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注塑加工成型過程中的壓力調(diào)節(jié)知識(shí)
無論是油壓式還是電動(dòng)式注射機(jī)，所有注塑過程中的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生壓力。適當(dāng)控制所需壓力，才能生產(chǎn)出質(zhì)量合理的成品。
壓力調(diào)控及量度系統(tǒng)
在油壓式注壓機(jī)上，所有運(yùn)動(dòng)由負(fù)責(zé)以下操作的油路執(zhí)行：
1、塑化階段中的螺桿旋轉(zhuǎn)（可確定甚至控制反壓）。
2、滑座料道(注嘴靠近注口襯套)。
3、注射和保壓期間射料螺桿的軸向運(yùn)動(dòng)。
4、將基材閉合于射料桿上，直到肘桿全部延伸或活塞合模行程已完成
5、啟動(dòng)裝配頂桿的頂出臺(tái)以頂出部件。
在全電壓機(jī)上，所有運(yùn)動(dòng)由配有永久磁鐵的無刷同步電動(dòng)機(jī)執(zhí)行。通過機(jī)床業(yè)中一直采用的滾珠軸承螺桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為線性運(yùn)動(dòng)。整個(gè)流程的效應(yīng)部分取決于塑化過程，其中，螺桿起著十分關(guān)鍵的作用。三菱公司在生產(chǎn)全電機(jī)型的過程中最新推出的解決方案包括一根灌料螺桿佛二螺紋抱輥)和一根配有混煉元件的螺桿尖梢。這樣，可最大限度增強(qiáng)塑化能力和混煉效果，縮短螺桿長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
螺桿必須確保物料熔化和均化。這一過程可借助于反壓調(diào)整，以避免過熱。混煉元件不能產(chǎn)生過高的流速，否則，會(huì)導(dǎo)致聚合物降解。每一種聚合物具有不同的最大流速，如果超過這一極限，分子會(huì)拉伸，出現(xiàn)聚合物主鏈斷裂現(xiàn)象。不過，重點(diǎn)仍然是在注射和保壓過程中控制螺桿的向前軸向運(yùn)動(dòng)。
后續(xù)的冷卻過程，包括內(nèi)在應(yīng)力、公差和翹曲等方面，對(duì)于確保產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。這一切全山模具質(zhì)量決定，對(duì)于優(yōu)化冷卻料道、確保有效的閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)時(shí)，尤其如此。該系統(tǒng)完全獨(dú)立，不會(huì)干擾機(jī)械調(diào)節(jié)。閉模和頂出等模具運(yùn)動(dòng)必須精確高效。通常采用速度分布曲線，以確?；顒?dòng)部件準(zhǔn)確靠近。接觸維持力可調(diào)整。因此可斷定，在不考慮能耗和機(jī)械可靠性、附加條件相同（如模具質(zhì)量）的前提下，產(chǎn)品質(zhì)量主要決定于控制螺桿向前運(yùn)動(dòng)階段的系統(tǒng)。在油壓式注塑機(jī)上，這一調(diào)節(jié)通過探測(cè)汕壓而實(shí)現(xiàn)。具體地說，油壓通過控制板而激活一套閥門，流體通過操縱器而產(chǎn)生作用，并得到調(diào)節(jié)及釋放。
注射速度控制包括開環(huán)控制、關(guān)閉環(huán)控制和閉環(huán)控制等選擇方案。開環(huán)系統(tǒng)依靠共用比例閥。比例張力施加于所需比例的流體上，從而使流體在注射機(jī)筒中產(chǎn)生壓力，讓注射螺桿以一定的前向速度運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉環(huán)系統(tǒng)采用閉環(huán)比例閥。環(huán)路在閉合口所在的位置閉合，閉合口通過在閥門內(nèi)的移動(dòng)而控制油料的流量比例。閉環(huán)系統(tǒng)在螺桿平移速度時(shí)閉合。閉環(huán)系統(tǒng)中采用速度傳感器(通常為電位計(jì)型)，定時(shí)探測(cè)張力下降。比例閥流出的汕料通過調(diào)節(jié)，可補(bǔ)償出現(xiàn)的速度偏差。閉環(huán)控制依靠與機(jī)器整合一體的專用電子元件。閉環(huán)壓力控制能在注射和保壓階段確保壓力均勻一致，以及在各個(gè)循環(huán)中確保反壓均勻。通過探測(cè)出的壓力值對(duì)比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)定壓力值進(jìn)行偏差補(bǔ)償。一般來說，可對(duì)液壓進(jìn)行監(jiān)控，但是，探測(cè)注嘴或模腔中的熔體壓力也是另一有效方法。更加可靠的方案是通過閱讀注嘴或模腔壓力讀數(shù)對(duì)比例閥進(jìn)行管理。在壓力探測(cè)的基礎(chǔ)上增加溫度探測(cè)，特別有利于流程管理。了解物料可承受的實(shí)際壓力，還有助于根據(jù)設(shè)定壓力和溫度條件來預(yù)測(cè)模塑件的實(shí)際重量和尺寸。實(shí)際上，通過改變保壓壓力值，可將更多的物料引入模腔，以降低部件收縮，符合設(shè)計(jì)公差(其中包括預(yù)設(shè)注塑收縮)。接近熔化條件時(shí)，半晶體聚合物顯示出極大的比容變化。對(duì)此，過充模不會(huì)阻礙部件頂出。
油壓設(shè)備與出料量及壓力調(diào)節(jié)
離心泵產(chǎn)生的平均液壓壓力可達(dá)140巴，這—壓力值特別適合于注塑。在周期的其它各個(gè)階段，要求明顯較低，除了需要快速塑化的特定情形(例如：PET注拉吹一步法注塑機(jī))要求較高。
為降低能耗，在出料高峰期時(shí)可采用可變排量泵和儲(chǔ)壓缸。固定排量泵在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)移動(dòng)等量油量，因此，油泵選型由特定時(shí)間內(nèi)所需移動(dòng)的油量而定。三相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1440轉(zhuǎn)／分，通常要求裝配雙泵。只有在塑化過程中(功率達(dá)100％)，油泵的利用率才達(dá)到最大限度。在停頓過程中，機(jī)械不需要能耗，即使需要，也屬功率損耗。
所有注塑機(jī)均采用質(zhì)量等級(jí)各異的比例伺服閥。兩套或以上的比例閥安裝于注射壓機(jī)上，目的是對(duì)以下各個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)確控制：
開模速度(兩級(jí))，閉模速度(兩級(jí))，閉模安全性，注射(3—10級(jí))，加料(3—5級(jí))，吸人和頂桿(兩級(jí))。
開模壓力，閉模壓力，模具安全性，機(jī)械夾具(料筒或肘桿)，注射(充模階段一次，后續(xù)階段3-10次)，吸人和反壓(3—5級(jí))
螺桿旋轉(zhuǎn)速度(3—5級(jí))。
滑座靠近速度(機(jī)械注嘴靠近模具固定半模上注射襯墊的速度)以及頂桿的運(yùn)動(dòng)速度(頂出臺(tái)速度)也可調(diào)整。輔助電動(dòng)機(jī)通過微弱的輸入信號(hào)，將放大的信號(hào)(輸出信號(hào))發(fā)送到閥門，使伺服閥執(zhí)行調(diào)節(jié)功能。在伺服閥中，微弱的輸入電信號(hào)被轉(zhuǎn)化為液壓輸出信號(hào)，以壓降的形式根據(jù)所需的出料要求進(jìn)行改進(jìn)。閥門必須對(duì)張力或通用指令做出快速、可重復(fù)及低滯后的出料響應(yīng)。實(shí)際上，當(dāng)前研究的目的是改進(jìn)頻率響應(yīng)，使運(yùn)行于數(shù)千赫(kHz)頻率的動(dòng)力設(shè)備(液壓邊)和電子設(shè)備之間進(jìn)行對(duì)話。由于有效出料取決于閥門上聚合度(DP)的作用，因此，液壓線路中的油溫必須保持在45—55℃的范圍內(nèi)(通常采用閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng))，具體根據(jù)流體粘度和過渡口的幾何形狀而定。在閥內(nèi)沒有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)，溫度上升會(huì)導(dǎo)致溶體粘度下降；若配有均衡開閥值，則可提高出料量。增加傳動(dòng)系統(tǒng)的出料油量，意味著注射速度隨之加快。對(duì)高科技伺服傳動(dòng)閥進(jìn)行精確控制，可基本消除滯后現(xiàn)象，增強(qiáng)所有功能的重復(fù)性。
全電動(dòng)壓機(jī)的力度測(cè)定
由于全電動(dòng)注塑機(jī)上不存在引發(fā)運(yùn)動(dòng)的矢量流體，因此，不能進(jìn)行液壓壓力探測(cè)。因此，通常采用載荷傳感器，利用伸縮儀測(cè)量彈性變形，從而直接測(cè)定其力度。全電動(dòng)注塑機(jī)制造商開發(fā)了多種彈性部件，并裝配廠相應(yīng)的伸縮儀。另一區(qū)別在于反壓及其控制，可通過向注射電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的軸向移動(dòng)增加阻力而實(shí)現(xiàn)，而另一電動(dòng)機(jī)致使螺桿旋轉(zhuǎn)和后續(xù)物料塑化。以前，有些機(jī)械制造商采用安裝在注嘴內(nèi)換能器的測(cè)量系統(tǒng)，后來因?yàn)?ldquo;功能性和可靠性不足”而放棄了該系統(tǒng)。
注嘴壓力測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)
以上已證明了壓力調(diào)節(jié)在注射和保壓過程中的重要性。因此，壓力探測(cè)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性是十分關(guān)鍵的因素。在閉環(huán)系統(tǒng)中，壓力探測(cè)十分重要，只有確保準(zhǔn)確的壓力探測(cè)，調(diào)節(jié)器才能使實(shí)際壓力接近于或等于設(shè)定值。
在開環(huán)系統(tǒng)中，由于直接與傳動(dòng)系統(tǒng)相連接，因此壓力探測(cè)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性更加重要?，F(xiàn)在，開環(huán)系統(tǒng)仍在使用，在高噸位機(jī)型中的應(yīng)用更加廣泛。
一般來說，基于設(shè)定值的速度控制在注射過程中進(jìn)行(也就是說，速度變化由電位計(jì)或磁致收縮傳感器測(cè)定)，測(cè)定后轉(zhuǎn)換為壓力調(diào)節(jié)。通路可根據(jù)配額(配額通路)或壓力予以啟動(dòng)。無論如何，當(dāng)壓力啟動(dòng)通路同時(shí)也作為“截口”以限制充模壓力、防止溢料形成及模具受損時(shí)，均必須采用壓力啟動(dòng)通路。一旦形成通路，后續(xù)的保壓過程即由壓力調(diào)節(jié)(型材亦不例外)。液壓機(jī)的壓力一般在液壓線路中探測(cè)，很少在模具注嘴中進(jìn)行對(duì)于注塑而言，必須盡量將探測(cè)點(diǎn)靠近模腔。因此，模具壓力測(cè)定最好在注嘴處進(jìn)行，即使不太直接，也可在液壓線路內(nèi)進(jìn)行壓力測(cè)定。
與模具壓力探測(cè)不同的是，注嘴內(nèi)探測(cè)還能通過調(diào)節(jié)反壓而控制塑化過程。當(dāng)接近注射的壓力實(shí)際達(dá)到設(shè)定值并在材料注塑所需的時(shí)間內(nèi)保持這一壓力時(shí)，模具壓力探測(cè)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。測(cè)定可直接進(jìn)行，也可通過探針進(jìn)行(如：壓電傳感器)。在模具內(nèi)進(jìn)行直接探測(cè)十分有效，唯一的局限性是會(huì)在模塑件下留下痕跡。間接探測(cè)往往受探針結(jié)構(gòu)和間隙的影響，例如，公差過大會(huì)導(dǎo)致材料傾瀉，致使探測(cè)準(zhǔn)確性不足。
注嘴壓力探測(cè)比模腔壓力探測(cè)的有效性較低，因?yàn)椴牧线€得經(jīng)過一段流道路線(或冷或熱)。但是，注嘴壓力探測(cè)具有某些優(yōu)點(diǎn)，主要包括：探測(cè)在材料上進(jìn)行；不需要對(duì)模具進(jìn)行改造；模塑件上不留下任何痕跡。通過熔體壓力控制(最好在模腔內(nèi)進(jìn)行)，可避免在初始?jí)毫ο略斐沙淠＿^量(隨后形成溢料)的風(fēng)險(xiǎn)。由此，可提高控制的有效性，避免材料燒焦，防止充模不足，縮短周期時(shí)間，增強(qiáng)重復(fù)性。
生產(chǎn)能確保系統(tǒng)可靠性且使用方便的傳感器確實(shí)存在一些技術(shù)問題。如果要求均勻凋節(jié)反壓，流程相關(guān)的難度確實(shí)不小。
注嘴壓力探測(cè)所用的傳感器必須符合以下要求：
1、不能干擾模塑過程。
2、能在高壓(2500巴)及高溫(350—400)下確保探測(cè)精確度。
3、體積小巧，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，在發(fā)生故障時(shí)便于更換。
4、與充模料接觸時(shí)，具有優(yōu)良的耐磨性。
5、能長(zhǎng)期保證探測(cè)有效性(長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)磨擦、污染時(shí)，能確保測(cè)量無偏差、無誤差、無滯后)。
6、提供高速取樣(2—5微秒)和標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，如：CAN開放式版本CANbus或DeviceNet。
因此，問題較為復(fù)雜。不難理解的是，迄今為止，液壓機(jī)仍然將傳感器配置于液壓線路內(nèi)，全電動(dòng)機(jī)則采用力度探測(cè)，兩者均未采用熔體傳感器。多年米，熔體傳感器廣泛用于擠塑機(jī)上，但是，擠塑機(jī)對(duì)探測(cè)范圍、精確度、響應(yīng)時(shí)間和結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)度等方面的要求較低(與擠塑機(jī)上的靜態(tài)應(yīng)力相比，安裝于注射機(jī)上時(shí)，傳感器薄膜上承受的機(jī)械疲勞應(yīng)力要大得多)。
