CN113059742A - 一种模具型腔高压气体控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模具型腔高压气体控制系统与控制方法。具体步骤为：控制系统通过型腔反压压力大小和作用时间，进而调控高压气控调压阀的输出压力；调整可调高压泄压阀的泄压压力为反压压力；注塑合模完成后，开始向注塑模具中注入高压气体，当注塑模具内压力达到反压压力时，高压气体注入完成，注塑模具开始注射熔体；在注射熔体的过程中，通过可调高压泄压阀调整注塑模具内保持反压压力；当到达反压压力的作用时间后，将残余在注塑模具及管路内的高压气体排出，完成反压的卸除。抑制微孔注塑熔体的填充过程中发泡，提升产品内外泡孔结构质量。

Description

一种模具型腔高压气体控制系统与控制方法

技术领域

本发明属于气体压力控制系统与方法技术领域，具体涉及一种模具型腔高压气体控制系统与控制方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

微孔发泡注塑是一种以热塑性塑料为基体、以超临界流体为发泡剂，生产内部含有大量微米级泡孔的聚合物微孔材料成型技术，在产品轻量化、工艺绿色化方面具有显著优势，近年来得到了国内外的广泛关注。然而，由于微孔发泡注塑是一项集成了聚合物微孔发泡与注射成型的综合技术，其熔体的发泡过程十分复杂，特别是填充阶段发泡的熔体极易受其自身流动状态以及压力和温度等因素的影响，而产生泡孔变形、合并、破裂以及翻转冷凝形成气泡痕等一系列不利发泡行为，导致微孔发泡注塑产品存在表面质量不高、内部泡孔不规则和分布不均匀等问题，严重制约了该技术的进一步发展和应用。

针对微孔注塑熔体填充过程中的发泡问题，相关实验和理论研究表明，利用型腔反压技术在熔体注射前建立一个反向的填充压力空间，可以显著减少其填充阶段的不利发泡行为。然而，由于目前所用型腔反压气体进行控制方法仅在消除熔体流动前锋处的泡孔破裂行为、改善产品表面质量方面有明显效果，但却无法克制填充阶段熔体内部的泡孔形核、长大以及变形与合并等行为。或者通过复杂的工艺进行控制，导致微孔发泡注塑成型周期明显延长，并且利用气体容积不变的方法进行抑制，极易受其温度的影响而产生不稳定性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种模具型腔高压气体控制系统与控制方法。抑制微孔注塑熔体的填充过程中发泡，提升产品内外泡孔结构质量。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种模具型腔高压气体控制方法，具体步骤为：

控制系统根据型腔反压压力大小和作用时间，调控高压气控调压阀的输出压力；

调整型腔的泄压压力为反压压力；

注塑合模完成后，开始向注塑模具中注入高压气体，当注塑模具内压力达到反压压力时，高压气体注入完成，注塑模具开始注射熔体；

在注射熔体的过程中，调整注塑模具内保持反压压力；

当到达反压压力的作用时间后，将残余在注塑模具及管路内的高压气体排出，完成反压的卸除。

型腔反压压力为注塑模具中注入的高压气体的压力，作用时间为从开始向注塑模具中注入高压气体到注入完成的过程中的时间。

注塑模具合模完成后，开始向注塑模具中注入高压气体，直到注塑模具内的压力达到反压压力，开始向注塑模具中注射熔体。反压压力作用时间到达后，就快速的卸除注塑模具和管路中的高压气体。通过反压压力的控制，实现熔体注射过程中发泡的全面和有效的抑制，可以显著提升微孔发泡注塑产品的表面质量和内部泡孔结构。

现有的控制方法，通过抽真空或者对模具型腔进行加压，但是由于控制过程和控制机制的差异，现有的控制方法无法控制内部的泡孔结构，只能压制熔体流动前锋处的泡孔破裂行为。本发明的反压压力的注入时间点，还有注射熔体的过程中一直保持和控制反压压力的值，使整个注射的过程中一直处于高压反压压力的状态下，所以有助于熔体压力达到或适当高于其中气体发泡剂的饱和压力水平，实现对微孔注塑熔体填充过程中发泡的全面有效抑制。

相比于现有的控制方法，本发明的控制方法，注入的时间和具体的操作都具有很大的区别，本发明目的在于调控内部泡孔结构。

在本发明的一些实施方式中，利用低压气体辅助气路调整低压气体压力。

在本发明的一些实施方式中，低压气体的压力为0～0.7MPa；优选为0.3～0.6MPa。

在本发明的一些实施方式中，反压压力为15～25MPa。现有技术中利用型腔反压气体压力较低，所以现有技术中利用较低的型腔反压的方法仅在消除熔体流动前锋处的泡孔破裂行为、改善产品表面质量方面有明显效果，但却无法克制填充阶段熔体内部的泡孔形核、长大以及变形与合并等行为。

熔体压力范围的控制达到或适当高于其中气体发泡剂的饱和压力水平，实现对微孔注塑熔体填充过程中发泡的全面有效抑制。

在本发明的一些实施方式中，反压作用时间为熔体填充时间+0～2s，即反压作用时间等于注射熔体的时间或比注射熔体时间多2s。反压时间伴随熔体注射的整个过程中或者在熔体注射完成后多加2s，能够更好的抑制微孔注塑熔体的填充过程中发泡，提升产品内外泡孔结构质量。

在本发明的一些实施方式中，高压气控调压阀的输出压力范围为0～30MPa、优选为15～25MPa，所述可调泄压阀的工作压力范围为0～30MPa、优选为15～25MPa。

在本发明的一些实施方式中，第一高压电磁阀、第二高压电磁阀的压力范围为0～35MPa，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器的压力范围为0～35MPa。

第二方面，一种模具型腔高压气体控制系统，包括高压气体主控制气路、低压气体辅助气路、控制系统、注塑模具，高压气体主控制气路包括高压气控调压阀、高压电磁阀，低压气体辅助气路与高压气控调压阀连接，高压气控调压阀与高压电磁阀连接，高压电磁阀与注塑模具连接，控制系统与高压气体主控制气路、注塑模具、低压气体辅助气路连接。

本发明提出的模具型腔高压气体控制系统，利用反压技术在熔体注射前建立一个反向的填充压力空间，可以显著减少微孔注塑熔体填充过程中的不利发泡行为。

本发明增大型腔反压气体的压力，使其达到与熔体中气体发泡剂的饱和压力相当的水平，则可以实现对熔体填充过程中发泡的有效抑制，使熔体在填充阶段保持未发泡的均相溶液状态，这对于全面调控微孔发泡注塑熔体的发泡过程以及进一步结合开合模等技术成型具有大发泡倍率和良好泡孔结构的微孔发泡注塑制品具有重要意义。

通过控制系统协同准确控制输出压力和开合动作，并基于与注塑机控制系统和模具型腔压力的良好通讯和检测，完成模具型腔高压气体的快速注入、压力保持和快速卸除，实现对熔体填充过程中发泡的全面和有效抑制，可进一步结合开合模等技术显著提升微孔发泡注塑产品的表面质量和内部泡孔结构。

在本发明的一些实施方式中，高压气体主控制气路还包括第一压力传感器、第二压力传感器，分别设置在高压气控调压阀的前后管路上。高压气控调压阀的作用是调节高压气源的压力，通过第一压力传感器、第二压力传感器来显示调控前后的压力。

在本发明的一些实施方式中，高压电磁阀设置两个，分别为第一高压电磁阀、第二高压电磁阀，串联连接。两个高压电磁阀共同进行高压气体的流量的控制或通断的控制。

在本发明的一些实施方式中，还包括第三压力传感器，第三压力传感器与注塑模具的内侧连接。第三压力传感器用于感知注塑模具内的压力情况。然后反馈给控制系统，以便于注射熔体过程中通过可调高压泄压阀控制压力和注入高压气体的过程中空气注塑模具内的气体到达设定的反压压力值。

在本发明的一些实施方式中，还包括可调高压泄压阀，可调高压泄压阀设置在注塑模具的入口处。可调高压泄压阀可以实时的调整注塑模具内的压力，保持填充过程反压的稳定。

在本发明的一些实施方式中，高压气体主控制气路的端口与高压气源连接。

在本发明的一些实施方式中，高压气体主控制气路还包括高压针阀，高压针阀设置在高压气源与高压气控调压阀之间。

在本发明的一些实施方式中，低压气体辅助气路包括空气压缩机、低压电气比例阀，空气压缩机连接低压电气比例阀，低压电气比例阀与高压气控调压阀连接。

在本发明的一些实施方式中，低压气体辅助气路还包括串联的低压截止阀、低压调压阀、低压压力表，位于空气压缩机与高压气控调压阀之间，空气压缩机与低压截止阀连接，低压压力表位于低压调压阀与高压气控调压阀之间。

在本发明的一些实施方式中，控制系统包括PLC控制器、注塑机控制系统，注塑机控制系统与PLC控制器连接，PLC控制器与高压电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、低压调压阀连接。

PLC控制器还包括电脑端，可以直接看到工艺参数和运行情况等，还可以下达指令等。

相比于现有的控制系统，本发明的控制系统，实现了高压反压气体的压力控制，进而精确调控熔体注射过程中的压力，通过控制反压压力和作用时间，有效抑制和避免熔体填充过程中发泡，实现更好的产品表面和内部泡孔均匀性。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

(1)所述模具型腔高压气体控制系统的反压压力控制范围明显提升，达到或适当高于熔体中气体发泡剂的饱和压力，实现对微孔注塑熔体填充过程中发泡的全面有效抑制；

(2)所述模具型腔高压气体控制系统通过计算机与PLC控制器的协同准确控制以及与注塑机控制系统的良好信号通讯，完成模具型腔高压气体的快速注入、压力保持和快速卸除，控制精度高、稳定性好；

(3)所述模具型腔高压气体控制方法简单可靠，具有普适性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中所述用于抑制微孔注塑熔体填充过程中发泡的模具型腔高压气体控制系统组成示意图。

图2-3分别为本发明实施例2、实施例3中所述用于抑制微孔注塑熔体填充过程中发泡的模具型腔高压气体控制方法应用于微孔发泡注塑工艺的实际发泡效果图。

其中，图2代表熔体填充过程中的流动前锋表面，图3代表熔体填充过程中的内部断面。

其中，1、高压气源，2、高压针阀，3、第一压力传感器，4、高压气控调压阀，5、第二压力传感器，6、第一高压电磁阀，7、消音器，8、第二高压电磁阀，9、第三压力传感器，10、可调高压泄压阀，11、空气压缩机，12、低压截止阀，13、低压调压阀，14、低压压力表，15、低压电气比例阀，16、计算机，17、PLC控制器，18、注塑机控制系统，19、注塑模具。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

一种用于抑制微孔注塑熔体填充过程中发泡的模具型腔高压气体控制系统，参考图1，包括：高压气源1，高压针阀2，第一压力传感器3，高压气控调压阀4，第二压力传感器5，第一高压电磁阀6，消音器7，第二高压电磁阀8，第三压力传感器9，可调高压泄压阀10，空气压缩机11，低压截止阀12，低压调压阀13，低压压力表14，低压电气比例阀15，计算机16，PLC控制器17，注塑机控制系统18，注塑模具19。

其中，所述高压气源1、高压针阀2、、高压气控调压阀4、第一高压电磁阀6、消音器7、第二高压电磁阀8、可调高压泄压阀10连接组成高压气体主控制气路，第一压力传感器3置于高压针阀2和高压气控调压阀4之间，第二压力传感器5置于高压气控调压阀4和第一高压电磁阀6之间，第三型腔压力传感器9置于注塑模具19入口端；

所述空气压缩机11、低压截止阀12、低压调压阀13、低压电气比例阀15连接组成低压辅助气路，低压压力表14置于低压调压阀13和低压电气比例阀15之间；

所述第一压力传感器3、第二压力传感器5、第一高压电磁阀6、第二高压电磁阀8、第三压力传感器9、低压电气比例阀15和注塑机控制系统18通过线路与PLC控制器17连接，PLC控制器17通过线路与计算机16连接组成控制系统；

所述高压气体主控制气路中各组成元件用高压不锈钢管连接，所述低压气体辅助气路用塑料管连接。

实施例2

利用实施例1所述的系统抑制微孔注塑熔体填充过程中发泡的模具型腔高压气体控制方法，包括如下步骤：

(1)微孔发泡注塑工艺开始前，启动空气压缩机11，打开低压气体截止阀12，通过低压调压阀13调整低压气体压力到合适范围；打开高压针阀2，接通高压气控调压阀4的入口气路；

启动计算机16和PLC控制器17，根据工艺需要，在计算机16界面设定型腔反压压力大小和作用时间；PLC控制器17根据设定的反压压力，输出电子信号至低压电气比例阀15，调整低压电气比例阀15的输出压力，进而调控高压气控调压阀4的输出压力达到设定的反压压力大小；

调整可调泄压阀10泄压压力为设定的反压压力；

(2)PLC控制器17和计算机16组成的控制系统接收到注塑机控制系统18的合模完成信号后，输出电子信号开启第一高压电磁阀6，高压气路接通注塑模具19型腔，进行高压气体注入；当第三压力传感器9监测的压力达到设定反压压力时，控制系统输出信号关闭第一高压电磁阀6，型腔高压气体的注入完成，并输出信号至注塑机控制系统18，允许开始注射；

(3)注塑机控制系统18收到允许开始注射信号后，注射熔体进入注塑模具19型腔，随着熔体的注塑填充，模具型腔内反压气体受压缩而压力升高，升高压力的气体通过可调高压泄压阀10排出型腔，保持填充过程反压的稳定，直到到达设定的反压作用时间；

(4)反压作用时间到达后，控制系统输出信号开启第二高压电磁阀8，将残余在型腔以及管路内的高压气体排出，完成反压的快速卸除，并等待下一个注塑循环开启。

其中，所述低压电气比例阀13的输出压力范围为0～0.7MPa、优选为0.3～0.6MPa，所述高压气控调压阀4的输出压力范围为0～30MPa、优选为15～25MPa，所述可调泄压阀10的工作压力范围为0～30MPa、优选为15～25MPa；所述型腔反压压力大小优选为15～25MPa，所述反压作用时间优选为熔体填充时间+0～2s；所述第一高压电磁阀6、第二高压电磁阀8的压力范围为0～35MPa，所述第一压力传感器3、第二压力传感器5、第三压力传感器9的压力范围为0～35MPa。

实施例3

利用实施例1的装置，按照实施例2的方法进行控制过程，进行了高压型腔反压辅助聚合物微孔发泡注塑材料产品的制备，其中：所用聚合物原料为通用聚苯乙烯聚丙烯(GPPS)，产品重量为90g，所用发泡剂为超临界氮气、注射量为0.5％(重量百分比)，融胶转速为140rpm，融胶背压为18MPa，注射速度为50mm/s，模具温度为90℃，冷却时间为30s。

为检查实施例1和实施例2中所述模具型腔高压气体控制系统和控制方法对微孔注塑熔体填充过程中发泡的抑制效果，本实施例采用短射形式，短射熔体填充模具型腔的50％，设定型腔反压压力20MPa；需要特别指出的是，此处为考察熔体填充过程中的发泡情况，设定反压作用时间30s，即熔体在反压的持续作用下冷却定型，所得制品的内外发泡状态即代表熔体填充过程中的发泡状态。

对实施例3中所得制品熔体流动前锋处内外泡孔结构进行观测，结果如图2-3所示。可以发现：制品流动流动前锋表面光滑，没有泡孔破裂行为产生，对应制品内部断面致密，没有泡孔形核、长大、变形等发泡行为出现，表明所述模具型腔高压气体控制系统和控制方法对微孔注塑熔体的填充过程中发泡实现了全面和有效抑制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模具型腔高压气体控制方法，其特征在于：具体步骤为：

控制系统通过型腔反压压力大小和作用时间，进而调控高压气控调压阀的输出压力；

调整型腔的泄压压力为反压压力；

注塑合模完成后，开始向注塑模具中注入高压气体，当注塑模具内压力达到反压压力时，高压气体注入完成，注塑模具开始注射熔体；

在注射熔体的过程中，调整注塑模具内保持反压压力；

当到达反压压力的作用时间后，将残余在注塑模具及管路内的高压气体排出，完成反压的卸除。

2.如权利要求1所述的模具型腔高压气体控制方法，其特征在于：利用低压气体辅助气路调整低压气体压力；

或，低压气体的压力为0～0.7MPa；优选为0.3～0.6MPa。

3.如权利要求1所述的模具型腔高压气体控制方法，其特征在于：反压压力为15～25MPa；

或，反压作用时间为熔体填充时间+0～2s。

4.一种模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：包括高压气体主控制气路、低压气体辅助气路、控制系统、注塑模具，高压气体主控制气路包括高压气控调压阀、高压电磁阀，低压气体辅助气路与高压气控调压阀连接，高压气控调压阀与高压电磁阀连接，高压电磁阀与注塑模具连接，控制系统与高压气体主控制气路、注塑模具、低压气体辅助气路连接。

5.如权利要求4所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：高压气体主控制气路还包括第一压力传感器、第二压力传感器，分别设置在高压气控调压阀的前后管路上；

或，高压电磁阀设置两个，分别为第一高压电磁阀、第二高压电磁阀，串联连接；

或，还包括第三压力传感器，第三压力传感器与注塑模具的内侧连接。

6.如权利要求4所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：还包括可调高压泄压阀，可调高压泄压阀设置在注塑模具的入口处；

或，高压气体主控制气路的端口与高压气源连接。

7.如权利要求4所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：高压气体主控制气路还包括高压针阀，高压针阀设置在高压气源与高压气控调压阀之间。

8.如权利要求4所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：低压气体辅助气路包括空气压缩机、低压电气比例阀，空气压缩机连接低压电气比例阀，低压电气比例阀与高压气控调压阀连接。

9.如权利要求8所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：压气体辅助气路还包括串联的低压截止阀、低压调压阀、低压压力表，位于空气压缩机与高压气控调压阀之间，空气压缩机与低压截止阀连接，低压压力表位于低压调压阀与高压气控调压阀之间。

10.如权利要求4-6或8所述的模具型腔高压气体控制系统，其特征在于：控制系统包括PLC控制器、注塑机控制系统，注塑机控制系统与PLC控制器连接，PLC控制器与高压电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、低压调压阀连接。

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