CN105758347B - 共注成型中制品参数超声在线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共注成型中制品参数超声在线测量方法，包括：(1)在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB和反射回波LS：反射回波LB为该超声波在模塑界面发生反射回波；反射回波LS为该超声波在塑塑界面发生的反射回波；(2)计算接收反射回波LB与反射回波LS之间的时间间隔Δt，得到塑料制品的表层壁厚h：(3)根据表层壁厚h计算得到塑料制品芯层长度。本发明具有以下优点：塑料制品各层壁厚和长度的测量不需要破坏制品，具有无损测量的优点，通过超声波信号得到各层壁厚和长度，不需要等制品制成后离线操作，可以进行实时在线的无损测量，操作简单，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及塑料成形技术，具体涉及一种共注成型中制品参数超声在线测量方法。
背景技术
共注成型工艺，又称夹心注塑成型或多层共注成型，是使用两个或者两个以上注射系统把不同种类的塑料熔体同时或者顺序注射进同一模具内的成型方法。随着人们环保意识的增强，以及注塑机械工业和自动控制技术水平的发展，共注塑工艺收到越来越多的重视，应用也越来越广泛。
共注成型中，表层、中间层壁厚是共注成型制品的两个重要参数。表层、中间层壁厚的精度影响着制品的品质，是共注成型技术的关键指标之一，有效控制表层、中间层壁厚是共注成型成熟的重要标准。目前，国内外众多学者已经针对共注成型制品表层、中间层壁厚的形成机理及壁厚的控制进行了大量的研究分析，研究表明同表层、中间层壁厚主要与表层、中间层熔体预注射量、延迟时间和芯层熔体压力等工艺参数有关。
目前表层、中间层壁厚都是通过离线的方式测量，将制品切开得到横截面来机械测量。这种方法的缺点是：(1)这种方法需要破坏制品，具有破坏性的；(2)需要进行大量次数的试制实验来调整工艺参数，以获得相对精确的表层、中间层壁厚，该方法耗时费力；(3)一旦更改模具或者注塑材料发生变化，则需要重新通过大量试验来调整工艺参数，该方法灵活性差。
而共注成型中注塑件的中间层和芯层的长度影响它的机械和力学性能，然而中间层和芯层材料通常被不透明的表层材料覆盖，因此无法通过光学方法测量，除非将注塑件截断测量，否则测量中间层和芯层长度十分的困难。
当前，一些发达国家的专家学者都在寻找一种经济有效的表层和中间层壁厚以及中间层和芯层长度测量方法，在这种竞争形势下，急需一种经济有效的检测手段来实时在线测量皮层厚度，以便实时调整工艺参数以优化制品的成型效果。
发明内容
如上所述，对于共注成型，表层、中间层壁厚及中间层和芯层长度的测量具有重要意义。针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种成本低廉、使用方便、精度易控制、无损的用于共注成型中制品表层、中间层壁厚及中间层和芯层长度实时在线测量的方法。
为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种共注成型中层壁厚及层长度超声在线测量方法，对应的制品自表层、中间层至芯层依次定义为第1～n层，其中n为大于等于2的正整数，第1～n层对应的塑料熔体为第1～n层塑料熔体，对第i层壁厚进行检测，其中i为1～n-1的正整数，包括如下步骤：
(1)在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB和反射回波LS：
其中：
反射回波LB为该超声波在第i层外界面发生的反射回波，当i＝1时，所述第i层外界面为第1层塑料熔体与模具内壁的界面；当i大于1时，所述第i层外界面为第i-1层塑料熔体与第i层塑料熔体的界面；
反射回波LS为该超声波在第i层内界面发生的反射回波，所述第i层内界面为第i层塑料熔体与第i+1层塑料熔体的界面；
(2)计算接收反射回波LB与反射回波LS之间的时间间隔Δt,得到塑料制品的第i层壁厚h：
h＝1/2*V*△t；
其中，V为超声波在第i层塑料熔体中的传播速度；
按照步骤(1)和步骤(2)可实现对一个或多个层壁厚的同时检测；
可选择的进入步骤(3)；
(3)根据第1～n-1层总壁厚计算得到塑料制品芯层长度。
作为优选，所述n为2或3；两层或者三层共注成型为目前使用最为广泛的两种共注成型工艺。
作为优选，所述超声波在第i层塑料熔体中的传播速度V采用如下方法确定：
(I)在垂直于塑料熔体流动方向上，发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB0和反射回波LS0：
其中：
反射回波LB0为该超声波在第i层外界面发生的反射回波，当i＝1时，所述第i层外界面为第1层塑料熔体与模具内壁的界面；当i大于1时，所述第i层外界面为第i-1层塑料熔体与第i层塑料熔体的界面；
反射回波LS0为该超声波在第i层内界面发生的反射回波，所述第i层内界面为第i层塑料熔体与第i+1层塑料熔体的界面；
(II)计算接收反射回波LB0与反射回波LS0之间的时间间隔Δt0；
(III)将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料的第i层壁厚h0，进而计算得到超声波在第i层塑料熔体中的传播速度V，V＝2h0/△t0。
作为有优选，步骤(3)中，计算芯层长度的方法如下：
(3-1)预先采集多组芯层长度数据与芯层厚度数据；
(3-2)进行线性拟合或多项式拟合，得到芯层长度数据与芯层厚度数据的函数方程；
(3-3)检测成型过程中的制品的芯层厚度数据，将检测得到的芯层厚度数据代入上述函数方程中得到芯层长度。还可以选择对中间层厚度进行检测，作为优选的方案，步骤(3)中，计算中间层长度的方法如下：
(3-11)预先采集多组中间层长度数据与中间层厚度数据；
(3-22)进行线性拟合或多项式拟合，得到中间层长度数据与中间层厚度数据的函数方程；
(3-33)检测成型过程中的制品的中间层厚度数据，将检测得到的中间层厚度数据代入上述函数方程中得到中间层长度。
作为进一步优选，步骤(3-3)中计算成型过程中的塑料制品的芯层厚度hi数据的方法如下：
hi＝D-2∑h；
其中D为塑料制品的外径尺寸；∑h为第1～n-1层壁厚之和。
对于最为常见的两层共注成型，n为2，没有中间层，其优选的方案分别如下：
一种共注成型中制品参数超声在线测量方法，包括如下步骤：
(1’)在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB和反射回波LS：
其中：
反射回波LB为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为表层塑料熔体与模具内壁的界面；
反射回波LS为该超声波在塑塑界面发生的反射回波，所述塑塑界面为表层塑料熔体与芯层塑料熔体的界面；
(2’)计算接收反射回波LB与反射回波LS之间的时间间隔Δt,得到塑料制品的表层壁厚h：
h＝1/2*V*△t；
其中，V为超声波在表层塑料熔体中的传播速度；
可选择的进入步骤(3’)；
(3’)根据表层壁厚h计算得到塑料制品芯层长度。
作为优选，所述超声波在表层塑料熔体中的传播速度V采用如下方法确定：
(I’)在垂直于塑料熔体流动方向上，发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB0和反射回波LS0：
其中：
反射回波LB0为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为表层塑料熔体与模具内壁的界面；
反射回波LS0为该超声波在塑塑界面发生的反射回波，所述塑塑界面为表层塑料熔体与芯层塑料熔体的界面；
(II’)计算接收反射回波LB0与反射回波LS0之间的时间间隔ΔtO；
(III’)将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料的表层壁厚h0，进而计算得到超声波在塑料熔体中的传播速度V，V＝2h0/△t0。
作为进一步优选，步骤(I’)或步骤(I)中，多次发射超声波，采集多组反射回波LB0和反射回波LS0；最终超声波在表层或者第i层塑料熔体中的传播速度为每组反射回波LB0和反射回波LS0得到的传播速度的平均值。同时，也可根据需要在塑料制品不同位置设置多个超声探头。步骤(III’)或步骤(III)中，可采用游标卡尺测量表层壁厚h0。
对于两层共注成型，一般情况下，表层塑料和芯层塑料材质不同，性质也不同，芯层塑料熔体注射入表层塑料熔体中时，超声波在模塑界面发生的反射回波LB，在表层塑料和芯层塑料熔体界面发生的反射回波LS，由此可测量超声波在两界面之间的传播时间，即超声波在塑料内的传播时间。另一方面，通过离线的方式将相同工艺条件下已制成的塑料制品截断，用长度量具测量超声探头对应点塑料制品的表层壁厚，可计算出超声波在塑料制品中的传播速度。用上述方法重新实时测量超声波在塑料制品中的传播时间，即可计算塑料制品的表层壁厚。
超声波第一次反射回波LB和反射回波LS可能受噪声信号影响，产生波动，所以，为得到稳定的超声反射回波，作为优选，步骤(1)或步骤(1’)中，采集超声波第2～3次的反射波数值。
作为优选，步骤(3’)中，计算芯层长度的方法如下：
(3-1’)采集多组芯层长度数据与芯层厚度数据；
(3-2’)进行线性拟合或多项式拟合，得到芯层长度数据与芯层厚度数据的函数方程；
(3-3’)计算成型过程中的制品的芯层厚度数据，将求得的芯层厚度数据代入上述函数方程中得到芯层长度。或者步骤(3’)中，计算中间层长度的方法如下：
(3-11’)预先采集多组中间层长度数据与中间层厚度数据；
(3-22’)进行线性拟合或多项式拟合，得到中间层长度数据与中间层厚度数据的函数方程；
(3-33’)检测成型过程中的制品的中间层厚度数据，将检测得到的中间层厚度数据代入上述函数方程中得到中间层长度。
步骤(3-1)和步骤(3-2)或者步骤(3-1’)和步骤(3-2’)一般是在工艺投产前确定，在共注成型过程中，可实时检测得到芯层长度。
作为优选，步骤(3-3’)中计算成型过程中的塑料制品的芯层厚度hi数据的方法如下：
hi＝D-2h；
其中D为塑料制品的外径尺寸。
为保证较高的相关度，作为优选，步骤(3-2)、步骤(3-22)或步骤(3-2’)、步骤(3-22’)中，采用二阶多项式拟合或三阶多项式拟合。
作为进一步优选，步骤(3-2)、步骤(3-22)或步骤(3-2’)、步骤(3-22’)中，采用二阶多项式拟合。采用二阶多项式拟合，既保证相关度又减少计算量，相关度均在0.98以上。
塑料制品经流体填充、保压、冷却降温，在制品与模具内腔表面分离之前，表层、中间层壁厚以及中间层、芯层长度均可通过本发明的上述方法检测得到。塑料制品与模具内腔表面分离前后，表层、中间层壁厚以及中间层、芯层长度变化不大，可以忽略，由本发明方法检测得到的表层、中间层壁厚以及中间层、芯层长度可直接作为制品的表层、中间层壁厚以及中间层、芯层长度值。
本发明的共注成型超声在线测量系统包括：超声检测装置、至少一个超声探头、模具、流体辅助装置、表层塑料注射机和芯层塑料注射机。其中超声探头贴合安装在模具表面。超声检测装置可以是数字式超声卡，也可以是一体式的超声探伤仪。数字式超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集模具型腔表面的超声反射波。PC机对采集的超声信号进行处理，计算表层、中间层壁厚以及中间层、芯层长度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：塑料制品表层或其他各层壁厚以及中间层和芯层长度的测量不需要破坏制品，具有无损测量的优点，通过超声波信号得到表层或其他各层壁厚和芯层长度，不需要等制品制成后离线操作，可以进行实时在线的无损测量，操作简单，精度高。
附图说明
图1为共注成型超声实时测量系统及超声传播示意图。
图2为塑料制品与模具内腔表面即将分离前的超声波反射信号图。
图3为芯层长度与厚度关系线性拟合结果图。
图4为芯层长度与厚度关系多项式拟合结果图，其中(a)为二项式拟合结果，(b)为三项式拟合结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。
本发明以由两种塑料进行两层共注塑为例进行说明。
具体而言，如图1所示，为共注成型注射机超声实时测量系统示意图。测量系统包括：超声检测装置、受超声检测装置控制的一个超声探头、注塑用模具、可进行两种以上塑料注塑的注射机。
在本实施例中，超声检测装置由数字式超声卡和PC机组成，超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集超声反射波，并将采集的超声反射波发送给PC机。PC机对采集的超声信号进行处理，计算表层壁厚和芯层长度。
在本实施例中，超声探头为纵波探头，脉冲超声波垂直于塑料熔体流动方向。
本实例中，表层塑料为HDPE(高密度聚乙烯)，芯层塑料为PP(聚丙烯)。
图2中，LB表示超声波在模具内壁与表层塑料界面的第一次反射回波，LS表示超声波在表层塑料与芯层塑料界面的第一次反射回波。
1.表层壁厚测量的具体实施步骤如下：
(1)芯层塑料熔体在模具腔的表层塑料熔体中时，超声波在模塑界面发生的第一次反射回波为LB，在塑塑界面发生的第一次反射回波为LS。在流动方向上，表层塑料熔体的一般位于芯层塑料熔体前方，在没有芯层塑料熔体的塑料熔体部分，没有LS产生；而在芯层塑料熔体前方端部，表层塑料熔体内壁一般为弧形结构，表层塑料熔体厚度是变化的，采用此时的第一次反射回波LB和LS时，计算得到的塑料熔体厚度误差较大，所以避免采用此时的第一次反射回波LB和LS计算塑料熔体厚度；实际操作时，可在第一次反射回波信号LB和LS幅值稳定后(即前后两个时刻的幅值波动不大时，说明检测的塑料熔体已经形成稳定的壁厚)采集反射信号LB和LS之间的时间间隔Δt，为超声波在塑料制品中的传播时间。则表层壁厚可由公式(1)计算：
式中，h为塑料制品表层壁厚，V为超声波在表层塑料熔体中的传播速度。超声反射回波信号如图2所示，本实例△t＝1814.55ns。
一般情况下，由于高次回波对模塑界面情况有更高的灵敏性，在满足强度的情况下，可以选择第二次反射回波LB’和LG’作为计算的根据；
(2)步骤(1)中传播速度V的测量过程如下：
(2-1)按步骤(1)测量超声波在两界面的反射回波信号LB和LS，可测量超声波在探头UT位置对应的表层塑料中的传播时间△t，。本实例中△t＝1782.9931ns。
(2-2)将被测量过Δt现已制成型的塑料制品在探头UT处截断，得到其横截面，用游标卡尺分别测量表层壁厚h。本实例中h＝2.08mm。
(2-3)代入公式(1)计算超声波传播速度V＝2333.2m/s。
(2-4)也可进一步重复步骤(2-1)至(2-3)，多次测量，求平均值得到超声波传播速度V。
(3)将传播速度V＝2333.2m/s和传播时间△t＝1814.55ns代入公式(1)计算表层壁厚h＝2.12mm。
经过验证，该制品在探头UT处截断后经游标卡尺测量厚度为2.06mm，误差在3％左右。
2.芯层长度测量
在共注成型中，影响芯层长度的主要因素有：塑料熔体材料本身性能，芯层材料体积百分比，模具的几何形状，芯层熔体的注射速度和模具温度。当其他工艺条件不变时，仅改变两种塑料的体积百分比，通过实验发现芯层的长度与芯层厚度之间存在相关性。将实验获得的9组芯层长度与厚度的数据分别进行线性拟合和二三阶多项式拟合，图3所示为线性拟合，相关度R2为0.9459，不够精确。图4中(a)和(b)所示分别为二阶多项式和三阶多项式拟合的结果，相关度R2分别为0.9876和0.9877，为既保证相关度又减少计算量，因此采用二阶多项式拟合最为理想。二阶多项式拟合的方程为：
y＝-203.47x2+865.22x-754.74 (2)
其中，x表示芯层厚度，y表示芯层长度。从而根据该方程，可由芯层厚度来计算芯层长度。
具体的，计算芯层长度的方法如下：
(3-1)采集多组芯层长度数据与芯层厚度数据；
(3-2)采用上述方法，进行二项式拟合，得到芯层长度数据与芯层厚度数据的函数方程，如式(2)所示；
(3-3)计算成型过程中的制品的芯层厚度数据，将求得的芯层厚度数据代入上述函数方程中得到芯层长度。
步骤(3-3)中计算成型过程中的制品的芯层厚度hi数据的方法如下：
hi＝D-2h；
其中D为制品的外径尺寸。
h即为1中计算得到的表层壁厚值；
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。本发明实施方案的表层塑料熔体为HDPE(高密度聚乙烯)，芯层塑料熔体为PP(聚丙烯)，但本发明所述方法也可用于其他类型的双层制品或者多层制品的厚度值实时在线测量，因此也属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种共注成型中制品参数超声在线测量方法，对应的制品自表层、中间层至芯层依次定义为第1～n层，其中n为大于等于2的正整数，第1～n层对应的塑料熔体为第1～n层塑料熔体，其特征在于，对第i层壁厚进行检测，其中i为1～n-1的正整数，包括如下步骤：
(1)在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB和反射回波LS：
其中：
反射回波LB为该超声波在第i层外界面发生的反射回波，当i＝1时，所述第i层外界面为第1层塑料熔体与模具内壁的界面；当i大于1时，所述第i层外界面为第i-1层塑料熔体与第i层塑料熔体的界面；
反射回波LS为该超声波在第i层内界面发生的反射回波，所述第i层内界面为第i层塑料熔体与第i+1层塑料熔体的界面；
(2)计算接收反射回波LB与反射回波LS之间的时间间隔Δt，得到塑料制品的第i层壁厚h：
h＝1/2*V*△t；
其中，V为超声波在第i层塑料熔体中的传播速度；
按照步骤(1)和步骤(2)实现对一个或多个层壁厚的检测；
(3)根据中间层壁厚数值或者芯层厚度数值得到塑料制品中间层长度或芯层长度；
计算芯层长度的方法如下：
(3-1)预先采集多组芯层长度数据与芯层厚度数据；
(3-2)进行线性拟合或多项式拟合，得到芯层长度数据与芯层厚度数据的函数方程；
(3-3)检测成型过程中的制品的芯层厚度数据，将检测得到的芯层厚度数据代入芯层长度数据与芯层厚度数据的函数方程中得到芯层长度；
或者计算中间层长度的方法如下：
(3-11)预先采集多组中间层长度数据与中间层厚度数据；
(3-22)进行线性拟合或多项式拟合，得到中间层长度数据与中间层厚度数据的函数方程；
(3-33)检测成型过程中的制品的中间层厚度数据，将检测得到的中间层厚度数据代入中间层长度数据与中间层厚度数据的函数方程中得到中间层长度。
2.根据权利要求1所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，所述n为2或3。
3.根据权利要求1所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，n等于2时，所述反射回波LB为该超声波在模塑界面发生反射回波，所述模塑界面为表层塑料熔体与模具内壁的界面；
所述反射回波LS为该超声波在塑塑界面发生的反射回波，所述塑塑界面为表层塑料熔体与芯层塑料熔体的界面。
4.根据权利要求1所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，所述超声波在第i层塑料熔体中的传播速度V采用如下方法确定：
(I)在垂直于塑料熔体流动方向上，发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB0和反射回波LS0：
其中：
反射回波LB0为该超声波在第i层外界面发生反射回波，当i＝1时，所述第i层外界面为第1层塑料熔体与模具内壁的界面；当i大于1时，所述第i层外界面为第i-1层塑料熔体与第i层塑料熔体的界面；
反射回波LS0为该超声波在第i层内界面发生的反射回波，所述第i层内界面为第i层塑料熔体与第i+1层塑料熔体的界面；
(II)计算接收反射回波LB0与反射回波LS0之间的时间间隔Δt0；
(III)将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料的第i层壁厚h0，进而计算得到超声波在第i层塑料熔体中的传播速度V，V＝2h0/△t0。
5.根据权利要求4所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，n为2时，
反射回波LB0为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为表层塑料熔体与模具内壁的界面；
反射回波LS0为该超声波在塑塑界面发生的反射回波，所述塑塑界面为表层塑料熔体与芯层塑料熔体的界面。
6.根据权利要求1所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(3-3)中计算成型过程中的塑料制品的芯层厚度hi数据的方法如下：
hi＝D-2∑h；
其中D为塑料制品的外径尺寸；∑h为第1～n-1层壁厚之和。
7.根据权利要求1所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(3-2)或者步骤(3-22)中，采用二阶多项式拟合或三阶多项式拟合。
8.根据权利要求4所述的共注成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(I)中，多次发射超声波，采集多组反射回波LB0和反射回波LS0；最终超声波在第i层塑料熔体中的传播速度为每组反射回波LB0和反射回波LS0得到的传播速度的平均值。
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