CN106738734A - 一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置 - Google Patents

Abstract

设计并制造了一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，综合利用传统传感器检测法、可视化观测法和超声波检测法，分别检测塑料熔体在模具型腔中的热、力学变化情况，以及充填模式信息和微观形态演化行为。在检测装置中，塑料模具设计成带侧向分型抽芯的模具结构，同时运用多媒体计时器技术和多线程编程技术开发数据采集系统。实验结果表明：所设计的模具安全可靠，检测装置可获得成形过程中塑料熔体的温度及压力信息、充填模式图像和结晶形态的形成与演化行为，实现真实加工条件下注塑成形过程的全面可视化。

Description

一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置。

背景技术

注塑成形是高性能塑料制品生产的最主要手段，据统计，80％以上的工程塑料制品是经由注塑成形工艺生产出来的。在注塑成形过程中，塑料颗粒经熔融后被充填进密闭的模具型腔中并最终冷却固化成形，整个过程伴随着剧烈的温度和压力变化。在模具型腔内，塑料熔体所经历的复杂热、力学变化情况，所表现出的充填模式信息，以及最终固化的微观形态结构直接影响到塑料制品的强度、刚度、热性能以及透明度等物理性能。概括而言，型腔信息包括温度、压力、速度以及微观结构信息四类。在线检测成形过程中模具型腔内熔体的温度、压力、速度以及微观结构信息，对全面深入了解注塑成形机理并优化成形工艺，制造出高性能的塑料制品具有十分重要的意义。

近年来，注塑成形工艺的在线检测已成为塑料加工领域的研究热点，研究方法主要包括传统温度及压力传感器检测法、可视化观测法、荧光法、近红外法、介电检测法、超声波检测法和同步辐射法等。然而，上述各研究方法大都只能检测某一类型的型腔信息，功能比较单一，无法全面检测型腔的信息。在模具型腔内，塑料熔体的温度、压力、速度及微观形态信息与最终制品性能之间存在非线性、强耦合和时变性的关系，单独采用某一类方法很难全面准确地研究成形工艺、微观形态与制品性能之间的关联影响关系。

发明内容

本发明的目的是为了全面检测型腔的信息、准确地研究成形工艺、微观形态与制品性能之间的关联影响关系，设计了一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

注塑成形过程中型腔信息在线检测装置由塑料模具、超声探头、传感器、高速摄像机、数据采集/分析系统等部分构成。本设计综合利用传统传感器检测法、可视化观测法和超声波检测法面同步检测模具型腔信息，其中：传统传感器检测法用于获取塑料熔体的温度、压力信息，可视化观测法用于获得熔体的速度信息，超声波检测法用于表征熔体微观形态的演化行为。

所述的塑料模具设计成带侧向分型抽芯的模具结构，采用Ｔ型槽实现动模模块与定模模块的侧向分型, 塑料模具的定模板、动模座板及型腔等大部分结构件采用45号钢制造，制品的几何形状设计为哑铃形状，其具体尺寸参照美国材料与试验协会发布的ASTM—D638—2008标准。动模芯和定模芯采用P20模具钢制造，模芯进行抛光处理。导柱和导柱孔配合制造，导柱和导柱孔直径间隙保证为0.03mm，楔块和Ｔ型槽配合加工，双滑块和双T型槽配合加工，单边间隙控制为0.02mm。可视化用定模型腔模块选用石英玻璃替代部分不透明的金属模壁。

所述的压力、温度传感器采用KISLER公司的6190A型模腔压力、温度传感器。

所述的高速摄像机采用Phptron公司的UltimaAPX高速摄像机。

所述的超声探头采用汕头超声公司的具有收发功能的5P14型纵波探头。

所述的数据采集系统的运行平台选择Windows操作系统，采用VisualC++作为开发工具，选用Access作为后台数据库。

所述的模腔压力、温度信号选用NI公司的USB600数据采集卡进行采集。

所述的超声信号采用汕头超声公司的CTS-04PC多通道超声采集卡进行采集。

所述的视觉信号通过高速摄像机的数据处理器进行记录，采集软件主要包括传感器校准、数据采集、数据显示和数据分析功能。

本发明的有益效果是：

石英玻璃与定模芯接触的环形面上受力最大但远小于石英玻璃的抗拉极限，石英玻璃的最大变形量小于5μｍ，所设计的模具安全可靠；本检测装置借助于温度、压力传感器可获得塑料熔体在成形过程中的热、力学变化情况，型腔压力与油缸压力表现出较大差异，实际生产过程中采用油缸压力代替型腔压力进行过程优化控制的方法不太准确；本检测装置可清晰地观测到塑料熔体的充填模式，可用于优化螺杆注射速度以获得均的熔体前沿速度；本检测装置可利用超声技术感知并研究模具型腔内熔体结晶形态的形成与演化行为；本装置实现了真实加工条件下注塑成形过程的全面可视化，有助于全面准确地研究成形工艺、微观形态与制品性能之间的影响关系。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是型腔信息在线检测方案示意图。

图2是塑料模具结构图。

其中，1—定模板，2—楔块，3—导柱，４—浇口套，5—定位圈，6—动模芯，7—动模型腔，8—定模芯，9—定模型腔，10—动模座板，11—滑块，12—锁紧块，13—制品。

具体实施方式

如图1所示，注塑成形过程中型腔信息在线检测装置由塑料模具、超声探头、传感器、高速摄像机、数据采集/分析系统等部分构成。温度、压力传感器检测法是检测型腔温度和压力的最简单最直接的方法。速度信息在线检测方法包括可视化观测法和介电检测法。可视化检测法采用透明视窗替代不透明的金属模壁，并采用高速摄像机记录塑料熔体的充填行为以获得充填速度信息。介电检测法利用塑料熔体的介电特性，采用电容传感器在线检测熔体的充填速度信息。介电检测法须要在模具上安装两个电极以形成电容，安装的电极会阻碍温度、压力传感器的安装，因此该方法很难与其他方法集成。在微观结构形态检测方面，超声波检测法和同步辐射法是两种常用的方法。超声波检测法利用超声波能够穿透弹性介质模具钢并反馈出其内部塑料熔体声学信息的特性，来表征成形过程中熔体微观结构形态的动态演化行为。同步辐射法利用Ｘ射线或激光等高能粒子穿透模具型腔，在线检测熔体的微观结构信息。同步辐射法的设备昂贵，高能粒子对人体的危害性大，而超声波检测法的使用成本不高，而且超声波为机械波，对人体无害。综合考虑检测装置的功能需求、使用成本和安全性，本研究采用传统传感器检测法、可视化观测法和超声波熔体的压力及温度信号，以实时表征注塑成形过程中塑料熔体的热、力学变化情况。引入可视化观测法高速实时记录塑料熔体的充填行为。可视化观测法根据光路系统的不同，可分为透射光观察法、反射光观察法和直视式观察法。考虑到模具设计的简便性，本研究采用直视式光路系统对型腔信息进行可视化观察。可视化观测的方向与模具型腔的分型方向平行。此外，采用超声波检测法在线表征成形过程中熔体微观结构形态的动态演化行为。超声波检测方法按照探头的收发方式，可为一个探头兼收发的反射法和两个探头一收一发的透射法。反射法与透射法相比，具有探头安装灵活方便的优势，在此采用脉冲反射法对型腔信息进行超声波检测。同样，超声波检测的方向也与模具型腔的分型方向平行。然后，开发多线程实时数据采集分析系统，同步高速采集熔体压力、温度信号、高速摄像机信号和超声波信号，最终实现模具型腔信息的全面在线检测。

如图2所示，在综合考虑型腔信息检测方案和注塑机结构特征的基础上，塑料模具设计成带侧向分型抽芯的模具结构，采用Ｔ型槽实现动模模块与定模模块的侧向分型。动模模块包括动模座板、滑块、锁紧块、动模型腔模块和定模型腔模块，其中动模型腔模块包括动模型腔和动模芯，定模型腔模块包括定模型腔和定模芯。滑块和锁紧块采用螺栓安装在动模座板上。动模芯安装在动模型腔中，动模型腔背面采用Ｔ型槽与楔块形成滑动配合，动模型腔底部采用双Ｔ型槽与固定在动模座板上的滑块配合滑动。定模芯安装在定模型腔中，定模型腔采用螺栓和销固定于动模座板上。定模模块包括定模板、楔块、浇口套、定位圈和导柱，楔块采用螺栓安装在定模板上，浇口套、定位圈和导柱采用过盈配合固定于定模板上。注塑机开模时，Ｔ型槽利用开模所产生的侧向分型力带动动模模块横向移动，使动模模块与定模模块分离，取出塑料制品。为成形不同形状的制品，模芯（包括动模芯和定模芯）与型腔（包括动模型腔和定模型腔）设计成相互独立的结构，动模芯和定模芯分别安装在动模型腔和定模型腔中。在动模型腔和动模芯中设计传感器的安装通路，用于安装压力、温度传感器。定模型腔设计为中空，在可视化观测用定模芯中，安装透明玻璃视窗替代不透明的金属模壁，实现塑料熔体充填行为的可视化。用定模芯的背面设计孔以便于安装超声探头，孔的位置与动模芯中压力、温度传感器的安装位置相对应，以检测模具型腔中同一位置处的熔体信息。此外，为方便采用万能试验机检测最终塑料制品的力学性能，制品的几何形状设计为哑铃形状，其具体尺寸参照美国材料与试验协会发布的ASTM—D638—2008标准。

Claims (9)

1.一种注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，由塑料模具、超声探头、传感器、高速摄像机、数据采集/分析系统等部分构成；本设计综合利用传统传感器检测法、可视化观测法和超声波检测法面同步检测模具型腔信息，其中：传统传感器检测法用于获取塑料熔体的温度、压力信息，可视化观测法用于获得熔体的速度信息，超声波检测法用于表征熔体微观形态的演化行为。

2.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的塑料模具设计成带侧向分型抽芯的模具结构，采用Ｔ型槽实现动模模块与定模模块的侧向分型,塑料模具的定模板、动模座板及型腔等大部分结构件采用45号钢制造，制品的几何形状设计为哑铃形状，其具体尺寸参照美国材料与试验协会发布的ASTM—D638—2008标准；动模芯和定模芯采用P20模具钢制造，模芯进行抛光处理；导柱和导柱孔配合制造，导柱和导柱孔直径间隙保证为0.03mm，楔块和Ｔ型槽配合加工，双滑块和双T型槽配合加工，单边间隙控制为0.02mm；可视化用定模型腔模块选用石英玻璃替代部分不透明的金属模壁。

3.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的压力、温度传感器采用KISLER公司的6190A型模腔压力、温度传感器。

4.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的高速摄像机采用Phptron公司的UltimaAPX高速摄像机。

5.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的超声探头采用汕头超声公司的具有收发功能的5P14型纵波探头。

6.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的数据采集系统的运行平台选择Windows操作系统，采用VisualC++作为开发工具，选用Access作为后台数据库。

7.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的模腔压力、温度信号选用NI公司的USB600数据采集卡进行采集。

8.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的超声信号采用汕头超声公司的CTS-04PC多通道超声采集卡进行采集。

9.根据权利要求1所述的注塑成形过程中型腔信息在线检测装置，其特征是所述的视觉信号通过高速摄像机的数据处理器进行记录，采集软件主要包括传感器校准、数据采集、数据显示和数据分析功能。