CN103488097A - 注塑过程保压段的仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注塑过程保压段的仿真系统及方法。仿真系统主要包括台架、驱动系统、螺杆模拟系统、材料模拟系统，是针对注塑过程保压段所用的塑料熔体具有粘弹性、高度非线性等特点，以及现有的注塑过程保压段研究方法存在计算时间长、能源消耗大等问题而设计。实验人员可以根据需要模拟的实际材料特性选择材料模拟系统的参数与结构，并在该系统上进行注塑过程保压段的仿真实验。本发明采用了一种能较好反映注塑过程保压段中塑料熔体的粘弹性及时变特性的物理结构，给出了包含该结构的实验装置，同时可以在此装置的基础上直接进行注塑过程保压段仿真实验，降低能源与材料消耗，提高研究效率。

Description

注塑过程保压段的仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及注塑过程领域，尤其涉及一种注塑过程保压段的仿真系统及方法。

背景技术

作为轻工行业支柱产业之一的塑料行业，近几年的发展速度一直保持在10%以上，在保持较快发展速度的同时，行业经济效益也有新的提高，塑料制品行业规模在主要轻工行业中位居前列，显示出了中国塑料工业发展的良好势头。

注塑成型是塑料成型加工方法中最主要的一种，其原理是将一定数量的塑料加热融化，然后用一定的压力将熔融的塑料注入到闭合模具中进行冷却定形。该过程主要分为射胶、保压、冷却、熔胶、开合模等阶段，其中保压阶段是影响产品性能最重要的阶段之一。塑料熔体被注入模腔后会发生冷却收缩，必然导致制品内部密度与应力的不均匀分布，而适当的保压过程则可以有效弥补这种收缩。因此，研究该阶段的特性对改善该阶段的控制进而提高产品性能与质量是非常有意义的。

塑料熔体在保压阶段的力学特性一般介于弹性与粘性之间，即表现出粘弹性特性，目前的研究工作主要也着眼于这一点。为了表征这一特性，科学家们曾做了大量工作，提出了多种力学模型，如Maxwell串联模型、Voigt并联模型、Burgers四元件模型等等。这些模型都可以从一定程度上表征塑料熔体的粘弹性，但进行应力应变实验时，可以看出这些模型均存在与实验不相符合的方面。主要问题在于，上述模型均为线性模型，但由实际经验可知，塑料熔体的温度在保压段会有较大程度的下降，这直接导致塑料熔体的弹性模量、粘度系数等主要力学参数是温度、时间的非线性函数，从而使塑料熔体具有较明显的非线性力学特性，这种特性给进行相关研究增加了不小的难度。

此外，目前对于保压段的研究主要有数值模拟及直接实验两种方法，数值模拟即从微观角度入手，根据塑料熔体在该阶段所满足物理定律及边界条件建立微分方程组并进行求解分析，这种方法的问题在于所建立的方程组规模较大，求解难度高，时间长，所得结果只能用于离线分析而不能用于在线实验；直接实验则是直接在注塑机上进行实际生产，通过安装在注塑机上的传感器得到所需数据进行分析研究，这种方法的问题在于每次生产均会带来一定程度的能源、材料消耗，当实验次数较多时带来的消耗也较大，同时注塑机所用的控制系统结构较为复杂，频繁更改局部的控制算法可能给整个系统带来意想不到的错误。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种注塑过程保压段的仿真系统及方法。同时可以利用该系统对具有粘弹性特性的材料的蠕变特性进行测试。

本发明采取的技术方案是：

注塑过程保压段的仿真系统包括台架、驱动系统、螺杆模拟系统、材料模拟系统；

台架包括电机支座、大底板、前轴承座、前端盖、导轨、第一滑块、第二滑块、第三滑块、后轴承座、后端盖；

电机支架、前轴承座、导轨、后轴承座安装在大底上，用于固定电机、滚珠丝杆与材料模拟系统，前端盖安装在前轴承座上，后端盖安装在后轴承座上，第一滑块、第二滑块、第三滑块均安装在导轨上；

驱动系统包括电机、弹性联轴器、螺母固定座、滚珠丝杆；

电机与滚珠丝杆通过弹性联轴器连接在一起，螺母固定座安装在滚珠丝杆上；

螺杆模拟系统包括压力传感器、驱动滑板、位移传感器、数据采集模块；

驱动滑板与螺母固定通过螺栓固定，压力传感器与位移传感器安装在驱动滑板上并与数据采集模块相连；

材料模拟系统包括第一连接滑板、第一等高块、第二弹簧支座、弹簧、第二连接滑板、第二等高块、磁流变阻尼器、第三连接滑板、第三等高块、磁流变阻尼器抱箍、第一弹簧支座、顶杆、第二可调液压阻尼器支座、第一可调液压阻尼器支座、可调液压阻尼器、电流控制器；

第一连接滑板通过第一等高块与第一滑块相连接，第二连接滑板通过第二等高块与第二滑块相连接，第三连接滑板通过第三等高块与第三滑块相连接，第一可调液压阻尼器支座安装在第一连接滑板上并固定着可调液压阻尼器，第二可调液压阻尼器支座安装在可调液压阻尼器上，第一弹簧支座安装在第二连接滑板上，第一弹簧支座、第二弹簧支座通过半牙螺钉固定弹簧，磁流变阻尼器抱箍安装在第三连接滑板上并固定着磁流变阻尼器，电流控制器与磁流变阻尼器相连，顶杆安装在第二可调液压阻尼器支座上。

注塑过程保压段的仿真方法是：用驱动滑板挤压材料模拟系统的方式来模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；具体来说即用可调液压阻尼器、弹簧与磁流变阻尼器的整体串联结构来模拟注塑过程保压段中塑料熔体所具有的粘弹性特性，并根据塑料的主要特性表选取可调液压阻尼器的阻尼系数与弹簧的型号，用电流控制器实时调节通过磁流变阻尼器的电流，从而实时改变磁流变阻尼器的阻尼系数，模拟塑料熔体的非线性时变特性；使电以恒定转矩开始工作，驱动滚珠丝转动并带动安装有压力传感器的驱动滑板挤压可调液压阻尼器，使可调液压阻尼器、弹簧、磁流变阻尼器分别产生形变，模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；数据采集模块不断采集压力传感器与位移传感器检测到的电压信号，并转换为压力与位移数据，存储在其存储器中。

本发明采用了一种能较好反映注塑过程保压段中塑料熔体的粘弹性及时变特性的物理结构，给出了包含该结构的实验装置，同时可以在此装置基础上直接进行注塑过程保压段的仿真实验，降低能源与材料消耗，提高研究效率。

附图说明

图1是注塑过程保压段的仿真系统的结构图；

图2是注塑过程保压段的仿真方法的流程图；

图3是本发明材料模拟系统所采用的理论模型结构图；

图4是理论模型计算结果与实际实验结果对比图；

图中，电机1、电机支座2、弹性联轴器3、大底板4、前轴承座5、前端盖6、螺母固定座7、滚珠丝杆8、导轨9、第一连接滑板10、第一等高块11、第一滑块12、第二弹簧支座13、弹簧14、第二连接滑板15、第二等高块16、第二滑块17、磁流变阻尼器18、第三连接滑板19、第三等高块20、第三滑块21、后轴承座22、后端盖23、磁流变阻尼器抱箍24、第一弹簧支座25、顶杆26、第二可调液压阻尼器支座27、第一可调液压阻尼器支座28、可调液压阻尼器29、压力传感器30、驱动滑板31、位移传感器32、数据采集模块33、电流控制器34。

具体实施方式

如图1所示，注塑过程保压段的仿真系统包括台架、驱动系统、螺杆模拟系统、材料模拟系统；台架包括电机支座、大底板4、前轴承座5、前端盖6、导轨9、第一滑块12、第二滑块17、第三滑块21、后轴承座22、后端盖23；

电机支座2、前轴承座5、导轨9、后轴承座22安装在大底板4上，用于固定电机1、滚珠丝杆8与材料模拟系统，前端盖6安装在前轴承座5上，后端盖23安装在后轴承座22上，第一滑块12、第二滑块17、第三滑块21均安装在导轨9上；

驱动系统包括电机1、弹性联轴器3、螺母固定座7、滚珠丝杆8；

电机1与滚珠丝杆8通过弹性联轴器3连接在一起，螺母固定座7安装在滚珠丝杆8上；

螺杆模拟系统包括压力传感器30、驱动滑板31、位移传感器32、数据采集模块33；

驱动滑板31与螺母固定座7通过螺栓固定，压力传感器30与位移传感器32安装在驱动滑板31上并与数据采集模块33相连；

材料模拟系统包括第一连接滑板10、第一等高块11、第二弹簧支座13、弹簧14、第二连接滑板15、第二等高块16、磁流变阻尼器18、第三连接滑板19、第三等高块20、磁流变阻尼器抱箍24、第一弹簧支座25、顶杆26、第二可调液压阻尼器支座27、第一可调液压阻尼器支座28、可调液压阻尼器29、电流控制器34；

第一连接滑板10通过第一等高块11与第一滑块12相连接，第二连接滑板15通过第二等高块16与第二滑块17相连接，第三连接滑板19通过第三等高块20与第三滑块21相连接，第一可调液压阻尼器支座28安装在第一连接滑板10上并固定着可调液压阻尼器29，第二可调液压阻尼器支座27安装在可调液压阻尼器上29，第一弹簧支座25安装在第二连接滑板15上，第一弹簧支座25、第二弹簧支座13通过半牙螺钉固定弹簧14，磁流变阻尼器抱箍24安装在第三连接滑板19上并固定着磁流变阻尼器18，电流控制器34与磁流变阻尼器18相连，顶杆26安装在第二可调液压阻尼器支座27上。

如图2所示，注塑过程保压段的仿真方法是：用驱动滑板挤压材料模拟系统的方式来模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；具体来说即用可调液压阻尼器29、弹簧14与磁流变阻尼器18的整体串联结构来模拟注塑过程保压段中塑料熔体所具有的粘弹性特性，并根据厂家提供的塑料的主要特性表选取可调液压阻尼器29的阻尼系数与弹簧14的型号，用电流控制器34实时调节通过磁流变阻尼器18的电流，从而实时改变磁流变阻尼器18的阻尼系数，模拟塑料熔体的非线性时变特性；使电机1以恒定转矩开始工作，驱动滚珠丝杆8转动并带动安装有压力传感器30的驱动滑板31挤压可调液压阻尼器29，使可调液压阻尼器29、弹簧14、磁流变阻尼器18分别产生形变，模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；数据采集模块33不断采集压力传感器30与位移传感器32检测到的电压信号，并转换为压力与位移数据，存储在其存储器中。

如图3所示，材料模拟系统采用的是改进Burgers模型，其中弹簧用于模拟模型中的理想弹簧，磁流变阻尼器用于模拟模型中的理想黏壶，可调液压阻尼器用于模拟模型中的Kelvin模型即理想弹簧与理想黏壶的并联结构；当系统工作时，电机以恒力矩驱动滚珠丝杆转动带动驱动滑板挤压材料模拟系统，该过程模拟注塑过程保压段螺杆以恒力挤压塑料熔体的过程，相当于给材料模拟系统一个恒应力σ，使材料产生蠕变应变。

根据蠕变条件，组成基本Burgers模型的各部分满足以下公式：

理想弹簧的蠕变应变满足以下公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(1\right)$

其中ε为蠕变应变，E为弹簧的弹性模量，该系数可以通过调整实际弹簧的结构来调节。

理想黏壶的蠕变应变满足以下公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\η}}t---\left(2\right)$

其中η为黏壶的黏度系数，t为恒应力作用时间。

Kelvin模型的蠕变应变满足以下公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}(1-e^{-\frac{E}{\mathrm{\η}}t})---3$

式中E为Kelvin模型中的弹簧的弹性模量，η为Kelvin模型中的黏壶的黏度系数，该系数可通过调节可调液压阻尼器尾端的控制旋钮来调整。

综合上式可得基本Burgers模型的蠕变应变公式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E_1}+\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\η}}_1}t+\frac{\mathrm{\σ}}{E_2}(1-e^{-\frac{E_2}{{\mathrm{\η}}_2}t})---\left(4\right)$

其中E₁为弹簧的弹性模量，η₁为黏壶的黏度系数，E₂为Kelvin模型中的弹簧的弹性模量，η₂为Kelvin模型中的黏壶的黏度系数，t为恒应力作用时间，在本系统中E₁与η₂可离线调节。

图4是适当选取基本Burgers模型中的参数后，根据公式(4)得到的计算结果与实际实验结果对比图，可以看出基本Burgers模型已经可以较好的模拟塑料熔体的粘弹性特性，但在某些部分仍不够吻合。

相比基本Burgers模型，本发明采用的改进Burgers模型的主要改进点在于令理想黏壶的黏度系数可随时间变化，即令其为时间的函数，将η₁改为η ₁(t)这一点可通过实时调节磁流变阻尼器中所通过的电流实现，从而表征塑料熔体的非线性时变特性。

根据以上说明可以看出，本发明所采用的结构可以通过调节相关参数，较好的反映出实际注塑过程保压段塑料熔体所具有的粘弹性特性与非线性时变特性。

Claims (2)

1.一种注塑过程保压段的仿真系统，其特征在于系统包括台架、驱动系统、螺杆模拟系统、材料模拟系统；

台架包括电机支座（2）、大底板（4）、前轴承座（5）、前端盖（6）、导轨（9）、第一滑块（12）、第二滑块（17）、第三滑块（21）、后轴承座（22）、后端盖（23）；

电机支座（2）、前轴承座（5）、导轨（9）、后轴承座（22）安装在大底板（4）上，用于固定电机（1）、滚珠丝杆（8）与材料模拟系统，前端盖（6）安装在前轴承座（5）上，后端盖（23）安装在后轴承座（22）上，第一滑块（12）、第二滑块（17）、第三滑块（21）均安装在导轨（9）上；

驱动系统包括电机（1）、弹性联轴器（3）、螺母固定座（7）、滚珠丝杆（8）；

电机（1）与滚珠丝杆（8）通过弹性联轴器（3）连接在一起，螺母固定座（7）安装在滚珠丝杆（8）上；

螺杆模拟系统包括压力传感器（30）、驱动滑板（31）、位移传感器（32）、数据采集模块（33）；

驱动滑板（31）与螺母固定座（7）通过螺栓固定，压力传感器（30）与位移传感器（32）安装在驱动滑板（31）上并与数据采集模块（33）相连；

材料模拟系统包括第一连接滑板（10）、第一等高块（11）、第二弹簧支座（13）、弹簧（14）、第二连接滑板（15）、第二等高块（16）、磁流变阻尼器（18）、第三连接滑板（19）、第三等高块（20）、磁流变阻尼器抱箍（24）、第一弹簧支座（25）、顶杆（26）、第二可调液压阻尼器支座（27）、第一可调液压阻尼器支座（28）、可调液压阻尼器（29）、电流控制器（34）；

第一连接滑板（10）通过第一等高块（11）与第一滑块（12）相连接，第二连接滑板（15）通过第二等高块（16）与第二滑块（17）相连接，第三连接滑板（19）通过第三等高块（20）与第三滑块（21）相连接，第一可调液压阻尼器支座（28）安装在第一连接滑板（10）上并固定着可调液压阻尼器（29），第二可调液压阻尼器支座（27）安装在可调液压阻尼器上（29），第一弹簧支座（25）安装在第二连接滑板（15）上，第一弹簧支座（25）、第二弹簧支座（13）通过半牙螺钉固定弹簧（14），磁流变阻尼器抱箍（24）安装在第三连接滑板（19）上并固定着磁流变阻尼器（18），电流控制器（34）与磁流变阻尼器（18）相连，顶杆（26）安装在第二可调液压阻尼器支座（27）上。

2.一种使用权利要求1所述系统的注塑过程保压段的仿真方法，其特征在于： 

用驱动滑板挤压材料模拟系统的方式来模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；具体来说即用可调液压阻尼器（29）、弹簧（14）与磁流变阻尼器（18）的整体串联结构来模拟注塑过程保压段中塑料熔体所具有的粘弹性特性，并根据塑料的主要特性表选取可调液压阻尼器（29）的阻尼系数与弹簧（14）的型号，用电流控制器（34）实时调节通过磁流变阻尼器（18）的电流，从而实时改变磁流变阻尼器（18）的阻尼系数，模拟塑料熔体的非线性时变特性；使电机（1）以恒定转矩开始工作，驱动滚珠丝杆（8）转动并带动安装有压力传感器（30）的驱动滑板（31）挤压可调液压阻尼器（29），使可调液压阻尼器（29）、弹簧（14）、磁流变阻尼器（18）分别产生形变，模拟注塑过程保压段中注塑机螺杆挤压塑料熔体的过程；数据采集模块（33）不断采集压力传感器（30）与位移传感器（32）检测到的电压信号，并转换为压力与位移数据，存储在其存储器中。

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