基于模腔壓力曲線的注塑成型實(shí)驗(yàn)研究

1、<p>　　基于模腔壓力曲線的注塑成型實(shí)驗(yàn)研究</p><p><b>　　謝北萍，劉斌</b></p><p>　　(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)</p><p>　　摘要：注塑成型過(guò)程中的模腔壓力曲線可反映出塑料制品的最終質(zhì)量。借助模腔壓力傳感器測(cè)量模腔壓力，得到模腔壓力曲線。通過(guò)改變保壓條件，得到不同模

2、腔壓力曲線和塑料制品，并研究模腔壓力曲線與制品殘余應(yīng)力的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究了注射壓力和保壓壓力等兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力曲線形狀的影響規(guī)律。</p><p>　　關(guān)鍵詞：注塑成型，壓力傳感器，模腔壓力曲線，注塑工藝參數(shù)</p><p>　　中圖分類號(hào)：TQ320.662</p><p>　　模腔壓力反映了塑料在注塑過(guò)程中作用于模腔內(nèi)壁的壓力場(chǎng)分布[1]。注塑成型過(guò)

3、程的模腔壓力曲線反映了塑料熔體在模腔內(nèi)的變化情況。模腔壓力曲線的形態(tài)與注塑工藝參數(shù)具有密切的聯(lián)系[2]。</p><p>　　殘余應(yīng)力是導(dǎo)致注塑制品翹曲變形的主要原因，它是由塑料制品的由于塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的厚度不均和工藝參數(shù)導(dǎo)致塑料冷卻不均勻引起的。殘余應(yīng)力的存在，會(huì)嚴(yán)重地影響塑料制品的強(qiáng)度、精度及美觀程度[3]。</p><p>　　注塑過(guò)程中的模腔壓力曲線能夠精確地反映出成型后塑料制品的應(yīng)

4、力存留情況。注塑完成后，若模腔壓力能夠回歸到零，則說(shuō)明塑料制品中沒(méi)有殘余應(yīng)力；若模腔壓力不能回歸到零，則說(shuō)明塑料制品中存在殘余應(yīng)力[4-5]。因此，研究模腔壓力曲線與殘余應(yīng)力的關(guān)系，具有重要的工程意義。</p><p>　　李林楠[6]和邱斌[7]分別利用模腔壓力曲線對(duì)注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高塑料制品的質(zhì)量。佘少玲[8]等人研究了注塑工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力的影響規(guī)律。吳廷[9]等人研究了不同控制方式的轉(zhuǎn)壓方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、表明，利用模腔壓力控制的方式得到的制品質(zhì)量重復(fù)度最好。安靜[10]等人研究了模腔壓力與制品熔接痕強(qiáng)度的關(guān)系。</p><p>　　本文借助模腔壓力傳感器進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先測(cè)量注塑過(guò)程中的模腔壓力和塑料制品殘余應(yīng)力，研究模腔壓力曲線形態(tài)與塑料制品殘余應(yīng)力的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究注射壓力和保壓壓力等兩個(gè)工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力曲線的形狀的影響規(guī)律。</p><p><b>　　1 模腔壓

6、力曲線</b></p><p>　　完整周期的模腔壓力曲線能夠直觀地反映出注塑過(guò)程中塑料熔體在模腔中的變化情況，是眾多注塑工藝參數(shù)的綜合反映，更與塑料制品的最終質(zhì)量有密切聯(lián)系。典型的模腔壓力曲線圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 模腔壓力曲線典型圖</p><p>　　由圖1可知，完整周期的模腔壓力曲線可分為若干個(gè)重要階段，每個(gè)階段的曲線形態(tài)都直

7、觀地反映出其對(duì)應(yīng)時(shí)間段的注塑成型特點(diǎn)。各階段的具體含義如下：</p><p>　　1）特征點(diǎn)1~2。塑料熔體接觸到傳感器，傳感器開(kāi)始測(cè)量到數(shù)據(jù)。</p><p>　　2）特征點(diǎn)2~3。該階段為填充階段，模腔壓力不斷增大。</p><p>　　3）特征點(diǎn)3~4。該階段為保壓階段，模腔壓力增速最大，并得到最大值。</p><p>　　4）特征點(diǎn)4

8、~5。該階段為凝固階段，點(diǎn)5為澆口凝固點(diǎn)。</p><p>　　5）特征點(diǎn)5~6。澆口凝固后，模腔內(nèi)的熔體繼續(xù)凝固，模腔壓力值急劇下降，最終回歸為0bar。</p><p>　　根據(jù)上述各階段的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)得到的模腔壓力曲線迅速地對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而提高塑料制品的成型質(zhì)量。</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)方案</b>

9、</p><p><b>　　2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　本文主要通過(guò)模腔壓力傳感器測(cè)量得到注塑成型過(guò)程中的模腔壓力曲線，并將所得到的曲線進(jìn)行保存。所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：</p><p>　　注塑模：一模四腔的哈夫模；</p><p>　　注塑機(jī)：臥式注塑成型機(jī)；</p><p>

10、　　傳感器：瑞士奇石樂(lè)公司6190CA型模腔壓力溫度傳感器；</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：瑞士奇石樂(lè)公司2269型Como Injection模腔壓力溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.2傳感器的安裝</b></p><p>　　根據(jù)研究?jī)?nèi)容需要，分別在如圖2所示的位置，即模具流道處、邊上模腔處和中間模腔處安裝模腔壓力傳感

11、器。其中，邊上模腔處的模腔壓力傳感器安裝位置和中間模腔處的模腔壓力傳感器安裝位置處于對(duì)稱狀態(tài)。</p><p>　　圖2 模腔壓力傳感器安裝位置</p><p><b>　　2.3實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用的材料為ABS，根據(jù)實(shí)際的試模情況來(lái)確定基本工藝參數(shù)組合，具體如表1所示。</p><p>&

12、lt;b>　　表1 工藝參數(shù)表</b></p><p>　　2.4模腔壓力曲線的獲取</p><p>　?、僭谡綄?shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，先注射50模，等注塑機(jī)工作穩(wěn)定之后在進(jìn)行正式的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　②將工藝參數(shù)調(diào)整為表1中的參數(shù)，即熔體溫度為210℃，注射壓力為95bar，保壓壓力為35bar和注射時(shí)間為2.0。先注射10模，等注塑機(jī)工作穩(wěn)定

13、后，注射1模，并保存相應(yīng)的模腔壓力曲線，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)之用。</p><p>　?、鄹淖儾襟E2中的保壓條件，即將保壓時(shí)間改為0s，保壓壓力改為0bar。先注射10模，等注塑機(jī)工作穩(wěn)定后，注射1模，并保存相應(yīng)的模腔壓力曲線，作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)之用。</p><p>　　3 模具不同部位的模腔壓力曲線研究</p><p>　　由于分析軟件的算法的缺陷，模流分析技術(shù)得到的分析結(jié)

14、果的精度相對(duì)較低，只能作為實(shí)際生產(chǎn)的參考。例如，對(duì)對(duì)稱模腔進(jìn)行分析，得到的結(jié)果總是一致的。模腔壓力曲線則能夠直接、精確地反映出熔體在模腔內(nèi)的實(shí)際情況。</p><p>　　將注塑成型實(shí)驗(yàn)步驟②得到的模腔壓力曲線進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)的模腔壓力曲線主要測(cè)量了燈罩模具中的流道和兩個(gè)對(duì)稱模腔處的模腔壓力，因此得到了三條不同的模腔壓力曲線，具體如圖2所示，分別是中間模腔處的模腔壓力曲線、邊上模腔處的模腔壓力曲線和模具流道的模腔

15、壓力曲線。</p><p>　　圖2 不同部位的模腔壓力曲線圖</p><p>　　由圖2可知，不同部位的模腔壓力曲線有著很大的不同。根據(jù)圖中模腔壓力曲線的特點(diǎn)并借鑒其他文獻(xiàn)的分析方法，對(duì)不同部位的模腔壓力曲線進(jìn)行比較和分析。</p><p>　　1）模具流道處。根據(jù)圖2的模腔壓力曲線可知，模具流道處的傳感器最早測(cè)量到壓力，并迅速上升達(dá)到最大值。隨后，模腔壓力繼續(xù)

16、減小，并逐漸回歸到0。相對(duì)于另外兩個(gè)模腔的壓力曲線，流道處的模腔壓力曲線呈現(xiàn)出迅速上升和迅速下降的特點(diǎn)，且模腔壓力最大值最大。這說(shuō)明，塑料熔體從噴嘴到流道的壓力降比較小，而且填充完成后，流道中的熔體迅速凝固。</p><p>　　2）模腔處。根據(jù)圖2的模腔壓力曲線可知，雖然兩個(gè)模腔完全對(duì)稱。但是，兩處對(duì)應(yīng)的模腔壓力曲線并不一致。兩處的模腔壓力曲線起點(diǎn)一致，說(shuō)明塑料熔體經(jīng)過(guò)分流道后，同時(shí)到達(dá)傳感器。但是，沒(méi)有達(dá)到同

17、樣的最大值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于兩個(gè)模腔的表面磨損程度或溫度不同等原因引起的。在冷卻階段，模腔壓力曲線并沒(méi)有回歸到0，說(shuō)明得到的塑料制品中含有殘余應(yīng)力。</p><p>　　根據(jù)模具中的不同部位的模腔壓力曲線，可以直接的看出塑料熔體在各個(gè)部位的變化情況。同時(shí)，準(zhǔn)確地展示出對(duì)稱模腔處的模腔壓力曲線的不同之處。相對(duì)于模擬分析軟件，模腔壓力曲線能夠得到更豐富的信息。</p><p>　　4

18、模腔壓力曲線與制品殘余應(yīng)力的關(guān)系研究</p><p>　　4.1不同工藝參數(shù)下的模腔壓力曲線</p><p>　　將步驟②和③兩次實(shí)驗(yàn)得到的模腔壓力曲線匯總在一起，如圖3所示。根據(jù)得到的模腔壓力曲線可看出，在有保壓的情況下，在冷卻階段，模腔內(nèi)仍存在較大的壓力。而在沒(méi)有保壓的情況下，冷卻階段中，模腔內(nèi)雖然仍存在有一定的壓力，但相對(duì)于有保壓情況，已經(jīng)大幅下降。</p><p

19、>　　圖3 不同保壓條件下的模腔壓力</p><p>　　4.2制品殘余應(yīng)力的測(cè)量</p><p>　　為了進(jìn)一步研究，產(chǎn)品殘余應(yīng)力與模腔壓力曲線的關(guān)系，利用冰醋酸對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行殘余應(yīng)力的分析測(cè)試。具體的實(shí)驗(yàn)方法如下：將脫模后的塑料制品靜置3h后，放入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的冰醋酸中浸泡120s，用水沖洗干凈，自然風(fēng)干后，觀察制件表面的發(fā)白程度來(lái)進(jìn)行判斷。</p><p

20、><b>　　4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析</b></p><p>　　在圖4中，左圖是有進(jìn)行保壓工藝條件下得到的產(chǎn)品，右圖是沒(méi)有進(jìn)行保壓工藝條件下得到的產(chǎn)品?？梢钥闯?，在有保壓工藝條件下得到的制品的發(fā)白程度比沒(méi)有保壓工藝得到的制品要明顯。結(jié)合圖1可以說(shuō)明，在注塑過(guò)程中，模腔壓力越小，脫模后產(chǎn)品的殘余應(yīng)力越小。在實(shí)際生產(chǎn)的試模中，工程師可以利用監(jiān)測(cè)得到的模腔壓力曲線進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，使得到的產(chǎn)

21、品的殘余應(yīng)力最小化。不僅能夠提高注塑生產(chǎn)的效率，也能夠提高注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。</p><p>　　圖4 經(jīng)冰醋酸浸泡后的塑料制品</p><p>　　5工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律</p><p>　　前述的實(shí)驗(yàn)研究了在注塑過(guò)程中，模腔壓力曲線和塑料制品的殘余應(yīng)力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模腔壓力曲線能夠有效地反映出塑料制品中的殘余應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究注

22、射壓力、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律。</p><p>　　以表1作為基準(zhǔn)，然后依次改變工藝參數(shù)得到不同工藝參數(shù)組合下的模腔壓力曲線。其中，注射壓力的變化范圍為85bar、90bar、95bar和100bar；保壓壓力的變化范圍為30bar、35bar、40bar和45bar。具體步驟如下：</p><p>　?、僭谡綄?shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，先注射50模，等注塑機(jī)工作穩(wěn)定之后在進(jìn)行正

23、式的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　?、诟鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要改調(diào)整工藝參數(shù)。調(diào)整工藝參數(shù)后，需先注射10模，等注塑機(jī)工作穩(wěn)定后，注射1模，并保存相應(yīng)的模腔壓力曲線。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)的得到模腔壓力曲線進(jìn)行整理，并做出相應(yīng)的分析。</p><p>　　5.1注射壓力對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律</p><p>　　圖5 不同注射壓力條件下的模腔壓力

24、曲線</p><p>　　圖5所示為不同注射壓力條件下的模腔壓力曲線。由圖可以看出，隨著注射壓力的增大，模腔壓力的最大值不斷的增大，而且模腔中殘余壓力值也不斷增大。在注塑過(guò)程中，隨著注射壓力的不斷增大，塑料熔體的流動(dòng)性提高。在填充過(guò)程中，壓力損失減小。因此，模腔壓力最大值不斷升高。進(jìn)入保壓時(shí)，塑料熔體從澆口處開(kāi)始凝固，在模腔中依然會(huì)殘留一定的壓力。在其他工藝條件不變的情況下，殘余應(yīng)力會(huì)隨著模腔壓力最大值的增大而增

25、大。</p><p>　　5.2保壓壓力對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律</p><p>　　圖6 不同保壓壓力條件下的模腔壓力曲線</p><p>　　圖6所示為不同保壓壓力條件下的模腔壓力曲線。由圖可以看出，在不同保壓壓力條件下的模腔壓力曲線變化并不大。在注塑成型中，進(jìn)入保壓階段后，澆口處的熔體開(kāi)始凝固，注塑機(jī)施加的壓力為膜腔內(nèi)部的熔體壓力影響不大。但此時(shí)若撤掉保壓壓

26、力，則會(huì)產(chǎn)生熔體倒流的現(xiàn)象。</p><p>　　5.3注射時(shí)間對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律</p><p>　　圖7 不同注射時(shí)間條件下的模腔壓力曲線</p><p>　　圖7所示為邊上模腔處不同注射時(shí)間條件下的模腔壓力曲線。由圖可以看出，隨著注射時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，模腔壓力達(dá)到的最大值不斷增大，而且在保壓階段的模腔壓力值也是隨著注射時(shí)間的增大而增大。同樣地，隨著注射時(shí)

27、間的不斷延長(zhǎng)，塑料模具型腔中的聚合物鏈將會(huì)產(chǎn)生更大的變形，從而導(dǎo)致了模腔壓力值的變大。在流到出由于塑料熔體很少，隨著塑料熔體的凝固收縮，模腔壓力值能夠恢復(fù)到0bar。而在模具型腔中，塑料熔體的量很大，塑料熔體的凝固雖然能夠使模腔壓力減小。但是，塑料熔體無(wú)法回到0bar。因此，在冷卻階段。邊上模具型腔處的模腔壓力值不能回歸到0，且模腔壓力值隨著注射時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而增大。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了防止殘余應(yīng)力的存在，需要合理的控制好注射時(shí)間。<

28、;/p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　本文借助模腔壓力傳感器，研究了模具不同部位的模腔壓力曲線，塑料制品質(zhì)量與模腔壓力曲線形狀的關(guān)系和注塑工藝參數(shù)對(duì)模腔壓力曲線的影響規(guī)律。圖1所示是理想的模腔壓力曲線，在注塑完成后，模腔壓力便回到0。本文實(shí)驗(yàn)的得到的模腔壓力，由于所用材料、模具結(jié)構(gòu)和實(shí)際生產(chǎn)條件的原因，在注塑過(guò)程中有殘余應(yīng)力。</p&g

29、t;<p>　　根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)，我們得到了以下3個(gè)結(jié)論：</p><p>　　1）借助模腔壓力傳感器能夠直觀地了解到不同模具部位的模腔壓力曲線特點(diǎn)。并且能夠精確地反映出對(duì)稱部位模腔壓力曲線的不同，進(jìn)而反映出塑料熔體在模腔中的變化情況的不同。</p><p>　　2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模腔壓力傳感器能過(guò)精確地反映出，當(dāng)注塑工藝條件從有保壓調(diào)整為無(wú)保壓時(shí)，模腔壓力曲線在保壓階段的變化

30、情況。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，塑料制品的殘余應(yīng)力也相應(yīng)的變小。</p><p>　　3）在不同的注塑條件下，模腔壓力曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。根據(jù)得到的規(guī)律，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)作用可起到指導(dǎo)性作用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳金偉，徐百平. 模腔壓力曲線在注塑工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 工程塑料應(yīng)用，201

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36、gt;　　base on cavity pressure curve</p><p>　　XIE Beiping, LIU Bin</p><p>　　(College of mechanical engineering and automation Huaqiao university,Xiamen Fujian 361021,China)</p><p>　　A

37、bstract：Cavity pressure curve in the injection molding process can reflect the quality of plastic products. Cavity pressure curve can be obtained by means of the cavity pressure sensor. Different cavity pressure curves a

38、nd plastic products can be obtained by the means of changing the packing condition, and then the relationship between cavity pressure and residual stress of plastic products has been studied. On this basis, the influence