基于型腔壓力技術的科學調參

竇希宇，許宇軒，劉 剛，黨開放，謝鵬程

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

在注塑過程中不變的工藝參數并不能保證制品品質的一致性，但是通過型腔壓力改變的工藝參數卻能大大改善制品的品質。注射成型過程中型腔壓力是各種工藝參數共同作用的結果[1]，從型腔壓力曲線上可以直觀地看出注射過程、注射轉保壓的切換點(V/P轉壓點)、保壓補縮、保壓過程以及冷卻過程，最終成為衡量制品質量的綜合指標。通過壓力曲線的變化可以監控零件品質，用于分析零件質量、尺寸、飛邊、縮水、短射和翹曲等特性，為型腔提供最穩定的環境。運用型腔壓力技術主要的優點是：可以減少試模次數，提高試模效率；實現不同機臺與工作環境下的快速工藝再現；可以保證高質量、高合格率產品的生產[2]。型腔壓力曲線的積分值作為型腔壓力的特征值，它可以用來檢測制品的合格范圍，探究各工藝參數與型腔壓力曲線積分值之間的線性關系，通過計算積分值來精準調節工藝參數，大大提高產品合格率。

本文通過控制注射速率、V/P轉壓點、保壓時間以及保壓壓力的變化得出型腔壓力曲線的變化，找出型腔壓力曲線積分與這4個變量之間的線性關系，從而做到調節工藝參數使型腔壓力曲線精確的變化，從傳統中的模糊調節轉變成量化的精準調節。

1 探索型腔壓力與各工藝參數關系的實驗

1.1 型腔壓力曲線

在注塑生產過程中，對于不同模具產生的型腔壓力曲線不盡相同，但是各種型腔壓力曲線的大體趨勢是一致的，它們都可以反映熔體在模腔中流動的情況，以及各個注塑工藝過程的狀態[4]。圖1是典型的型腔壓力曲線隨時間變化的曲線圖，從圖中可以看出注塑是一個由注射到保壓再到冷卻的動態循環的過程[3-6]。

圖1 典型型腔壓力曲線Fig.1 Typical cavity pressure curve

從選取的6個特征點就可以看出整個注塑過程的狀態以及熔體流動的情況。這些特征狀態點的意義如下：

(1)注射開始，熔體開始從料筒進入流道；

(2)熔體到達型腔壓力傳感器的位置；

(3)此時填充狀態已結束，為速度控制轉壓力控制的切換點；

(4)補縮完成，為型腔壓力最大值點；

(5)保壓狀態結束，為澆口凝固點。

1.2 實驗儀器和設備

本實驗用到的注塑機是由浙江省寧波市長飛亞塑料機械制造有限公司出廠的VE1500II/430h全電動式注塑機。

本實驗采用的采集設備是Kistler公司生產的測量型腔壓力、型腔溫度的工具。整套設備包括溫壓一體式傳感器6189A、壓力電荷放大器1722A、溫度電荷放大器2205A、數據采集及處理裝置ComoNeo 5887A。

塑料制品注射成型時一模多腔的使用越來越普遍，所以使用的是一模八腔的拉伸試樣模具，在模具的近澆口安裝了2個溫壓一體傳感器，遠澆口安裝了一個溫壓一體傳感器，如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor installation position

1.3 實驗內容

本實驗采用聚丙烯(PP)為原料，料筒溫度設置在220 ℃左右，首先使用經驗調參的方法將參數調到最佳，然后保證其他參數不變的情況下，每組實驗只變化注射速率、V/P轉壓點、保壓壓力和保壓時間其中的一個量，具體每組的實驗參數變化如表1所示。

表1 每組實驗工藝參數的變化

Tab.1 Changes of technological parameters in each group

每組實驗中參數變化一次做2組實驗，取2組實驗得出積分值和制品質量的平均值。將一組的實驗圖形都繪制在一起，近澆口處可以顯示出更多的注塑信息，所以對近澆口處型腔壓力曲線的積分值即面積，稱取每次得出制品(流道和拉伸試樣整體)的質量，將數據整理后找它們之間的線性規律。

2 實驗結果與討論

本實驗的目的在于探索型腔壓力曲線面積積分和制品質量與4個工藝參數(保壓時間、保壓壓力、V/P轉壓點和注射速率)之間的線性關系，并且找出型腔壓力曲線對于這4個變量的響應情況：

2.1 保壓時間的線性規律

由于實驗使用的是標準的兩階段成型工藝，所以這里提到的保壓時間是包括補縮和保壓兩階段的時間，從V/P轉壓點直到澆口凍結這段時間對于型腔壓力的影響。保壓時間對型腔壓力有非常的重要的影響，圖3是保壓時間從1 s逐漸增大到13 s型腔壓力曲線的變化趨勢圖，我們可以看出，在保壓時間小于6 s的時候型腔壓力曲線積分值隨保壓時間的增加有顯著的增加趨勢，而在大于6 s時，由于型腔中熔體已處于飽和狀態時間對于型腔壓力的影響已經明顯降低，所以保壓時間在超過6 s時澆口已經處于封閉狀態，保壓時間設置為6 s是最佳狀態，如果保壓時間過長的話，在開模之前型腔壓力就會回不到大氣壓。

所以型腔壓力曲線積分值與保壓時間之間的線性關系是兩段直線，且第一階段的斜率會比第二段的大很多，制品質量與保壓時間之間的線性關系亦如此， 如圖4所示。圖4(a)中連接正方塊形成的直線是遠澆口處型腔壓力曲線積分值與保壓時間的線性關系圖；連接五角星形成的直線是近澆口處型腔壓力曲線積分值與保壓時間的線性關系圖。圖4(b)是制品質量與保壓時間的線性關系圖。

保壓時間/s：■—1 ●—2 ▲—3 ▼—4 ◆—5 ?—6?—7 —8 ★—9 —10 □—11 ○—12 ◇—13圖3 不同保壓時間下的型腔壓力曲線Fig.3 Cavity pressure curve at different holding time

2.2 保壓壓力的線性規律

本實驗所指的保壓是包括了補縮的過程，而且在充填過程結束后注塑過程主要是受壓力的控制，所以保壓壓力所起到的作用就非常重要，它決定了型腔壓力峰值的大小，補縮充填量的大小。如果保壓壓力太小會使得型腔壓力過小從而導致各種缺陷比如：短射、表面凹痕、尺寸不合格、翹曲變形等[7]。

1—遠澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質量圖4 保壓時間與曲線積分值和制品質量之間的線性關系Fig.4 Linear relationship among holding time, curve integral value and product weight

型腔壓力/MPa:■—34 ●—37 ▲—40 ▼—43 ◆—46 ?—49?—52 ●—55 ★—58 —61 □—64 △—70 ○—67圖5 不同保壓壓力下型腔壓力曲線Fig.5 Cavity pressure curves under different holding pressure

從圖5中我們可以看到，隨著保壓壓力的升高型腔壓力的峰值也會增加；并且從注射開始到澆口封閉所用的時間減少，也就是說保壓時間會變短；真正冷卻用的時間會增長。在保壓壓力過小時，保壓補縮過程并不能達到理想的型腔壓力峰值，型腔內并不能填充滿導致制品表面出現缺陷。

對于兩階段注射工藝來說保壓的過程包括補縮和保壓，所以此時的保壓壓力對于注射過程是重要變量，保壓壓力的大小決定了補縮量，會影響到制品是否會產生縮痕或者飛邊，因此對于型腔壓力曲線的積分值和制品質量也會隨著保壓壓力的增大而線性增大，如圖6所示。

1—遠澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質量圖6 保壓壓力與曲線積分值和制品質量之間的線性關系Fig.6 Linear relationship among holding pressure, curve integral value and product weight

2.3 V/P轉壓點的線性規律

如今大多數的注塑過程一般都是位置轉壓，但有時位置轉壓的精確性難以控制。如果轉壓點設置的過早型腔壓力會出現尖峰現象，因為注射時型腔壓力還未達到轉壓的值就進入了保壓階段，導致型腔壓力的突變形成了尖峰；如果轉壓點位置設置的過晚導致型腔內部在注射過程就幾乎充滿，此時再進行轉壓就會出現下凹峰，也就是說在轉壓點過晚的狀態下，型腔壓力曲線會出現雙波峰現象。具體情況如圖7所示。

轉壓位置/cm:■—7 ●—8 ▲—9 ▼—10 ◆—11 ?—12?—13 ?—14 ★—15 □—16 ○—17 △—18圖7 不同V/P轉壓點下型腔壓力曲線Fig.7 Cavity pressure curves at different V/P pressure transition points

通過改變轉壓點的位置進行注射實驗，得出不同轉壓點狀態下，型腔壓力曲線的積分值的變化情況，如圖8(a)所示型腔圧力曲線積分值與轉壓點呈現線性關系，且得出的制品質量也與轉壓點位置呈現線性關系如圖8(b)所示。

1—遠澆口 2—近澆口(a)型腔壓力曲線積分值 (b)制品質量圖8 V/P轉壓點與曲線積分值和制品質量之間的線性關系Fig.8 Linear relationship among pressure point V/P,curve integral value and product weight

注射速率/mm·s-1:■—60 ●—70 ▲—80 ▼—90 ◆—100?—110 ?—120 ★—130 □—140○—150 △—160 ▽—170 ◇—180圖9 不同注射速率下型腔壓力曲線Fig.9 Cavity pressure curves at different injection speeds

2.4 注射速率的線性關系

在注射過程中，注射速率占了主要的作用，注射速率控制注射過程避免了由于塑料黏度波動對制品質量帶來的影響，塑料熔體以固定的速率進入型腔，不會產生波動，因此對于制品質量也不會產生大的影響，能大大改善產品質量的穩定性。注射速率對型腔壓力的影響也是非常明顯的，如圖9所示，隨著注射速率的增加，熔體進入型腔的速度變快，并且型腔壓力峰值也有明顯增加。但是注射速率和型腔壓力曲線的積分值與制品質量并不是線性關系。

2.5 科學調參方法

本文只是提供了一種精準調節參數的方法，通過找到各工藝參數與型腔壓力曲線積分值之間的線性關系，來調節制品的質量。對于保壓時間非常容易設置，我們可以看到保壓時間與圧力曲線積分值之間呈現兩段線性關系，所以在兩段線段之間的交點處的時間即為最佳保壓時間。對于另外3個參數與壓力曲線積分值之間呈現的是一段線性關系，所以根據制品出現的缺陷以及線性關系就可以調節參數的具體數值大小，最終得出良好的制品。根據此方法此臺注塑機的參數設置為：螺桿起始位置為79 mm，轉壓點為12 mm，注射速率為120 mm/s，保壓時間為6 s，保壓壓力為60 MPa。以此參數得出制品20模，通過計算制品質量的波動范圍為千分之0.8，且制品無缺陷。表2為得出的20模制品的質量。

表2 調參后制品質量

Tab.2 Product quality after adjustment

3 結論

(1)保壓時間與曲線積分值和制品質量呈現兩段線性關系，保壓壓力以及轉壓點與曲線積分值和制品質量呈現一段線性關系，但是注射速率并不能找出線性關系，說明注射速率對制品質量的影響要弱于其他工藝參數,且無規律可循；

(2)通過改變各工藝參數可以相對應的觀察到型腔壓力曲線的變化趨勢，明確了對型腔圧力曲線某一特征點影響最大的工藝參數，證實了型腔壓力曲線積分值與各工藝參數呈現線性關系，并且制品質量與工藝參數之間也呈現線性關系；

(3)型腔壓力曲線積分值作為型腔壓力曲線的一個特征值，可以作為制品質量的指標，文中得到工藝參數與型腔壓力曲線的積分值的線性關系，以及工藝參數與制品質量的線性關系，結合這2種線性關系可以將型腔壓力曲線量化進行精準調參。