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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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注射成型机压力适当控制方法  

2011-03-06 15:26:40|  分类: 国际制造产业研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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无论是油压式还是电动式注塑机,所有注塑过程中的运动都会产生压力。适当控制所需压力,才能生产出质量合理的成品。
 
     压力调控及计量系统
 
     在油压式注塑机上,所有运动由负责以下操作的油路执行:
1、塑化阶段中的螺杆旋转。
2、滑座料道(注嘴靠近注口衬套)。
3、注射和保压期间射料螺杆的轴向运动。
4、将基材闭合於射料杆上,直到肘杆全部延伸或活塞合模行程已完成。
5、启动装配顶杆的顶出臺以顶出部件。
    在全电压机上,所有运动由配有永久磁铁的无刷同步电动机执行。通过机床业中一直采用的滚珠轴承螺杆,将旋转运动变换为线性运动。整个流程的效率部分取决於塑化过程,其中,螺杆起十分关键的作用。三菱公司在生产全电机型的过程中最新推出的解决方案包括一根灌料螺杆(第二螺纹抱辊)和一根配有混炼元件的螺杆尖梢。这样,可最大限度增强塑化能力和混炼效果,缩短螺杆长度,实现高速运转。
    螺杆必须确保物料熔化和均化。这一过程可借助於反压调整,以避免过热。混炼元件不能产生过高的流速,否则,会导致聚合物降解。每一种聚合物具有不同的最大流速,如果超过这一极限,分子会拉伸,出现聚合物主链断裂现象。不过,重点仍然是在注射和保压过程中控制螺杆的向前轴向运动。後续的冷却过程,包括内在应力、公差和翘曲等方面,对於确保产品质量十分重要。这一切全由模具质量决定,对於优化冷却料道、确保有效的闭环温度调节时,尤其如此。该系统完全独立,不会干扰机械调节。闭模和顶出等模具运动必须精确高效。通常采用速度分布曲线,以确保活动部件准确靠近。接触维持力可调整。因此可断定,在不考虑能耗和机械可靠性、附加条件相同(如模具质量)的前提下,产品质量主要决定於控制螺杆向前运动阶段的系统。在油压式注塑机上,这一调节通过探测油压而实现。具体地说,油压通过控制板而激活一套阀门,流体通过操纵器而产生作用,并得到调节及释放。
    注射速度控制包括开环控制、半闭环控制和闭环控制等选择方案。开环系统依靠共用比例阀。比例张力施加於所需比例的流体上,从而使流体在注射机筒中产生压力,让注射螺杆以一定的前向速度运动。半闭环系统采用闭环比例阀。环路在闭合口所在的位置闭合,闭合口通过在阀门内的移动而控制油料的流量比例。闭环系统在螺杆平移速度时闭合。闭环系统中采用速度传感器(通常为电位计型),定时探测张力下降。比例阀流出的油料通过调节,可补偿出现的速度偏差。闭环控制依靠与机器整合一体的专用电子元件。闭环压力控制能在注射和保压阶段确保压力均匀一致,以及在各个循环中确保反压均匀。通过探测出的压力值对比例阀进行调节,根据设定压力值进行偏差补偿。一般来说,可对液压进行监控,但是,探测注嘴或模腔中的熔体压力也是另一有效方法。更加可靠的方案是通过阅读注嘴或模腔压力读数对比例阀进行管理。在压力探测的基础上增加温度探测,特别有利於流程管理。了解物料可承受的实际压力,还有助於根据设定压力和温度条件来预测模塑件的实际重量和尺寸。实际上,通过改变保压压力值,可将更多的物料引入模腔,以降低部件收缩,符合设计公差(其中包括预设注塑收缩)。接近熔化条件时,半晶体聚合物显示出极大的比容变化。对此,过充模不会阻碍部件顶出。
    油压设备与出料量及压力调节
    离心泵产生的平均液压压力可达140巴,这一压力值特别适合於注塑。在周期的其它各个阶段,要求明显较低,除了需要快速塑化的特定情形(例如:PET注拉吹一步法注塑机)要求较高。
    为降低能耗,在出料高峰期时可采用可变排量泵和储压缸。固定排量泵在每次旋转时移动等量油量,因此,油泵选型由特定时间内所需移动的油量而定。三相电动机转速一般为1440转/分,通常要求装配双泵。只有在塑化过程中(功率达100%),油泵的利用率才达到最大限度。在停顿过程中,机械不需要能耗,即使需要,也属功率损耗。
所有注塑机均采用质量等级各异的比例伺服阀。两套或以上的比例阀安装於注射压机上,目的是对以下各个方面进行准确控制:
    开模速度(两级),闭模速度(两级),闭模安全性,注射(3-10级),加料(3-5级),吸入和顶杆(两级)。
    开模压力,闭模压力,模具安全性,机械夹具(料筒或肘杆),注射(充模阶段一次,後续阶段3-10次),吸入和反压(3-5级)。螺杆旋转速度(3-5级)。
    滑座靠近速度(机械注嘴靠近模具固定半模上注射衬垫的速度)以及顶杆的运动速度(顶出臺速度)也可调整。辅助电动机通过微弱的输入信号,将放大的信号(输出信号)发送到阀门,使伺服阀执行调节功能。在伺服阀中,微弱的输入电信号被转化为液压输出信号,以压降的形式根据所需的出料要求进行改进。阀门必须对张力或通用指令做出快速、可重覆及低滞後的出料响应。实际上,当前研究的目的是改进频率响应,使运行於数千赫(kHz)频率的动力设备(液压边)和电子设备之间进行对话。由於有效出料取决於阀门上聚合度(DP)的作用,因此,液压线路中的油温必须保持在45-55℃的範围内(通常采用闭环调节系统),具体根据流体粘度和过渡口的几何形状而定。在阀内没有适当的调节系统,温度上升会导致溶体粘度下降;若配有均衡开阀值,则可提高出料量。增加传动系统的出料油量,意味注射速度随之加快。对高科技伺服传动阀进行精确控制,可基本消除滞後现象,增强所有功能的重复性。
    全电动压机的力度测定
    由於全电动注塑机上不存在引发运动的矢量流体,因此,不能进行液压压力探测。因此,通常采用载荷传感器,利用伸缩仪测量弹性变形,从而直接测定其力度。全电动注塑机制造商开发了多种弹性部件,并装配了相应的伸缩仪。另一区别在於反压及其控制,可通过向注射电动机产生的轴向移动增加阻力而实现,而另一电动机致使螺杆旋转和後续物料塑化。以前,有些机械制造商采用安装在注嘴内换能器的测量系统,後来因为“功能性和可靠性不足”而放弃了该系统。
    注嘴压力测定的优点
    以上已证明了压力调节在注射和保压过程中的重要性。因此,压力探测的准确性和重复性是十分关键的因素。在闭环系统中,压力探测十分重要,只有确保准确的压力探测,调节器才能使实际压力接近於或等於设定值。在开环系统中,由於直接与传动系统相连接,因此压力探测的准确性和重复性更加重要。现在,开环系统仍在使用,在高吨位机型中的应用更加广泛。一般来说,基於设定值的速度控制在注射过程中进行(也就是说,速度变化由电位计或磁致收缩传感器测定),测定後转换为压力调节。通路可根据配额(配额通路)或压力予以启动。无论如何,当压力启动通路同时也作为“截口”以限制充模压力、防止溢料形成及模具受损时,均必须采用压力启动通路。一旦形成通路,後续的保压过程即由压力调节(型材亦不例外)。液压机的压力一般在液压线路中探测,很少在模具注嘴中进行。对於注塑而言,必须尽量将探测点靠近模腔。因此,模具压力测定最好在注嘴处进行,即使不太直接,也可在液压线路内进行压力测定。
    与模具压力探测不同的是,注嘴内探测还能通过调节反压而控制塑化过程。当接近注射的压力实际达到设定值并在材料注塑所需的时间内保持这一压力时,模具压力探测可实现转换。测定可直接进行,也可通过探针进行(如:压电传感器)。在模具内进行直接探测十分有效,唯一的局限性是会在模塑件上留下痕迹。间接探测往往受探针结构和间隙的影响,例如,公差过大会导致材料倾泻,致使探测准确性不足。
    注嘴压力探测比模腔压力探测的有效性较低,因为材料还得经过一段流道路线(或冷或热)。但是,注嘴压力探测具有某些优点,主要包括:探测在材料上进行;不需要对模具进行改造;模塑件上不留下任何痕迹。通过熔体压力控制(最好在模腔内进行),可避免在初始压力下造成充模过量(随後形成溢料)的风险。由此,可提高控制的有效性,避免材料烧焦,防止充模不足,缩短周期时间,增强重复性。
    生产能确保系统可靠性且使用方便的传感器确实存在一些技术问题。
    如果要求均匀调节反压,流程相关的难度确实不小。
    注嘴压力探测所用的传感器必须符合以下要求:
    不能干扰模塑过程。
    能在高压(2500巴)及高温(350-400℃)下确保探测精确度。
    体积小巧,结构坚实,在发生故障时便於更换。
    与充模料接触时,具有优良的耐磨性。
    能长期保证探测有效性(长时间使用後出现磨擦、污染时,能确保测量无偏差、无误差、无滞後)。
    提供高速取样(2-5微秒)和标准化通信协议,如:CAN开放式版本CANbus或DeviceNet。
    因此,问题较为复杂。不难理解的是,迄今为止,液压机仍然将传感器配置於液压线路内,全电动机则采用力度探测,两者均未采用熔体传感器。多年来,熔体传感器广泛用於挤塑机上,但是,挤塑机对探测範围、精确度、响应时间和结构坚实度等方面的要求较低(与挤塑机上的静态应力相比,安装於注射机上时,传感器薄膜上承受的机械疲劳应力要大得多)。
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