor

間接型傳感器盡量安裝在頂桿后面,頂針能夠自由移動,是獲取可靠測量結果的保證。安裝孔尺寸精度非常重要,傳感器不能有任何預載,才能確保頂針力順利傳遞到傳感器上。傳感器頂部的推件銷的大小決定了所需傳感器的大小。由于頂桿的作用是向傳感器傳遞塑料熔體的壓力,故不同的制品要采用不同尺寸的頂桿。選用合適尺寸的傳感器,必須與頂針匹配。在使用間接型傳感器時,還需考慮到頂針傳遞給傳感器力的大小,從而選擇合適量程的傳感器,保證傳感器受力均勻。如圖3所示。間接型傳感器是力傳感器,力除以頂針面積,就是模腔壓力。

2.3 非接觸型傳感器

非接觸型傳感器是應變傳感器。通過螺紋固定在鑲件內或安裝孔內。模腔壓力與模具變形量密切相關。傳感器前端面必須和安裝孔底部接觸,安裝時必須均勻地擰緊傳感器,如圖4所示。應變傳感器安裝在模腔后面的鋼板內,不會在制品表面留下任何痕跡,不會影響模腔表面的溫度場。非接觸型傳感器測量模具鋼的應變,無需改變模具結構。通過測量的應變表示模腔壓力,并用于成型監測。

2.4 傳感器安裝位置

(1)如果壓力傳感器的安裝位置正確,則它能夠為模塑商提供最大量有用的信息。除了一些特例以外,對于厚壁制品及無關鍵流動長度,用于控制模塑壓力的傳感器則應當安裝在模腔的前三分之一處。該區域內的壓力信號非常強,提供非常詳細的信息,評估分析整個成型過程的特點,如圖5(a)所示。

圖3 間接型傳感器Fig.3 Indirect type sensor

圖4 非接觸型傳感器裝配Fig.4 Nlon-contact sensor assembly schemes

(2)對于薄壁制品,在流程末端安裝傳感器,薄壁制品注射速率非?？?保壓時間極短,工藝參數微小波動都會造成流程末端填充問題和尺寸問題。傳感器要安裝在流程末端[4],監測短射和尺寸波動,還能檢測流程末端熔接痕等問題,如圖5(b)所示。

(3)對于流程/厚度比值很大制品,如保險杠,由于內應力較大,因此,容易變形。安裝兩個傳感器測量模腔壓力下降,一個傳感器安裝在靠近澆口的位置,另一個傳感器安裝在流程的末端。通過這兩個位置的壓力差,監測澆口附近過填充的問題,如圖5(c)所示。

圖5 傳感器安裝位置示意圖 (黑色點為傳感器位置)Fig.5 Schematic of sensor installation location(black for sensor position)

壓力傳感器有時安裝在流道系統內,但是這會使傳感器監測不到澆口的壓力。需要強調的是,當注料不足時,模腔底部的壓力為零[5]。因此,位于模腔底部的傳感器就成為監測注料不足的重要手段。

3 溫度傳感器控制模腔溫度的使用方法

按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類:接觸型和非接觸型。

3.1 接觸型溫度傳感器

接觸型溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸。通過熱傳導及對流原理達到熱平衡,這時的示值即為被測對象的溫度。該方法精度較高,并在一定程度上還可測量物體內部的溫度分布。使用這種傳感器,在熔體接觸傳感器之前,溫度傳感器測量的是模具表面溫度,接觸之后,測量的是熔體接觸溫度。由于熱塑性熔體冷卻速率很快,溫度傳感器的遲滯,測量部位的接觸溫度要低于熔體溫度。然而,接觸溫度的最大值能夠間接地反映熔體溫度。溫度傳感器包括探頭、信號傳輸和接口組成[6]。其外形和壓力傳感器的基本相同,安裝及位置可參照壓力傳感器的使用方法。

3.2 非接觸型溫度傳感器

非接觸型溫度傳感器測溫方法是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量與溫度有關,并且以電磁波形式向四周輻射。當選擇合適的接收檢測裝置時,便可測得被測對象發出的熱輻射能量,并且轉換成可測量和顯示的各種信號,實現溫度的測量。這種傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制,但測量較粗糙,使用不方便。在模具中也不宜使用。

4 壓力/溫度傳感器一體控制方法

圖6 壓力/溫度組合傳感器Fig.6 Presscure/temperature combined sensor

對較重要或控制要求高的塑件,不僅需測量模腔壓力,也需測量熔體接觸溫度。對它們的監測十分必要。壓力/溫度傳感器能同時測量模腔壓力及熔體的接觸溫度。壓力/溫度傳感器中采用兩個熱電偶電纜迅速采集溫度信號,如圖6所示。壓力/溫度組合傳感器的優點是:僅需一個傳感器,在同一個位置同時測量壓力和溫度。壓力/溫度傳感器的優點是安裝簡便。溫度影響注塑成型過程,如模具溫度或熔體溫度。使用壓力/溫度組合傳感器是非常有必要的,監測和分析注塑成型過程。溫度傳感器本身不適合制品質量監測,至于成型過程控制,也并不適合。測量溫度僅反映注塑制品的某個局部特征。壓力/溫度組合傳感器安裝及位置可參照壓力傳感器的使用方法。

5 傳感器在模具中應用的優點

由于溫度傳感器本身不適合制品質量監測,測量模腔壓力傳感器已被證明是優化注塑過程的唯一有效方式。模腔壓力的注塑控制系統是確保生產過程高度一致性和質量的方法,將給注塑工藝帶來以下優勢。

5.1 減少次品率

模腔壓力的監測將質量保證融入整個生產過程中,不再需要進行終端產品質量檢驗,減少質量保證的成本。批量生產的個別零件檢測被擴展到所有零件的完全監測。對超出規定容差范圍的不合格零件,監測系統在循環結束時立即做出反應,以防止接連出次品。而傳統的質量保證只能在產品終端質量檢驗后才分辨出次品。質量保證系統將監測數據長期存檔,供未來調用,提供質量依據,證明生產過程符合規范。

5.2 縮短設置時間

注塑機設置由工藝員根據專業知識和經驗來進行的。由于質量特征是準確設置的決定因素,因這方法速度慢,且不準確,其結果是設置的生產條件不盡合理,原料消耗成本高和設備利用率低。用模腔壓力優化生產,相應的模腔壓力曲線被存儲起來。當需要重新設置設備時,存儲的模腔壓力“記憶”作為參考曲線,優化加工過程,使其與參考曲線對應的過程相同,確保零件質量一致。模具成為工藝中心,并且可從一臺注塑機移到另一臺注塑機,監測模腔壓力與設備無關,而塑件能被獨立于注塑機而重復生產。

5.3 切換點的自動識別

從注射到保壓的切換點是重要的過程參數,對零件質量和生產成本起關鍵作用。當模腔內部完全充滿時需要從注射階段切換到保持壓力階段。傳統的方式采用注射時間、螺桿位置、液壓壓力作為切換參數。這些方法的共同特征是規定一個閾值,當參數達到閾值時,控制切換。閾值通過手動控制,經反復多次確定,耗時多,成本高。

模腔壓力曲線可用于準確識別模腔填充程度狀態。無論模腔的幾何形狀如何,注射階段后模腔壓力都會由于熔體被壓縮而迅速升高。模腔壓力曲線中的“拐點”發生在模腔完全被充滿的時刻,可用于觸發注塑機的切換,注塑機將自動從注射階段切換到保持壓力階段。應用這技術極大地減少了次品率和原料損耗。過程波動所造成的影響在循環中得以補償。由于自動識別切換點,不再需要采用部分模腔填充反復試驗設置參數,顯著簡化了設置工作。目前,瑞士奇石樂公司的傳感器在模具上應用較廣泛。

6 結束語

傳感器及其系統在模具中的應用,縮短試模試機時間,優化成型過程,監測成型過程,從而降低生產成本。模腔壓力和溫度是注塑成型過程參數,直接決定注塑制品的質量。根據模腔壓力/溫度優化工藝參數,縮短優化所需時間。模腔壓力提供詳細的成型過程信息,從而指導工藝參數的快速優化。提高生產率和降低成本是自動監控、優化注塑過程的主要目的,也是傳感器用于模具中關鍵之處。

[1] 徐清發,王欣.談傳感器的命名、分類及圖形符號[J].傳感器技術,1996(6):12-15.

[2] 孫寶元,楊寶清.傳感器及其應用手冊[M].北京:機械工業出版社,2004:1-2,94-95.

[3] 趙玉剛,邱東.傳感器基礎[M].北京:中國林業出版社, 2006:2-3,109-110.

[4] 鄧世經.模腔壓力直接控制裝置[J].工程塑料應用,1987, 15(4):59.

[5] 王喜順,彭玉城.注射成型中冷卻階段的研究[J].模具工業,1999(4):40-44.

[6] 張積華,陳志杰,連一峰.鎧裝溫度傳感器在熱塑性注射模中的應用[J].模具技術,1990(3):41-42.