谢北萍，刘斌――基于模腔压力曲线的注塑成型实验研究.doc

基于模腔压力曲线的注塑成型实验研究 谢北萍，刘斌 (华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361021) 摘要：注塑成型过程中的模腔压力曲线可反映出塑料制品的最终质量。借助模腔压力传感器测量模腔压力， 得到模腔压力曲线。通过改变保压条件，得到不同模腔压力曲线和塑料制品，并研究模腔压力曲线与制品 残余应力的关系。在此基础上，研究了注射压力和保压压力等两个工艺参数对模腔压力曲线形状的影响规 律。 关键词：注塑成型，压力传感器，模腔压力曲线，注塑工艺参数 中图分类号：TQ320.662 模腔压力反映了塑料在注塑过程中作用于模腔内壁的压力场分布[1]。注塑成型过程的模 腔压力曲线反映了塑料熔体在模腔内的变化情况。模腔压力曲线的形态与注塑工艺参数具有 密切的联系[2]。 残余应力是导致注塑制品翘曲变形的主要原因，它是由塑料制品的由于塑料产品结构的 厚度不均和工艺参数导致塑料冷却不均匀引起的。残余应力的存在，会严重地影响塑料制品 的强度、精度及美观程度[3]。 注塑过程中的模腔压力曲线能够精确地反映出成型后塑料制品的应力存留情况。注塑完 成后，若模腔压力能够回归到零，则说明塑料制品中没有残余应力；若模腔压力不能回归到 零，则说明塑料制品中存在残余应力[4-5]。因此，研究模腔压力曲线与残余应力的关系，具 有重要的工程意义。 李林楠[6]和邱斌[7]分别利用模腔压力曲线对注塑工艺进行优化来提高塑料制品的质量。佘少 玲[8]等人研究了注塑工艺参数对模腔压力的影响规律。吴廷[9]等人研究了不同控制方式的转 压方式，实验结果表明，利用模腔压力控制的方式得到的制品质量重复度最好。安静[10]等 人研究了模腔压力与制品熔接痕强度的关系。 本文借助模腔压力传感器进行试验研究。首先测量注塑过程中的模腔压力和塑料制品残 余应力，研究模腔压力曲线形态与塑料制品残余应力的关系。在此基础上，研究注射压力和 保压压力等两个工艺参数对模腔压力曲线的形状的影响规律。 1 模腔压力曲线 完整周期的模腔压力曲线能够直观地反映出注塑过程中塑料熔体在模腔中的变化情 况，是众多注塑工艺参数的综合反映，更与塑料制品的最终质量有密切联系。典型的模腔压 力曲线图如图 1 所示。 图1 模腔压力曲线典型图 由图 1 可知，完整周期的模腔压力曲线可分为若干个重要阶段，每个阶段的曲线形态都 直观地反映出其对应时间段的注塑成型特点。各阶段的具体含义如下： 1）特征点 1~2。塑料熔体接触到传感器，传感器开始测量到数据。 2）特征点 2~3。该阶段为填充阶段，模腔压力不断增大。 3）特征点 3~4。该阶段为保压阶段，模腔压力增速最大，并得到最大值。 4）特征点 4~5。该阶段为凝固阶段，点 5 为浇口凝固点。 5）特征点 5~6。浇口凝固后，模腔内的熔体继续凝固，模腔压力值急剧下降，最终回 归为 0bar。 根据上述各阶段的特点，在实际生产中，可以根据得到的模腔压力曲线迅速地对工艺参 数进行调整，从而提高塑料制品的成型质量。 2 实验方案 2.1 实验设备 本文主要通过模腔压力传感器测量得到注塑成型过程中的模腔压力曲线，并 将所得到的曲线进行保存。所需的实验设备主要有： 注塑模：一模四腔的哈夫模； 注塑机：卧式注塑成型机； 传感器：瑞士奇石乐公司 6190CA 型模腔压力温度传感器； 数据采集系统：瑞士奇石乐公司 2269 型 Como Injection 模腔压力温度数据 采集系统。 2.2 传感器的安装 根据研究内容需要，分别在如图 2 所示的位置，即模具流道处、边上模腔处 和中间模腔处安装模腔压力传感器。其中，边上模腔处的模腔压力传感器安装位 置和中间模腔处的模腔压力传感器安装位置处于对称状态。 图2 模腔压力传感器安装位置 2.3 实验材料 本实验用的材料为 ABS，根据实际的试模情况来确定基本工艺参数组合，具体如表 1 所示。 表1 工艺参数表 工艺参数 熔体温度 注射压力 保压压力 保压时间 参数值 210 95 35 2.0 2.4 模腔压力曲线的获取 ①在正式实验开始之前，先注射 50 模，等注塑机工作稳定之后在进行正式的实验。 ②将工艺参数调整为表 1 中的参数，即熔体温度为 210℃，注射压力为 95bar，保压压力 为 35bar 和注射时间为 2.0。先注射 10 模，等注塑机工作稳定后，注射 1 模，并保存相应的 模腔压力曲线，作为后续实验之用。 ③改变步骤 2 中的保压条件，即将保压时间改为 0s，保压压力改为 0bar。先注射 10 模， 等注塑机工作稳定后，注射 1 模，并保存相应的模腔压力曲线，作为后续实验之用。 3 模具不同部位的模腔压力曲线研究 由于分析软件的算法的缺陷，模流分析技术得到的分析结果的精度相对较低，只能作为 实际生产的参考。例如，对对称模腔进行分析，得到的结果总是一致的。模腔压力曲线则能 够直接、精确地反映出熔体在模腔内的实际情况。 将注塑成型实验步骤②得到的模腔压力曲线进行研究。本实验的模腔压力曲线主要测量 了灯罩模具中的流道和两个对称模腔处的模腔压力，因此得到了三条不同的模腔压力曲线， 具体如图 2 所示，分别是中间模腔处的模腔压力曲线、边上模腔处的模腔压力曲线和模具流 道的模腔压力曲线。 图 2 不同部位的模腔压力曲线图 由图 2 可知，不同部位的模腔压力曲线有着很大的不同。根据图中模腔压力曲线的特点 并借鉴其他文献的分析方法，对不同部位的模腔压力曲线进行比较和分析。 1）模具流道处。根据图 2 的模腔压力曲线可知，模具流道处的传感器最早测量到压力， 并迅速上升达到最大值。随后，模腔压力继续减小，并逐渐回归到 0。相对于另外两个模腔 的压力曲线，流道处的模腔压力曲线呈现出迅速上升和迅速下降的特点，且模腔压力最大值 最大。这说明，塑料熔体从喷嘴到流道的压力降比较小，而且填充完成后，流道中的熔体迅 速凝固。 2）模腔处。根据图 2 的模腔压力曲线可知，虽然两个模腔完全对称。但是，两处对应 的模腔压力曲线并不一致。两处的模腔压力曲线起点一致，说明塑料熔体经过分流道后，同 时到达传感器。但是，没有达到同样的最大值。产生这种现象可能是由于两个模腔的表面磨 损程度或温度不同等原因引起的。在冷却阶段，模腔压力曲线并没有回归到 0，说明得到的 塑料制品中含有残余应力。 根据模具中的不同部位的模腔压力曲线，可以直接的看出塑料熔体在各个部位的变化情 况。同时，准确地展示出对称模腔处的模腔压力曲线的不同之处。相对于模拟分析软件，模 腔压力曲线能够得到更丰富的信息。 4 模腔压力曲线与制品残余应力的关系研究 4.1 不同工艺参数下的模腔压力曲线 将步骤②和③两次实验得到的模腔压力曲线汇总在一起，如图 3 所示。根据得到的模腔 压力曲线可看出，在有保压的情况下，在冷却阶段，模腔内仍存在较大的压力。而在没有保 压的情况下，冷却阶段中，模腔内虽然仍存在有一定的压力，但相对于有保压情况，已经大 幅下降。 保 保 保 保 保 保 600 模腔压力/bar 500 400 300 200 100 0 0 5 10 图3 保 保 /s 15 20 25 不同保压条件下的模腔压力 4.2 制品残余应力的测量 为了进一步研究，产品残余应力与模腔压力曲线的关系，利用冰醋酸对产品进行残余 应力的分析测试。具体的实验方法如下：将脱模后的塑料制品静置 3h 后，放入到质量分数 为 95%的冰醋酸中浸泡 120s，用水冲洗干净，自然风干后，观察制件表面的发白程度来进 行判断。 4.3 实验结果分析 在图 4 中，左图是有进行保压工艺条件下得到的产品，右图是没有进行保压工艺条件 下得到的产品。可以看出，在有保压工艺条件下得到的制品的发白程度比没有保压工艺得到 的制品要明显。结合图 1 可以说明，在注塑过程中，模腔压力越小，脱模后产品的残余应力 越小。在实际生产的试模中，工程师可以利用监测得到的模腔压力曲线进行工艺参数的调整， 使得到的产品的残余应力最小化。不仅能够提高注塑生产的效率，也能够提高注塑产品的生 产质量。 图4 经冰醋酸浸泡后的塑料制品 5 工艺参数对模腔压力曲线的影响规律 前述的实验研究了在注塑过程中，模腔压力曲线和塑料制品的残余应力的关系。实验 结果表明，模腔压力曲线能够有效地反映出塑料制品中的残余应力。在此基础上，进一步研 究注射压力、保压压力和保压时间对模腔压力曲线的影响规律。 以表 1 作为基准，然后依次改变工艺参数得到不同工艺参数组合下的模腔压力曲线。 其中，注射压力的变化范围为 85bar、90bar、95bar 和 100bar；保压压力的变化范围为 30bar、35bar、40bar 和 45bar。具体步骤如下： ①在正式实验开始之前，先注射 50 模，等注塑机工作稳定之后在进行正式的实验。 ②根据实验需要改调整工艺参数。调整工艺参数后，需先注射 10 模，等注塑机工作稳 定后，注射 1 模，并保存相应的模腔压力曲线。 根据实验的得到模腔压力曲线进行整理，并做出相应的分析。 5.1 注射压力对模腔压力曲线的影响规律 85bar 90bar 95bar 100bar 600 保 保 保 保 /bar 500 400 300 200 100 0 0 5 图5 10 15 保 保 保 保 /s 20 25 不同注射压力条件下的模腔压力曲线 图 5 所示为不同注射压力条件下的模腔压力曲线。由图可以看出，随着注射压力的增大， 模腔压力的最大值不断的增大，而且模腔中残余压力值也不断增大。在注塑过程中，随着注 射压力的不断增大，塑料熔体的流动性提高。在填充过程中，压力损失减小。因此，模腔压 力最大值不断升高。进入保压时，塑料熔体从浇口处开始凝固，在模腔中依然会残留一定的 压力。在其他工艺条件不变的情况下，残余应力会随着模腔压力最大值的增大而增大。 5.2 保压压力对模腔压力曲线的影响规律 30bar 35bar 40bar 45bar 600 500 保 保 保 保 /bar 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 保 保 保 保 /s 图6 不同保压压力条件下的模腔压力曲线 图 6 所示为不同保压压力条件下的模腔压力曲线。由图可以看出，在不同保压压力条 件下的模腔压力曲线变化并不大。在注塑成型中，进入保压阶段后，浇口处的熔体开始凝固， 注塑机施加的压力为膜腔内部的熔体压力影响不大。但此时若撤掉保压压力，则会产生熔体 倒流的现象。 5.3 注射时间对模腔压力曲线的影响规律 图7 不同注射时间条件下的模腔压力曲线 图 7 所示为边上模腔处不同注射时间条件下的模腔压力曲线。 由图可以看出， 随着注射时间的不断延长，模腔压力达到的最大值不断增大，而且在保压阶段的 模腔压力值也是随着注射时间的增大而增大。同样地，随着注射时间的不断延长， 塑料模具型腔中的聚合物链将会产生更大的变形，从而导致了模腔压力值的变大。 在流到出由于塑料熔体很少，随着塑料熔体的凝固收缩，模腔压力值能够恢复到 0bar。而在模具型腔中，塑料熔体的量很大，塑料熔体的凝固虽然能够使模腔压 力减小。但是，塑料熔体无法回到 0bar。因此，在冷却阶段。边上模具型腔处的 模腔压力值不能回归到 0，且模腔压力值随着注射时间的不断延长而增大。在实 际生产中，为了防止残余应力的存在，需要合理的控制好注射时间。 6 结论 本文借助模腔压力传感器，研究了模具不同部位的模腔压力曲线，塑料制品质量与模 腔压力曲线形状的关系和注塑工艺参数对模腔压力曲线的影响规律。图 1 所示是理想的模腔 压力曲线，在注塑完成后，模腔压力便回到 0。本文实验的得到的模腔压力，由于所用材料、 模具结构和实际生产条件的原因，在注塑过程中有残余应力。 根据本文的实验，我们得到了以下 3 个结论： 1）借助模腔压力传感器能够直观地了解到不同模具部位的模腔压力曲线特点。并且能 够精确地反映出对称部位模腔压力曲线的不同，进而反映出塑料熔体在模腔中的变化情况的 不同。 2）实验结果表明，模腔压力传感器能过精确地反映出，当注塑工艺条件从有保压调整 为无保压时，模腔压力曲线在保压阶段的变化情况。根据测量结果可知，塑料制品的残余应 力也相应的变小。 3）在不同的注塑条件下，模腔压力曲线呈现出不同的变化趋势。根据得到的规律，对 实际生产作用可起到指导性作用。 参考文献 [1] 陈金伟，徐百平. 模腔压力曲线在注塑工艺参数优化中的应用[J]. 工程塑料应用，2010，38(3)： 28~31. 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Experimental study on injection molding process base on cavity pressure curve XIE Beiping, LIU Bin (College of mechanical engineering and automation Huaqiao university,Xiamen Fujian 361021,China) Abstract：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 and 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 law of cavity pressure affected by injection pressure and packing pressure. Key words: injection molding, pressure sensor, cavity pressure curve, injection molding parameter 基于模腔压力曲线的注塑成型实验研究 作者姓 名 电子邮 件 作者单 位 谢北萍 性别 出生日 女 307851626@qq.com 期 职 称 1979-12-20 联系电话 学 历 1580508255 5 硕士研究生 华侨大学，机电及自动化学院 Huaqiao University, College of mechanical engineering and automation 基金项 目 研究方 向 导师情 况 模具，注塑成型，压力传感器，模腔压力曲线，注塑工艺参数 刘斌，男，1972 年出生，教授，硕士生导师，邮箱 mold_bin@hqu.edu.cn，电话 18959266010。