CN105835326A - 流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，包括：(1)采集该超声波同一次反射回波LB和反射回波LG：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LG为该超声波在塑辅界面发生的反射回波；(2)计算接收反射回波LB与反射回波LG之间的时间间隔△t，得到塑料熔体的壁厚h；(3)根据塑料熔体的壁厚计算得到空心层长度。与现有技术相比，本发明具有以下优点：制品残余壁厚和空心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残余壁厚和空心层长度，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。

Description

流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法

技术领域

本发明涉及塑料成形技术，具体涉及一种流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法。

背景技术

流体辅助注射成型中的流体是惰性气体或水，主要包括气辅注射成型(Gas-Assisted Injection Molding，简称GAIM)和水辅注射成型(Water-Assisted Injection Molding，简称WAIM)两种，它们是上世纪90年代发展起来的新型聚合物加工成型技术，利用高压惰性气体或水在制品内部形成空腔，并经保压降温后得到中空的塑料制品。GAIM和WAIM具有传统注塑成型不可比拟的优点，能够成型厚度差异较大的制品，且质量轻、内应力低、强度高，因而在塑料制品成型中被广泛使用。流体辅助注射成型工艺主要包括五个阶段：熔体短射、流体注射、流体保压、流体排出和制品顶出。

流体辅助注射成型工艺中，制品残余壁厚的精度影响着制品的品质。残余壁厚是指中空制品最终的壁厚，是流体辅助注射成型技术的关键指标之一，有效控制残余壁厚是流体辅助注射成型成熟的重要标准。目前，国内外众多学者已经针对流体辅助注射成型制品残余壁厚的形成机理及壁厚的控制进行了大量的研究分析，研究表明同一材料流体辅助注射成型的残余壁厚主要与熔体预注射量、延迟时间和流体压力等工艺参数有关。

但目前残余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，以获得相对精确的残余壁厚，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。因此，急需一种经济有效的检测手段来实时在线测量残余壁厚，以便实时调整工艺参数以优化制品的成型效果。

另外，在流体辅助成型中注塑件的空心层的长度影响它的机械和力学性能，然而空心层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，否则测量空心层长度十分的困难。目前还没有十分可行的方法。

流体辅助注射成型表层壁厚和空心层长度的测量都是非常重要的。当前，一些发达国家的专家学者都在寻找一种经济有效的壁厚和长度测量方法，在这种竞争形势下，本发明提供了一种利用超声波反射现象的实时在线测量方法。

发明内容

如上所述，对于流体辅助注射成型，制品壁厚和空心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、无损的用于流体辅助注射成型中制品参数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：

一种流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，包括如下步骤：

(1)在垂直于流体流动方向上，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LG：

其中：

反射回波LB为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为塑料熔体与模具内壁的界面；

反射回波LG为该超声波在塑辅界面发生的反射回波，所述塑辅界面为塑料熔体与辅助流体的界面；

(2)计算接收反射回波LB与反射回波LG之间的时间间隔△t，得到塑料熔体的壁厚h：

h＝1/2×V×△t；

其中，V为超声波在塑料熔体中的传播速度；

可选择的进入步骤(3)；

(3)根据塑料熔体的壁厚计算得到空心层长度。

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，残余壁厚均可通过本发明的上述方法检测得到。所述的壁厚h又称为塑料制品残余壁厚。

作为优选，所述超声波在塑料熔体中的传播速度V采用如下方法确定：

(I)在垂直于流体流动方向上，发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB0和反射回波LG0：

其中：

反射回波LB0为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为塑料熔体与模具内壁的界面；

反射回波LG0为该超声波在塑辅界面发生的反射回波，所述塑辅界面为塑料熔体与辅助流体的界面；

(II)计算接收反射回波LB0与反射回波LG0之间的时间间隔△t 0；

(III)将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料的壁厚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)中，多次发射超声波，采集多组反射回波LB0和反射回波LG0；最终超声波在塑料熔体中的传播速度为每组反射回波LB0和反射回波LG0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)中，可采用游标卡尺测量残余壁厚h0。

超声波在异质界面会发生反射和透射现象，一般情况下，辅助流体为水或者惰性气体，辅助流体注射入塑料熔体中时，超声波在模塑界面发生反射回波LB，在塑料和辅助流体界面发生反射回波LG，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残余壁厚。

超声波第一次反射回波LB和反射回波LG更容易受噪声干扰，为得到稳定的超声反射回波，作为优选，步骤(1)中，采集超声波第2～3次的反射波数值；作为进一步优选，采集超声波第2次的反射波数值。作为优选，步骤(3)中，计算空心层长度的方法如下：

(3-1)采集多组空心层长度数据与空心层厚度数据；

(3-2)进行线性拟合或多项式拟合，得到空心层长度数据与空心层厚度数据的函数方程；

(3-3)检测成型过程中的制品的空心层厚度数据，将检测得到的空心层厚度数据代入上述函数方程中得到空心层长度。

步骤(3-1)和步骤(3-2)一般是在工艺投产前确定，因此在流体辅助注射成型过程中，可实时检测得到空心层长度。

作为优选，步骤(3-3)中计算成型过程中的制品的空心层厚度h_i数据的方法如下：

h_i＝D-2h；

其中D为制品的外径尺寸。

为保证较高的相关度，作为优选，步骤(3-2)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)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。

本发明的流体辅助注射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、流体辅助装置和塑料注射机。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，计算残余壁厚和空心层长度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：制品残余壁厚和空心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残余壁厚和空心层长度，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为气辅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反射波信号图。

图3为空心层长度与厚度关系线性拟合结果图。

图4为空心层长度与厚度关系多项式拟合结果图：其中(a)为二阶多项式，(b)为三阶多项式拟合的结果。

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。

具体而言，如图1所示，为气辅成型注射机超声实时测量系统示意图。测量系统包括：两通道以上超声检测装置、与超声检测装置相连的至少一个超声探头、模具、气体辅助装置和塑料注射机。

在本实施例中，所述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，并将接收和采集超声反射波传输给PC机。PC机对采集的超声信号进行处理，计算残余壁厚和空心层长度。

在本实施例中，所述超声探头为纵波探头，脉冲超声波垂直于气体流动方向。

本实例中，所述塑料熔体材料为HDPE(高密度聚乙烯)，气辅装置注气压力为3MPa，注气延迟3s，流率7.41cm³/s，料温210℃。

图1中，LB表示超声波在模具型腔与塑料界面(模塑界面)的第一次反射回波，LG表示超声波在塑料与气体界面(塑气界面)的第一次反射回波。

1.残余壁厚测量的具体实施步骤如下：

(1)惰性气体在模具腔的塑料熔体中时，超声波在模塑界面发生的第一次反射回波为LB，在塑气界面发生的第一次反射回波为LG。在流动方向上，塑料熔体一般位于辅助流体前方，在没有辅助流体的塑料熔体部分，没有LG产生；而在辅助流体前方端部，塑料熔体内壁一般为弧形结构，塑料熔体厚度是变化的，采用此时的第一次反射回波LB和LG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LG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LG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LG之间的时间间隔Δt，为超声波在塑料制品中的传播时间。则残余壁厚可由公式(1)计算：

$h=\frac{1}{2}V\mathrm{\Δ}t---\left(1\right).$

式中，h为塑料制品残余壁厚，V为超声波在塑料制品中的传播速度。超声反射回波信号如图2所示，本实例△t＝1861.8866ns。

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LG，可测量超声波在塑料中的传播时间△t，探头UT处的传播时间为△t。本实例中△t＝1846.1079ns。

(2-2)将被测量过△t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残余壁厚h。本实例中h＝2.16mm。

(2-3)代入公式(1)计算超声波传播速度V＝2340.06m/s。

(2-4)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＝2340.06m/s和传播时间△t＝1861.8866ns代入公式(1)计算残余壁厚h＝2.178mm。

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2.16mm，误差在1％左右。

2.长度测量

在辅助成型中，影响空心层长度的主要因素有：塑料材料本身性能，塑料的体积百分比，辅助流体的压力和流量，模具的几何形状和模具温度。当其他工艺条件不变，仅改变塑料体积百分比时，通过实验发现空心层的长度与空心层厚度之间存在相关性。针对同一个加工体系，将实验获得的9组空心层长度与空心层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0.9363，不够精确。图4(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0.9907和0.9917，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＝-229.08x²+10109x-955.27

其中，x表示空心层厚度，y表示空心层长度。从而根据该方程，可由空心层厚度来计算空心层长度。

具体的，计算空心层长度的方法如下：

(3-1)采集多组空心层长度数据与空心层厚度数据；

(3-2)进行线性拟合或多项式拟合，得到空心层长度数据与空心层厚度数据的函数方程；

(3-3)计算成型过程中的制品的空心层厚度数据，将求得的空心层厚度数据代入上述函数方程中得到空心层长度。

步骤(3-1)中空心层长度与厚度通过将制品沿轴截面剖开进行机械测量得到。

步骤(3-3)中计算成型过程中的制品的空心层厚度h_i数据的方法如下：

h_i＝D-2h；

其中D为制品的外径尺寸。

塑料制品在脱离模具冷却前后，壁厚和空心层长度变化不大，可以忽略，由本发明方法检测得到的壁厚和空心层长度可直接作为制品的残余壁厚和空心层长度值。

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。本发明实施方案的辅助流体为惰性气体，但本发明所述方法也可用于水辅注射成型中残余壁厚和空心层长度的实时在线测量，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)

1.一种流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在垂直于流体流动方向上，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LG：

其中：

反射回波LB为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为塑料熔体与模具内壁的界面；

反射回波LG为该超声波在塑辅界面发生的反射回波，所述塑辅界面为塑料熔体与辅助流体的界面；

(2)计算接收反射回波LB与反射回波LG之间的时间间隔△t，得到塑料熔体的壁厚h：

h＝1/2×V×△t；

其中，V为超声波在塑料熔体中的传播速度；

可选择的进入步骤(3)；

(3)根据塑料熔体的壁厚计算得到空心层长度。

2.根据权利要求1所述的流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，所述超声波在塑料熔体中的传播速度V采用如下方法确定：

(I)在垂直于流体流动方向上，发射超声波，采集该超声波同一次反射回波LB0和反射回波LG0：

其中：

反射回波LB0为该超声波在模塑界面发生的反射回波，所述模塑界面为塑料熔体与模具内壁的界面；

反射回波LG0为该超声波在塑辅界面发生的反射回波，所述塑辅界面为塑料熔体与辅助流体的界面；

(II)计算接收反射回波LB0与反射回波LG0之间的时间间隔△t0；

(III)将制得的塑料制品在超声波对应处截断，得到塑料的壁厚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。

3.根据权利要求1所述的流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(1)中，采集超声波第2～3次的反射波数值。

4.根据权利要求1所述的流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(3)中，计算空心层长度的方法如下：

(3-1)采集多组空心层长度数据与空心层厚度数据；

(3-2)进行线性拟合或多项式拟合，得到空心层长度数据与空心层厚度数据的函数方程；

(3-3)检测成型过程中的制品的空心层厚度数据，将检测得到的空心层厚度数据代入上述函数方程中得到空心层长度。

5.根据权利要求4所述的流体辅助注射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制品的空心层厚度h_i数据的方法如下：

h_i＝D-2h；

其中D为制品的外径尺寸。

6.根据权利要求4所述的流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(3-2)中，采用二阶多项式拟合或三阶多项式拟合。

7.根据权利要求6所述的流体辅助注射成型中制品参数超声在线测量方法，其特征在于，步骤(3-2)中，采用二阶多项式拟合。

8.根据权利要求2所述的流体辅助注射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LG0；最终超声波在塑料熔体中的传播速度为每组反射回波LB0和反射回波LG0得到的传播速度的平均值。