專利名稱：自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及注塑機，特別涉及一種自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機。

背景技術(shù)：
注塑成型基本過程是將成型材料加熱熔融成流動態(tài)(稱為塑化態(tài))，施以高壓注射進模具，冷卻而固化成型(對于熱塑性樹脂)，然后從模具中取出所需的成型制品。
生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的注塑制品所涉及工藝參數(shù)產(chǎn)生的因素很多，一般來說，當(dāng)提出一件新制品的使用性能和其它有關(guān)要求后，首先應(yīng)在經(jīng)濟合理和技術(shù)可行的原則下，選擇最合適的原材料、生產(chǎn)工藝、設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)。在這些條件確定后，工藝條件的選擇和控制就是主要考慮的因素。
傳統(tǒng)塑料模具成形過程依據(jù)高分子塑料流變學(xué)理論方法提出有限元力學(xué)網(wǎng)格分析方法，用計算機對模具內(nèi)塑料流動模擬出制品成形過程，把這個流變學(xué)方法得到的注射參數(shù)由人工通過鍵盤輸入到注塑機，再由注塑機實現(xiàn)注射模具成形制品?，F(xiàn)有技術(shù)中，注塑機設(shè)定注射參數(shù)方法是采用計算機輔助設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)算法實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，這種分級注射過程參數(shù)設(shè)定缺點是由于注塑機實時控制過程中，不可能做大量數(shù)學(xué)運算，塑料注射模腔過程只能用計算機模擬仿真，把塑料模擬在模具內(nèi)腔流動過程得出參數(shù)，輸入到注塑機面板，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，算法復(fù)雜，把計算過程假設(shè)條件或者約束條件加進仿真器，得到的注射參數(shù)偏離實際值。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、試模效率高的自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機。
本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機，包括螺桿筒、設(shè)置于螺桿筒內(nèi)的螺桿、設(shè)置于螺桿筒外的加熱套、設(shè)置于所述螺桿筒一端的噴嘴，其特征在于所述噴嘴徑向上設(shè)置有通孔，所述通孔里設(shè)置有傳感器，所述傳感器與螺桿筒內(nèi)的熔體接觸，所述傳感器和計算機信號連接。
所述螺桿筒外的加熱套上設(shè)置有傳感器。
所述傳感器為壓力溫度傳感器。
上述的自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機的參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1注塑機對模具進行注塑充模，由噴嘴處的傳感器測得噴嘴處的壓力-時間曲線，在整個充模階段的壓力-時間曲線上取N點，N為自然數(shù)，整個充模時間為tf，確定出所述N點的壓力P和時間值t，計算各點的斜率Ki； 步驟2計算各點斜率變化率Ki′； 步驟3設(shè)定i＝1，Ki＝K1＝0； 步驟4如果Ki′＞δ，所述δ為斜率變化門檻值，稱第i點為分界點，該點應(yīng)為注射行程上的分級點，記錄該點的壓力值Pk和時間值tk，K＝K+1，到步驟5，否則，i＝i+1，返回到步驟4； 步驟5如果所有點操作完，則到步驟6，否則i＝i+1，返回到步驟4； 步驟6；如果K大于由用戶提供的最大分級數(shù)，則增大δ，返回到步驟4，否則到步驟7； 步驟7把步驟1的壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換成壓力-行程曲線，把壓力-行程曲線分為K段，分級點時間為步驟4的tk，計算tk所對應(yīng)的螺桿行程上的分級注射位置Lk，以及分級注射位置Lk對應(yīng)的熔體體積Qk； 步驟8由步驟4和步驟7求得的有序數(shù)字(Lk，Pk)確定各分級點，把各分級點連接成分段的直線來表示壓力-行程曲線； 步驟9輸出各分級點的注射速度、注射位置和級數(shù)，結(jié)束。
上述步驟1的Ki的計算方法為 上述步驟2的各點斜率變化率Ki′的計算方法為 T為采樣間隔(2) 上述步驟7的分級注射位置Lk的計算方法為 Linj為螺桿的總行程(3) 所述熔體體積Qk的計算方法為 D為所述螺桿筒的內(nèi)直徑(4) 上述步驟1的N的取值范圍在50～100之間。
上述T的取值范圍在20～100ms之間。
上述步驟6的最大分級數(shù)根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定，取值范圍在3～10之間。
本實用新型基于以下原理 (1)注射速度的快慢，影響制品各方面的質(zhì)量和試模效率。在實際注射過程中，注射速度一般是根據(jù)塑料性能、工藝條件、制品形狀、壁厚和模具等情況來決定在“受機器控制的流動”的情況，充模流速符合如下關(guān)系式 其中g(shù)-熔體平均流動速度；Pr-施加于聚合物的壓力；x-任意時刻的充模長度；S-單位長度的流動阻力；RT-聚合物進入模具之前的流動總阻力；t-螺桿向前運動的時間；n-流變指數(shù)。
由(5)式可知，熔體的平均流動速度v不僅與施加于其上的壓力Pr有關(guān)，而且還與充模長度x、流動阻力R和RT、注射時間t及流變指數(shù)n等許多因素有關(guān)。在實際工程應(yīng)用中，該式的應(yīng)用受到很多條件的約束。
很明顯，該式中的單位長度流動阻力R與模腔幾何形狀有關(guān)系，隨著注射位移的變化，模腔的幾何形狀對熔體流動所產(chǎn)生的流動阻力會表現(xiàn)在壓力-時間曲線上。本實用新型自動根據(jù)充模階段噴嘴的壓力-時間曲線確定出分級注射速度和注射位置，這些注射位置對同一模具是定值。
(2)上述的斜率變化門檻值δ是確定注射分級參數(shù)設(shè)定的重要參數(shù)，其選擇受注塑機允許設(shè)定分級級數(shù)的約束，因此，δ的選取一般可以從小到大，直至滿足機器的要求。故δ值的選取相當(dāng)重要，應(yīng)根據(jù)制品要求達到的精度和質(zhì)量適當(dāng)設(shè)定。其值越小，級數(shù)越多。
本實用新型的自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機的設(shè)定方法不需要進行復(fù)雜的流變學(xué)分析和模腔幾何形狀的計算，只需在恒定的注射速度下測出噴嘴的壓力-時間曲線，找到斜率變化點的注射位置，即可得知熔體在充模期間流速改變的注射位置，也就得到了注射速度應(yīng)該改變的位置。
熔體在長圓管、矩形和扇形等不同流道中的壓力降計算公式對長度變量求導(dǎo)可得到單位長度的流動阻力，如(6)式 由式(6)可見，噴嘴的壓力-時間曲線對長度的導(dǎo)數(shù)與熔體體積流速g是一一對應(yīng)的關(guān)系。可以寫成(7)式的形式， 其中， 造成噴嘴壓力曲線分段的原因是多方面的，在仿真及實驗過程中，試模速度為一恒定值，即(6)式中g(shù)1＝g2＝g3，顯然，造成噴嘴壓力沿長度方向上變化率不同的原因是C1，C2，C3的不同，而由(8)式可見C1、C2、C3是與模腔幾何形狀有關(guān)的定值。當(dāng)模具設(shè)計完成材料選定之后，C1、C2、C3就是只與溫度有關(guān)的定值。為了在模腔中得到恒定的熔體流速，亦即使各分段部分沿流動充模長度方向的噴嘴壓力對流動長度的變化相等，在模腔幾何形狀和各個工藝參數(shù)確定的情況下，(7)式中，只有熔體流速g是可以較方便修改的參數(shù)，即速度參數(shù)分級。為說明問題的簡捷，假設(shè)模具相鄰兩段分別為長圓管和矩形，必須 進而得到 g2＝Cg1 (10) 其中，其它各種相鄰兩段的情況均可按上述方法確定其間的近似關(guān)系。(6)～(10)通過流變學(xué)知識計算得出了相鄰兩段簡單幾何單元注射速度之間的近似關(guān)系。這對于簡單模具的分析是方便的，但當(dāng)模腔較復(fù)雜時，這種分析變得無法進行。本實用新型將模腔幾何形狀視為一“黑箱”，從壓力-時間曲線上得到幾何特征，噴嘴的壓力-時間曲線的性狀與模腔幾何形狀之間有對應(yīng)關(guān)系。
由(6)～(8)可見，

反映出體積流速g的大小，其間關(guān)系近似為線性關(guān)系，因此，可通過調(diào)整g來改變噴嘴壓力曲線的形狀，使充模期間的壓力變化逼近理想充模曲線。算法如下 步驟1根據(jù)充模噴嘴的壓力-時間曲線，由充模時間tf獲得充滿模腔時刻的壓力Pf，對應(yīng)的螺桿行程Lf； 步驟2計算壓力對長度的等效斜率Kf＝Pf/Lf，等效的含義是充滿同樣體積熔體的簡單模腔時，壓力對長度的變化率； 步驟3由上述設(shè)定方法得到的Pk，Tk，Lk，計算各段Pk要變化的量，對于第k各分級注射位置，變化量按下式計算 步驟4第k段的分級速度值按(12)式計算 步驟5各段的熔體體積流速受剪切速率和剪切應(yīng)力的限制，由(13)～(15)式計算 ①長L、半徑R的圓筒 ②長L、寬W、厚度2H的矩形薄片 (3)內(nèi)徑Ri、外徑R0、角度θ的扇形薄片 步驟6結(jié)束。
本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果 噴嘴是連接螺桿筒與模腔的部件之一，此處熔體所受的壓力是一個重要的參數(shù)。本實用新型通過對充模過程中噴嘴處壓力的測量，由于噴嘴壓力與模腔幾何形狀之間存在固有的內(nèi)在關(guān)系，因此可以將模具腔視為一“黑箱”，在恒定的注射速度下測出噴嘴壓力-時間曲線，找到跳變點的注射位置(時間)，即可得知熔體在充模期間流速改變的注射位置(時間)，也就得到了注射速度應(yīng)該改變的注射位置(時間)。此方法避開測量熔體流速和對復(fù)雜幾何形狀的計算，為注射速度分級參數(shù)的自動設(shè)定提供了一個簡單而實用的途徑。
本實用新型比計算機輔助設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)算法有明顯的優(yōu)點其一，可一次找出所有可能的注射分級點；其二，有具體量化的數(shù)據(jù)為依據(jù)，其三，減少試模次數(shù)，提高試模效率，節(jié)約材料，降低能耗。

圖1是本實用新型的一種注塑機的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是一種塑料制品的俯視圖。
圖3是圖2的前視圖。
圖4-1～圖4-4是注塑圖2的一種塑料制品在不同條件下的噴嘴壓力-時間曲線。
圖5是另一種塑料制品的俯視圖。
圖6是圖5的前視圖。
圖7-1～圖7-4是注塑圖5的另一種塑料制品在不同條件下的噴嘴壓力-時間曲線。
圖8是充模期間理想的噴嘴壓力-時間曲線。
圖9是自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的算法流程。
圖10和圖11是分級參數(shù)的求解示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
實驗用注塑機華大工業(yè)裝備(香港)有限公司(WELLTECINDUSTRIAL EQUIPMENT LTD.)生產(chǎn)的TTI-120C型精密注塑機； 對于本實用新型所用WELLTEC TTI-120C型精密注塑機，注射分級數(shù)不大于10級。
傳感器KISTLER LTD.生產(chǎn)的壓力溫度傳感器，4085A或者4090B分別在噴嘴處及螺桿筒上五處加裝，如圖1所示，KISTLER的這兩種傳感器可直接測量到熔體的壓力和溫度。
圖1中，1為模腔，2為澆口，3為分流道，4為主流道，5為料斗，6為模具，7為澆注口，8為噴嘴，9為壓力溫度傳感器，10為加熱套，11為螺桿，12為螺桿筒。
模具形狀如圖2、3，5、6所示，圖5的塑料制品是在圖2的塑料制品的中間開一長方體窗口，使得沿充模方向的橫截面積有所改變。
實驗用材料圖2和圖5的塑料制品均采用PP(polypropylene-聚丙烯)。
表(1)、表(2)分別為主要過程參數(shù)和機器參數(shù)，實驗過程中，改變對充模影響較大的幾個參數(shù)注射速度、保持壓力和保壓時間。
將充模過程中噴嘴處熔體的壓力記錄下來。不同過程參數(shù)條件下，充模期間噴嘴處壓力對時間的曲線如圖4-1～4-4、圖7-1～7-4所示。圖中，縱軸單位為KISTLER傳感器測得的電壓值，KISTLER4085A和4090B傳感器之相應(yīng)的壓力換算如表(3)；橫軸為時間，一個單位T對應(yīng)50(ms)，即50毫秒采樣一個數(shù)據(jù)。
表(1)主要過程參數(shù) 表(2)主要機器參數(shù) 表(3)4085A及4090B壓力溫度傳感器性能指標(biāo) 注塑圖2的一種塑料制品，充模時的噴嘴的壓力-時間曲線如圖4-1～4-4所示，充模開始時，模具內(nèi)沒有物料，噴嘴處的壓力主要反映出澆注口(Sprue)的入口效應(yīng)，在注射油缸的推力下，壓力迅速增加，在填充流道的過程中，壓力增加緩慢(此與流動長度的增加有關(guān))，較為平穩(wěn)；之后，熔體通過內(nèi)澆口(Gate)，圖2塑料制品的模具的內(nèi)澆口為片式澆口，此種澆口適合大面積扁平制品，減少變形，降低內(nèi)應(yīng)力，但費澆口料較多。內(nèi)澆口使得沿充模方向上的橫截面積突然改變(變小)，由于螺桿以恒定的注射速度進行注射，導(dǎo)致噴嘴處的壓力再次迅速增加，直至充模過程完成，進入保壓階段。由圖4-1～4-4的噴嘴壓力-時間曲線可以看出兩個明顯的臺階。
圖4-1～4-4可見，其曲線的性狀是相同的，即都存在一個拐點和一個最大值，它們之間的區(qū)別在于拐點及最大值出現(xiàn)的注射位置和大小，而這一點取決于注塑工藝參數(shù)。例如，注射速度快，拐點出現(xiàn)的早，最大值大；保持壓力大，最大值大等。
同理，對于注塑圖5的另一種塑料制品的噴嘴壓力-時間曲線，如圖7-1～7-4，它們之間也有著相同的性狀，即具有相同個數(shù)的拐點及最大值，不同之處也是其注射位置與數(shù)值大小的區(qū)別。分析其成因，同樣是由于沿充模方向幾何形狀的改變而造成的。
圖2和圖5的塑料制品形狀比較簡單，可以從熔體經(jīng)過澆口、流道(Runner)、內(nèi)澆注口、模腔等的過程，應(yīng)用流變學(xué)知識來分析其流動情況及噴嘴壓力-時間曲線性狀的成因。如果是形狀復(fù)雜的制品，則分析過程將十分困難甚至無法進行。
我們將實驗測到的圖7-1～7-4的噴嘴壓力-時間曲線理想化為圖8。為了分析的簡單明確，假設(shè)壓力-時間曲線只有一次遞升跳變，亦即類似于圖4-1～4-4的情況。實驗時我們采用的是恒定的注射速度而其它注射參數(shù)沒有任何改變，由圖8可見，在OA段、A’B段及B’之后，模腔對熔體的流動阻力是恒定的(但阻力的大小不同)；從A到A’和從B到B’產(chǎn)生噴嘴壓力的跳變，說明模腔對熔體流動的阻力有跳變，隨著流動長度的增加流動阻力將不斷上升，但不會產(chǎn)生跳變，跳變的原因是什么？只能是與模腔的幾何形狀有關(guān)。
由于模具之不同，圖4-1～4-4和圖7-1～7-4顯示的壓力曲線性狀明顯不同，這也是本實用新型的主要結(jié)論之一，即模腔幾何形狀決定噴嘴壓力-時間曲線的性狀。拐點的注射位置(時間)，就是充模期間模腔對熔體流動阻力突然改變的注射位置(時間)，也是模腔幾何形狀突然改變的注射位置。在這些點，模腔對熔體充模流動的阻力有所跳變，從而導(dǎo)致熔體流速的突然改變，這種熔體流速的突然改變將導(dǎo)致制品缺陷的產(chǎn)生。假如在這些跳變點的注射位置采用不同的注射速度來適應(yīng)其不同的阻力，我們將得到恒定的熔體流速。
這種方法不需要進行復(fù)雜的流變學(xué)分析和模腔幾何形狀的計算，只需在恒定的注射速度下測出噴嘴壓力-時間曲線，找到跳變點的注射位置(時間)，即可得知熔體在充模期間流速改變的注射位置(時間)，也就得到了注射速度應(yīng)該改變的注射位置(時間)。
圖9是自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的算法流程 1、以額定注射壓力的50％壓力值和額定注射速度的50％注射速度值通過螺桿筒往模腔注射一個制品，記錄噴嘴壓力-時間曲線。在整個充模階段的壓力-時間曲線上取N點，N為自然數(shù)，整個充模時間為tf，確定出所述N點的壓力P和時間值t； 2、計算各點的斜率Ki，計算各點斜率變化率Ki′； 3、設(shè)定i＝1，Ki＝K1＝0。如果Ki′＞δ，所述δ為斜率變化門檻值，稱第i點為分界點，該點應(yīng)為注射行程上的分級點，記錄該點的壓力值Pk和時間值tk，K＝K+1，到步驟4，否則，i＝i+1，返回到步驟3； 4、如果所有點操作完，則到步驟5，否則i＝i+1，返回到步驟3； 5、如果K大于10，則增大δ，返回到步驟3，否則到步驟6； 6、輸出結(jié)果。
圖10和圖11是分級參數(shù)的求解示意圖。
把圖9得到的壓力-時間曲線轉(zhuǎn)換成壓力-行程曲線，把壓力-行程曲線分為K段，圖中K＝3，分為3段，分級點時間為圖9步驟3的tk，計算tk所對應(yīng)的螺桿行程上的分級注射位置Lk，以及分級注射位置Lk對應(yīng)的熔體體積Qk；由有序數(shù)字(Lk，Pk)確定各分級點(Pk由圖9步驟3求得)，把各分級點連接成分段的直線來表示壓力-行程曲線，如圖10所示。根據(jù)注射功的能量相等原理，以P0L0、P1L1、P2L2、…PfLinj折線往模腔注塑一個制品時，得到一條線性直線的噴嘴壓力曲線(如圖10虛線所示)。
上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機，包括螺桿筒、設(shè)置于螺桿筒內(nèi)的螺桿、設(shè)置于螺桿筒外的加熱套、設(shè)置于所述螺桿筒一端的噴嘴，其特征在于所述噴嘴徑向上設(shè)置有通孔，所述通孔里設(shè)置有傳感器，所述傳感器與螺桿筒內(nèi)的熔體接觸，所述傳感器和計算機信號連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機，其特征在于所述螺桿筒外的加熱套上設(shè)置有傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機，其特征在于所述傳感器為壓力溫度傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種自動設(shè)定分級注射速度和注射位置的注塑機，包括螺桿筒、設(shè)置于螺桿筒內(nèi)的螺桿、設(shè)置于螺桿筒外的加熱套，設(shè)置于螺桿筒一端的噴嘴，噴嘴徑向上設(shè)置有通孔，通孔里設(shè)置有傳感器，傳感器與螺桿筒內(nèi)的熔體接觸，傳感器和計算機信號連接。本實用新型的注塑機在注塑過程中不需要進行復(fù)雜的流變學(xué)分析和模腔幾何形狀的計算，只需在恒定的注射速度下測出噴嘴壓力-時間曲線，找到跳變點的注射位置(時間)，即可得知熔體在充模期間流速改變的注射位置(時間)，也就得到了注射速度應(yīng)該改變的注射位置(時間)，可減少試模次數(shù)，提高試模效率，節(jié)約材料，降低能耗。
文檔編號B29C45/77GK201023293SQ20072005025
公開日2008年2月20日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者鐘漢如 申請人:華南理工大學(xué)