CN102935711B - 注塑模具型腔压力控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注塑模具型腔压力控制系统及控制方法，包括高压氮气源，高压氮气源通过管路与模具进气口相连，管路上靠近高压氮气源位置处设有第一减压阀，管路经第一减压阀后分为两路，一路经第二减压阀、第一压力表和电子压力控制器与气控调节阀相连，另一路经第二压力表与气控调节阀相连，气控调节阀出口与模具进气口相连，该段管路上依次连接有第三压力表、压力传感器及泄压管路单元；所述电子压力控制器、泄压管路单元和压力传感器均与数据处理及控制系统相连，数据处理及控制系统与注塑机信号单元相连。同时本发明公开了该系统的控制方法。本发明具有模具型腔加压速率与泄压速率快、模具型腔高压压力可维持、模具型腔高压作用时间可控等特点。

Description

注塑模具型腔压力控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种气体压力控制系统及控制方法，尤其涉及一种注塑模具型腔压力控制系统及控制方法。

背景技术

在塑料行业的发展过程中，为了达到提高产品尺寸精度、减轻产品质量、缩短成型周期、节约能源等目的，逐渐涌现出一些新的注塑成型方法，如结构发泡注塑、多组分注塑、反应注塑、排气注塑、微发泡注塑、气体辅助注塑、振动注塑、微注塑等。

利用常规注塑成型方法制得的制件由于冷却过程中的熔体收缩及保压过程中保压压力分布不均的原因，导致成型制品存在表面收缩、翘曲变形等缺陷，并且所需要的注塑机锁模力比较大，导致制品成品率低并且耗费资源。实验研究及相关理论研究表明，表面气体辅助注塑成型过程中，在塑料熔体的填充后期对制件容易产生缩水及翘曲变形的部位，进行模具型腔局部加压，同时进行冷却定型，可以有效消除制件外观面的收缩凹陷、减轻成型制品的翘曲变形、降低锁模力并缩短成型周期。

在常规的发泡注塑成型工艺中，由于注射熔体内部压力与模具型腔压力间的压差较大，在充填过程中熔体前沿部分迅速成核并且进行气泡的长大，接触模具型腔的部分受到剪切力作用并最终发生气泡破裂，导致成型制件表面形成螺旋纹，影响制品的外观质量。实验研究及相关理论研究表明，在发泡熔体注射前，在模具型腔中充满具有一定压力的气体，如空气、氮气或惰性气体，使注射的熔体进入一个压力空间，而不是常规发泡注塑成型过程中的低压模腔，可以有效提高制件最终的表面质量。在模具型腔气体压力的作用下，进入型腔的发泡熔体前端不会立即发泡，直到熔体贴紧模具型腔表面且表层冷却至玻璃化转变温度以下，形成致密皮层后，开始快速泄压进行发泡，得到芯部发泡、表面致密并且表面质量良好的发泡制件。模具型腔提前加压可以允许物料在较低速率下充模，熔体流速低能抑制其沿壁面的不稳定滑移，消除紊流痕迹。由于减小了近壁面的剪切及摩擦，熔体流动更加均衡，流动前锋可以保持完整不破裂，有助于发泡气体的保持，消除制件的表面螺旋纹和气体流动痕，提高产品的最终质量和成品率。

注塑过程中的模具型腔压力控制关键技术在于：注塑机与控制器间的通讯、模具型腔加压速率与泄压速率要快速、模具型腔压力能够稳定维持、模具型腔压力大小与压力作用时间可控制。日本金子产业株式会社于2004年在中国公开了一种名为“用于调整气密罐中的气体压力的气体调整装置”（公开号：CN 101923359 A）的专利技术。该技术主要用于调整气密贮液罐中的内部气体压力，主要包括一个主气体排放装置和一个隔离气体调整器，当所述气密罐中的内部气体压力升高至特定值时，主气体排放装置中的排气阀开启泄压，当隔离气体的压力降低至低于一个特定值时，隔离气体调整器动作供气。但由于注塑成型属于周期性生产，且每个生产周期的时间可能不相同，所以此发明无法根据注塑机的动作过程进行周期性气体调节，且无法实现气体的完全泄压控制。

程相魁于2006年公开了一种名为“气体压力自动控制装置”（公开号：CN 1924749A）的专利技术。该技术主要用于间歇式生产的水平室式炼焦炉生产过程中的气体压力控制，主要由压力传感器、气体流量调节器或液位调节器、自动控制器、动作装置构成。注塑成型过程中模具型腔压力值调节范围较大，常在2～15MPa不等，但此专利技术压力仅为400Pa左右，且无法有效读取注塑机信号，因此无法对注塑成型过程中的模具型腔压力进行控制。

北京航空航天大学于2009年公开了一种名为“一种气体压力控制调节装置”（公开号：CN 101539486A）的专利技术。该技术主要应用于电推进发动机领域中的气源压力控制调节，其主要特征分为主管路压力调节装置和子管路压力调节装置两部分，可控制多管路同时工作并实现气体管路压力实时可调，但该技术无法满足注塑成型过程中周期性加压与泄压动作的要求，不适用于注塑过程中的模具型腔压力的控制。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种注塑模具型腔压力控制系统及控制方法，它通过与注塑机的信号通讯，控制相应的阀门进行动作，满足注塑过程中模具型腔的加压、稳压及泄压功能要求，并能实现对模具型腔压力大小及压力作用时间的控制，可保证注塑产品的质量和成品率，并有利于提高实际生产中注塑工艺参数调试的效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种注塑模具型腔压力控制系统，包括高压氮气源，高压氮气源通过管路与模具进气口相连，所述管路上靠近高压氮气源位置处设有第一减压阀，管路经第一减压阀后分为两路，一路经第二减压阀、第一压力表和电子压力控制器与气控调节阀相连，另一路经第二压力表与气控调节阀相连,气控调节阀出口与模具进气口相连，且气控调节阀出口与模具进气口相连段管路上依次连接有第三压力表、压力传感器及泄压管路单元。

所述电子压力控制器、泄压管路单元和压力传感器均与数据处理及控制系统相连，数据处理及控制系统与注塑机信号单元相连。

所述泄压管路单元包括两路并联的与氮气回收装置或外界大气相连的泄压管路，两路并联的泄压管路上分别设有第一电磁阀和第二电磁阀。

所述第一电磁阀的阀芯气路直径大于第二电磁阀的阀芯气路直径。

所述第一电磁阀和第二电磁阀均与数据处理及控制系统连接。

所述高压氮气源与模具进气口间相连的管路均采用高压不锈钢管，且该段管路直径不小于第一电磁阀的阀芯气路直径。

所述数据处理及控制系统为工控机、计算机、单片机或PLC。

注塑模具型腔压力控制方法，步骤如下：

1）开始前，通过调节第一减压阀，使得出口压力即第二压力表显示数值达到或稍高于型腔压力预设值，以便减小高压气体对气控调节阀的压力损坏，提高阀体的使用寿命；

2）调节第二减压阀，使得出口压力即第一压力表显示数值达到电子压力控制器的先导气体压力要求值，压力进入电子压力控制器前需安装相应规格的安全阀，防止进入电子压力控制器的气体压力过大，造成不必要的设备损坏；

3）通过数据处理及控制系统接收注塑机信号单元的合模信号实现系统触发，当合模结束时，数据处理及控制系统开始接收压力传感器的信号，通过设定型腔压力值和压力传感器信号进行PID运算后发送电流信号给电子压力控制器，动态调节气控调节阀，对模具型腔进行加压；

4）对模具型腔加压时开始计时，高压压力作用时间需与注塑机的注射延时时间和注射时间匹配，通过设定模具型腔压力作用时间参数来控制模具型腔高压保持时间，并通过压力传感器实时监测模具型腔内部压力，当模具型腔压力达到设定高压时停止对型腔加压，并给出高压信号，允许注塑机进行下一步动作，当计时时间达到设定值时，数据处理及控制系统给出泄压信号控制第一电磁阀动作，开始对模具型腔泄压；

5）当一个注塑过程完成，模具型腔压力达到允许开模低压时给出低压信号，允许注塑机进行开模取件，数据处理及控制系统通过接收注塑机信号单元的开模信号，进行系统控制参数的初始化，为下一个生产周期做准备；

6）对于注射前需对模具型腔加压的结构发泡注塑成型工艺和微发泡注塑成型工艺，在注射过程中，随着塑料熔体的不断填充，模具型腔空间逐渐减小，型腔内高压气体被进一步压缩，使型腔压力急剧增高，为了保证填充过程中型腔压力的稳定，可设定允许压差值，即当模具型腔压力高于设定值加允许压差值时，数据处理及控制系统给出稳压信号控制第二电磁阀动作，开始小流量泄压，当模具型腔压力降到设定值减允许压差值时，第二电磁阀断电关闭，停止型腔泄压，实现模具型腔压力的稳定控制。

本发明根据实际注塑生产工艺过程，通过与注塑机的信号通讯，控制相应的阀门进行动作，完成对注塑模具型腔的加压、稳压及泄压功能要求，并能实现对模具型腔压力大小及压力作用时间的控制，可保证注塑产品的质量和成品率，并有利于提高实际生产中注塑工艺参数调试的效率。本发明能够保证注塑过程中模具型腔压力范围为0～20MPa可调（实际使用压力范围为2～15MPa），能够保证在注塑过程中模具型腔压力的稳定维持；模具型腔的泄压与稳压分为两路进行，泄压管路选用直径较大的电磁阀（例如直径为Φ6mm），稳压管路选用直径较小的电磁阀（例如直径为Φ3mm）；对模具型腔进行加压时，采用PID控制算法，实时动态调节气控调节阀的开启度，进行模具型腔的压力调节；当模具型腔压力达到设定高压和设定低压时，数据处理及控制系统均进行信号反馈，允许注塑机进行下一步动作。

针对目前需要进行模具型腔加压的新型注塑成型工艺要求，模具型腔压力在达到设定高压时均需进行一定时间的高压维持，并且在泄压时要求模具型腔泄压速度快速，本发明采用小尺寸气路管径的高压电磁阀进行小流量气体调节，实现模具型腔压力的稳定，采用大尺寸气路管径的高压电磁阀实现模具型腔的快速泄压。

本发明根据注塑成型的具体过程，通过第一减压阀调节进入模具型腔压力控制器的气体压力，分别通过第二压力表、第三压力表监测控制装置内部管道压力和模具型腔内部压力。通过数据处理及控制系统读取注塑机信号单元的合模信号进行系统触发，当合模结束时，数据处理及控制系统控制相关的阀门驱动进行加压动作，开始对模具型腔进行加压，并通过压力传感器实时监测模具型腔内部压力，当模具型腔压力达到设定高压时停止对型腔加压，并给出高压信号，允许注塑机进行下一步动作。在模具型腔进行加压时开始计时，高压压力作用时间需与注塑机其他动作时间如注射延时时间和注射时间进行匹配，当压力作用时间达到设定时间值时，模具型腔压力控制系统控制相关阀门动作进行泄压，当模具型腔压力达到允许开模低压时给出低压信号，允许注塑机进行开模取件。由于注塑成型过程属于周期性动作，因此数据处理及控制系统通过读取注塑机信号单元的开模信号，实现参数的初始化设置，为下一个生产周期做准备。对于结构发泡工艺和微发泡工艺，在物料注射填充过程中随着模具型腔内部的空间被熔体进一步压缩，模具型腔压力会瞬间增大，此时可以通过稳压系统进行小流量泄压，实现模具型腔压力的稳定控制。

本发明所述的数据处理与控制系统接收注塑机信号和压力传感器信号，经过PID计算后输出4～20mA电流信号及通断信号；通过注塑机的合模信号激活模具型腔压力控制系统，进行合理的时间延迟后控制加压系统对模具型腔进行加压动作；通过压力传感器信号和设定压力值动态调节电子压力控制器，间接控制气控调节阀实现模具型腔压力的动态调节；通过设定模具型腔高压压力保持时间控制泄压系统进行相应的泄压动作，实现注塑过程中模具型腔压力作用时间的可控；通过注塑过程中模具型腔压力上限的设定来控制稳压系统进行相应的稳压调节，实现注塑过程中模具型腔压力的稳定；通过读取注塑机开模信号实现压力控制系统的初始化设置，以便为下个生产周期做准备。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明具有模具型腔加压速率与泄压速率快、模具型腔高压压力可维持、模具型腔压力大小及高压保持时间可控的功能特点，满足注塑成型过程中模具型腔压力的控制要求。

附图说明

图1为本发明模具型腔压力控制装置示意图。

图2为本发明模具型腔压力控制系统及控制方法原理图。

其中1.高压氮气源，2.第一减压阀，3.第二减压阀，4.气控调节阀，5.第一电磁阀，6.第二电磁阀，7.电子压力控制器，8.压力传感器，9.数据处理与控制系统，10.注塑机信号单元，11.第一压力表，12.第二压力表，13.第三压力表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，注塑模具型腔压力控制系统及控制方法，包括高压氮气源1，高压氮气源1经模具型腔压力控制装置后通过装置的出气口Ⅰ与模具进气口相连，所述管路上靠近高压氮气源1位置处设有第一减压阀2，管路经第一减压阀2后分为两路，一路经第二减压阀3、第一压力表11和电子压力控制器7与气控调节阀4相连，另一路经第二压力表12与气控调节阀4相连，气控调节阀4的出口与模具进气口相连，该段管路上依次连接有第三压力表13、压力传感器8及泄压管路单元；所述电子压力控制器4、泄压管路单元和压力传感器8均与数据处理及控制系统9相连，数据处理及控制系统9与注塑机信号单元10相连。

泄压管路单元包括两路并联的与氮气回收装置或外界大气相连的泄压管路，两路并联的泄压管路上分别设有第一电磁阀5和第二电磁阀6。两路并联的泄压管路的出气口Ⅱ、Ⅲ与氮气回收装置连接或排空。

第一电磁阀5的阀芯气路直径大于第二电磁阀6的阀芯气路直径。第一电磁阀5和第二电磁阀6均与数据处理及控制系统9电连接。高压氮气源1与模具进气口相连的管路采用高压不锈钢管。数据处理及控制系统9可为工控机、计算机、单片机或PLC。

模具型腔压力控制部分可实现与注塑机的信号通讯，主要接收注塑机开模信号、合模信号及压力传感器信号，并实现数据处理后的信号输出，控制相应阀门驱动进行相应动作。

所述的高压氮气源1的压力范围：15～40MPa。

所述的第一减压阀2的压力范围：输入0～40MPa，输出0～25MPa。

所述的第二减压阀3的压力范围：输入0～25MPa，输出0～1MPa。

所述的气控调节阀4压力范围：输入0～25MPa，输出0～20MPa。

所述的压力传感器8的量程：0～20MPa。

所述的第一压力表11压力范围：0～1MPa。

所述的第二压力表12压力范围：0～25MPa。

所述的第三压力表13压力范围：0～20MPa。

所述的第一电磁阀5阀芯气路尺寸为Φ6mm。

所述的第一电磁阀6阀芯气路尺寸为Φ3mm。

所述的高压气体管路均采用不锈钢管，管径尺寸为Φ6mm。

对于需要控制模具型腔压力的注塑工艺过程，模具型腔压力范围一般为2～15MPa,现以注塑过程中模具型腔压力需10MPa为例说明该控制装置的控制方法。

1）开始前，通过调节第一减压阀2，使得出口压力即第二压力表12的数值显示值为10～15MPa，以便减小高压气体对气控调节阀4的压力损坏，提高阀体的使用寿命；

2）调节第二减压阀3，使得出口压力即第一压力表11的数值显示为0.8MPa，以便满足电子压力控制器7的先导气体压力要求，压力进入电子压力控制器7前需安装相应的安全阀，防止进入电子压力控制器7的压力过大，造成不必要的设备损坏；

3）通过数据处理及控制系统9接收注塑机信号单元10的合模信号，当合模结束时，数据处理及控制系统9开始接收压力传感器8的信号，通过设定的模具型腔压力值和压力传感器信号进行PID运算后发送电流信号给电子压力控制器7，动态调节气控调节阀4，对模具型腔进行加压；

4）对模具型腔加压时开始计时，高压压力作用时间需与注塑机注射延时时间和注射时间匹配，通过设定压力作用时间参数来控制模具型腔高压保持时间，并通过压力传感器8实时监测模具型腔内部压力，并经过数字转化输出，实现模具型腔压力的可视化。当模具型腔压力达到设定高压时停止对型腔加压，并给出高压信号，允许注塑机进行下一步动作即允许注塑机进行注射，当计时时间达到设定值时，数据处理及控制系统9给出泄压信号控制第一电磁阀5动作，开始对模具型腔泄压；

5）当一个注塑过程完成，模具型腔压力达到允许开模低压时给出低压信号，此时允许注塑机进行开模取件，数据处理及控制系统9通过接收注塑机信号单元10的开模信号，进行系统的初始化设置，为下一个生产周期做准备。

6）对于注射前需对模具型腔加压的工艺如结构发泡成型和微发泡成型，在注射填充过程中，随着塑料熔体的填充，模具型腔空间逐渐减小，型腔内高压气体被进一步压缩，使压力急剧增高，为了保证填充过程中模具型腔压力的稳定，可设定一个模具型腔压力的允许压差值δ，一般地，设定的压差值δ随模具型腔压力的不同而不同，原则上设定为模具型腔压力的3～5%，例如，对于本实施例，设定模具型腔压力为10MPa，模具型腔压力的允许压差值δ可取模具型腔压力的5%，即为0.5MPa，当实际模具型腔压力高于（10+δ）=10.5MPa时，数据处理及控制系统9给出稳压信号控制第二电磁阀6动作，开始小流量泄压，当实际模具型腔压力小于（10-δ）=9.5MPa时，第二电磁阀6断电关闭，模具型腔泄压停止。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的保护范围进行了限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种利用注塑模具型腔压力控制系统的控制方法，所述系统包括高压氮气源，高压氮气源通过管路与模具进气口相连，所述管路上靠近高压氮气源位置处设有第一减压阀，管路经第一减压阀后分为两路，一路经第二减压阀、第一压力表和电子压力控制器与气控调节阀相连，另一路经第二压力表与气控调节阀相连，气控调节阀出口与模具进气口相连，且气控调节阀出口与模具进气口相连段管路上依次连接有第三压力表、压力传感器及泄压管路单元；所述电子压力控制器、泄压管路单元和压力传感器均与数据处理及控制系统相连，数据处理及控制系统与注塑机信号单元相连；所述泄压管路单元包括两路并联的与氮气回收装置或外界大气相连的泄压管路，两路并联的泄压管路上分别设有第一电磁阀和第二电磁阀；其特征是，控制方法步骤如下：

1）开始前，通过调节第一减压阀，使得出口压力即第二压力表达到或稍高于设定值，以便减小高压对气控调节阀的压力损坏，提高阀体的使用寿命；

2）调节第二减压阀，使得出口压力即第一压力表达到设定值，以便满足电子压力控制器的先导气体压力要求，压力进入电子压力控制器前需安装相应的安全阀，防止进入电子压力控制器的压力过大，造成不必要的设备损坏；

3）通过数据处理及控制系统接收注塑机信号单元的合模信号进行系统触发，当合模结束时，数据处理及控制系统开始接收压力传感器的信号，通过设定的模具型腔压力值和压力传感器信号进行PID运算后发送电流信号给电子压力控制器，动态调节气控调节阀，对模具型腔加压；

4）对模具型腔加压时开始计时，高压压力作用时间需与注塑机注射延时时间和注射时间匹配，通过设定压力作用时间参数来控制模具型腔高压保持时间，并通过压力传感器实时监测模具型腔内部压力，当模具型腔压力达到设定高压时停止对型腔加压，并给出高压信号，允许注塑机进行下一步动作，当计时时间达到设定值时，数据处理及控制系统给出泄压信号控制第一电磁阀动作，开始对模具型腔泄压；

5）当一个注塑过程完成，模具型腔压力达到允许开模低压时给出低压信号，允许注塑机进行开模取件，数据处理及控制系统通过接收注塑机信号单元的开模信号，进行系统参数的初始化设置，为下一个生产周期做准备；

6）对于注射前需对模具型腔加压的发泡成型工艺和微发泡成型工艺，在注射填充过程中，随着塑料熔体的填充，模具型腔空间逐渐减小，型腔内高压气体被进一步压缩，使压力急剧增高，为了保证填充过程中型腔压力的稳定，设定模具型腔压力的允许压差值，即当压力高于设定值加允许压差值时，数据处理及控制系统给出稳压信号控制第二电磁阀动作，开始小流量泄压，当压力降到设定值减允许压差值时，第二电磁阀断电关闭，停止型腔泄压，实现模具型腔压力的稳定控制。