本發(fā)明涉及塑料成型技術，具體涉及一種微發(fā)泡注塑成型過程中泡孔尺寸的超聲在線檢測方法及裝置。

背景技術：

微發(fā)泡注塑成型，是一種在聚合物內部生成無數(shù)微小泡孔的精密注塑技術。微發(fā)泡注塑成型工藝突破了傳統(tǒng)注塑成型的諸多局限，可顯著減輕制件的重量，縮短成型周期，并極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩(wěn)定性。微發(fā)泡注塑成型工藝對生產高質量要求的精密制品具有很大的優(yōu)勢，得到了越來越多的重視和越來越廣泛的應用。

微發(fā)泡注塑成型中，泡孔的尺寸是影響微發(fā)泡注塑成型制品的機械和力學性能的關鍵參數(shù)之一。實現(xiàn)對泡孔尺寸的有效檢測和有效控制，是微發(fā)泡注塑成型工藝投入大規(guī)模生產應用的關鍵因素。

泡孔的尺寸檢測至關重要，但又困難重重。由于泡孔在注塑件的內部，被表層材料所覆蓋。因此，無法通過光學方法來測量。目前泡孔的尺寸都是通過離線的，將制品切開得到橫截面來機械測量。但這種方法有其不可避免的缺點：

(1)這種方法需要破壞制品，具有破壞性。

(2)新產品開發(fā)時，需要進行大量的實驗來調整工藝參數(shù)，以得到合適的泡孔尺寸，費時費力。

(3)一旦更改模具，則需要重新做大量實驗來調整工藝參數(shù)，該方法靈活性差。

面對目前檢測手段的種種弊端，世界上多家科研機構的專家學者都在尋找一種經濟有效的，可以實時在線表征泡孔尺寸的檢測手段，以便實時調整工藝參數(shù)，以優(yōu)化制品的成型效果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種成本低廉，使用方便，精度易控制，無損的用于微發(fā)泡注塑成型中泡孔尺寸的超聲實時在線檢測方法和裝置。

在微發(fā)泡注塑成型制品內部，會彌散有無數(shù)微小泡孔。在不同的發(fā)泡工藝參數(shù)下，泡孔的尺寸和參數(shù)會有很大的不同。當塑料熔體注入前，超聲波會被注塑系統(tǒng)內的空氣散射，使反射信號基本消失；當塑料熔體進入注塑系統(tǒng)初期，其內部的氣泡在形核，長大，此階段會產生反射波信號；當氣泡最終成型后，泡孔的散射作用已足夠強大，使反射信號基本消失。泡孔尺寸越大，則其泡孔數(shù)量越少，反射波跨度的時間區(qū)間也就越長，由此根據(jù)反射波跨度的時間區(qū)間，即可得到泡孔尺寸的大小。本發(fā)明即是建立在上述理論上。

一種微發(fā)泡注塑成型制品內泡孔尺寸的超聲在線檢測方法，包括如下步驟：

(1)針對在線的注塑系統(tǒng)，在垂直于塑料熔體流動方向上，向成型過程中的制品發(fā)射一系列超聲波，采集該系列超聲波的回波信息；

(2)確定接收到包含反射波信號的回波信息的起始時間差δt；

(3)將起始時間差δt代入預先得到的起始時間差δt與泡孔尺寸d間的擬合公式，得到微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。

本發(fā)明中，所述的起始時間差δt與泡孔的成長時間對應。泡孔越大，則意味著生長時間越長，進而上述起始時間差也就越大，通過尋找兩者之間的關系，可以最終實現(xiàn)對內部泡孔尺寸的在線檢測。

步驟(1)中，一般是將超聲探頭設置在模具的外壁上。

作為優(yōu)選，步驟(3)中所述擬合公式的具體求法如下：

(3-1)針對同一注塑系統(tǒng)，在垂直于塑料熔體流動方向上，向成型過程中的制品發(fā)射一系列超聲波，采集該系列超聲波的回波信息；

(3-2)確定接收到包含反射波信號的回波信息的起始時間差δt′；

(3-3)將對應注塑件取出，在超聲波探測部位切開，得到該注塑件內的泡孔平均尺寸d’；

(3-4)改變注塑系統(tǒng)的工藝參數(shù)，重復步驟(1)-(3)，得到多組δt′和d’數(shù)據(jù)；

(3-5)對得到的多組數(shù)據(jù)進行擬合，得到起始時間差δt′和泡孔平均尺寸d’的函數(shù)關系式。

作為優(yōu)選，擬合采用的方法為線性擬合或多項式擬合。作為進一步優(yōu)選，該擬合最好采用二項式擬合。采用二項式擬合既可以保證相關度，又可減少計算量。

作為優(yōu)選，步驟(2)中起始時間差δt由下述方法得到：

(2-1)利用matlab程序對原始接收的回波信息進行處理，得到回波信息圖譜；

(2-2)從回波信息圖譜中計算得到所述的起始時間差δt。

為進一步提高檢測精度，作為優(yōu)選，步驟(1)中設置多個超聲檢測點，取各個檢測點上泡孔尺寸的平均值，得到所述的微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。

由于原始接收的回波信息量巨大，為了提高計算機計算效率，作為優(yōu)選，步驟(2-1)中，間隔提取所述回波信息，對提取的回波信息進行處理，得到回波信息圖譜。作為進一步優(yōu)選，提取所述回波信息的間隔時間為(1～5)％×δt，或(1～5)％×t0，其中t0為預估的泡孔成長時間。實際確定間隔時間時，可通過預先的實驗，預估出泡孔成長時間t0。采用該技術方案，保證在泡孔形成過程中，提取出盡量多的超聲波進行計算，進一步提高起始時間差的準確度，進而進一步保證最終泡孔尺寸的精確度，同時也保證了計算效率。

本發(fā)明還提供了一種微發(fā)泡注塑成型制品內泡孔尺寸的超聲在線檢測裝置，包括：

設置在線的、在注塑系統(tǒng)中垂直于塑料熔體流動方向上的超聲探頭；

控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波的超聲卡，用于接收和采集回波信息，并將采集到的回波信息輸出；

計算機，用于接收所述回波信息，并對采集到的回波信息進行處理，計算接收到包含反射波信號的回波信息的起始時間差δt，得到泡孔尺寸d。

作為優(yōu)選，在平行于塑料熔體的流動方向上，設置多組探頭。

微發(fā)泡注塑成型制品在注塑完成，冷卻降溫后，其泡孔已經定型，脫模前和脫模后的泡孔尺寸相差無幾，可忽略不計。所以，由本發(fā)明方法得到的脫模前制件中的泡孔尺寸可作為脫模后的最終產品的泡孔尺寸。

本發(fā)明可應用于現(xiàn)有的微發(fā)泡注塑成型系統(tǒng)，比如現(xiàn)有的微發(fā)泡注塑成型一般包括模具，超臨界流體輔助裝置，注塑成型機等。

本發(fā)明中，所述回波信息是指收集信號時間區(qū)間內收集到的信息，包括基礎信號信息、反射波信息，或者也可能包括干擾信息等。通過計算起始包含反射波的回波信息的時間差，可以得到所述的起始時間差δt，進而進一步確定泡孔大小。

發(fā)明中，所述超聲卡可以是數(shù)字式超聲卡，也可以是一體式的超聲探傷儀。數(shù)字式超聲卡用于控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波，還用于接收和采集穿過泡孔之后的模具型腔表面的超聲反射波。pc機對采集到的超聲信號進行處理，計算泡孔尺寸。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸的測量不需要破壞制品，具有無損檢測的優(yōu)點；通過超聲波信號得到泡孔尺寸，不需要等制品脫模后離線操作，可以進行實時在線的無損測量，省時，省力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的微發(fā)泡注塑成型中泡孔尺寸的超聲在線檢測裝置及超聲波傳播的示意圖。

圖2(a)為單個的反射回波波形圖。

圖2(b)為多個超聲波反射波形圖疊加到一塊生成的超聲波圖譜。

圖3為泡孔尺寸d和超聲反射圖譜中起始時間差δt的線性擬合示意圖。

圖4為泡孔尺寸d和超聲反射圖譜中起始時間差δt的二項式擬合示意圖。

圖5為微發(fā)泡注塑成型制品截斷面的sem照片。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術方案和優(yōu)點更加明顯，以下結合附圖以及具體實例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明以實驗中的某一具體的微發(fā)泡注塑成型工藝為例進行說明。

如圖1所示，該圖為實例中的微發(fā)泡注塑成型超聲實時檢測系統(tǒng)示意圖。測量系統(tǒng)和和注塑系統(tǒng)包括：超聲檢測裝置、受超聲檢測裝置控制的一個超聲探頭、模具、超臨界流體輔助裝置，注塑機。

在本實施例中，超聲檢測裝置由超聲卡和pc機組成，超聲卡采用數(shù)字式超聲卡。超聲卡用于控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波，還用于接收和采集超聲反射波，并將采集到的超聲反射波發(fā)送給pc機。pc機對采集到的超聲信號進行處理，計算起始時間差δt。進而得到泡孔尺寸d。

在本實施例中，超聲探頭為縱波探頭，發(fā)射超聲波和接收回波信息的頻率均為20khz，預估泡孔生長時間為3s，即t0＝3s，按照(1～5)％×t0確定提取回波信息的時間間隔，在這里，我們取為0.1s，脈沖超聲波垂直于塑料熔體流動方向。在本例中，聚合物材料為pp(聚丙烯)，其中，發(fā)泡氣體為co2。聚合物熔體壓力為16mpa，co2氣體壓力為18mpa，注射速度為50cm³/s，注射體積為34cm²，模具空腔總體積為39cm²。

圖2(a)為單個回波信息譜圖，圖2(b)為超聲檢測裝置在各個時間檢測得到的回波信號的圖譜，其中，a段為聚合物未注入模具，超聲波信號被空氣散射，沒有反射波信號；b段為聚合物注入模具，泡孔形核，長大過程中得到的超聲波圖譜，包含反射波信號；c段為泡孔生長完成之后得到的超聲波反射圖譜，沒有反射波信息。由于探頭發(fā)送超聲波的時間間隔為固定值，因而，b段在y軸上的跨度越大，證明泡孔形核、長大時間越長。b段在y軸上的長度即為δt。另外，圖2(b)中，縱坐標表示提取回波信息的時間點(間隔為0.1s)，橫坐標為接收回波信息的時間跨度區(qū)間(0-400μs)。

微發(fā)泡注塑成型過程中的泡孔尺寸的超聲在線表征方法具體實施步驟如下：

1)微發(fā)泡注塑成型過程中泡孔尺寸的超聲在線表征系統(tǒng)如圖1所示。在從注射聚合物熔體到冷卻成型的整個過程中，都要進行超聲波探測，得到若干條回波信息。

2)從上述回波信息中，間隔0.1s提取對應的回波信息，對得到回波信息進行處理，如圖2(a)和圖2(b)所示，得到包含泡孔長大信息的超聲反射圖譜，計算得到接收到第一個反射波至接收到最后一個反射波的時間差δt(圖2(b)中b部分對應的時間區(qū)間)，在本例中，起始時間差δt為3.9s。

3)將起始時間差δt帶入我們得到的二項式擬合公式為：

d＝-14.7664δt²+295.0081δt+180.2937

得到泡孔尺寸為1106.2283μm。

以上步驟2)中擬合公式的具體求法如下：

(1)按以上步驟1)、步驟2)得到同型號制品在其他工藝參數(shù)下(不同于本示例，詳見表1)的起始時間差δt1，δt1＝2.2s；

(2)將(1)中被測制品在探頭ut處截斷，進行sem掃描，得到該制件的泡孔尺寸d1＝800μm。

(3)改變工藝參數(shù)，重復步驟(1)、步驟(2)，得到多組實驗數(shù)據(jù)，δt2＝2.3s、δt3＝2.3s、δt4＝5.6s、δt5＝5.7s、δt6＝5.6s、δt7＝8.6、δt8＝8.8s、δt9＝9.1s和對應的泡孔尺寸：d2＝780μm、d3＝740μm、d4＝1400μm、d5＝1350μm、d6＝1360μm、d7＝1700μm、d8＝1590μm、d9＝1620μm。以上所列數(shù)據(jù)的具體實驗參數(shù)如下：

表1工藝參數(shù)

(4)根據(jù)多組實驗數(shù)據(jù)，利用計算機+擬合的方法，得到函數(shù)方程，如圖4和圖5所示。

圖3為采用線性擬合得到的函數(shù)方程圖像，函數(shù)方程為：

d＝131.2397δt+527.9740

圖4為采用二項式擬合得到的函數(shù)方程圖像，函數(shù)方程為：

d＝-14.7664δt²+295.0081δt+180.2937

判斷兩條曲線擬合好壞的程度：

理論判斷：線性擬合的標準差為82.1935，與此同時，二項式擬合的標準差為38.2709；實驗判斷，該制品在探頭ut處截斷后，通過其sem照片，如圖5所示，得到其泡孔直徑為1100μm，此時，線性擬合曲線計算結果為1039.8089μm，擬合誤差為5.472％，二項式曲線擬合結果為1106.2283μm，誤差為0.56％。從中不難判斷，二項式擬合精確程度明顯高于線性擬合。由此，我們最終采用二項式擬合公式。