自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机参数设定方法

摘要

本发明提供一种自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机，包括螺杆筒、设置于螺杆筒内的螺杆、设置于螺杆筒外的加热套，设置于螺杆筒一端的喷嘴，喷嘴径向上设置有通孔，通孔里设置有传感器，传感器与螺杆筒内的熔体接触，传感器和计算机信号连接。本发明也提供一种自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机的参数设定方法，这种方法不需要进行复杂的流变学分析和模腔几何形状的计算，只需在恒定的注射速度下测出喷嘴压力—时间曲线，找到跳变点的注射位置(时间)，即可得知熔体在充模期间流速改变的注射位置(时间)，也就得到了注射速度应该改变的注射位置(时间)，可减少试模次数，提高试模效率，节约材料，降低能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及注塑机，特别涉及一种自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机参数设定方法。

背景技术

注塑成型基本过程是将成型材料加热熔融成流动态(称为塑化态)，施以高压注射进模具，冷却而固化成型(对于热塑性树脂)，然后从模具中取出所需的成型制品。

生产优质的注塑制品所涉及工艺参数产生的因素很多，一般来说，当提出一件新制品的使用性能和其它有关要求后，首先应在经济合理和技术可行的原则下，选择最合适的原材料、生产工艺、设备和模具结构。在这些条件确定后，工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素。

传统塑料模具成形过程依据高分子塑料流变学理论方法提出有限元力学网格分析方法，用计算机对模具内塑料流动模拟出制品成形过程，把这个流变学方法得到的注射参数由人工通过键盘输入到注塑机，再由注塑机实现注射模具成形制品。现有技术中，注塑机设定注射参数方法是采用计算机辅助设计的三维结构算法实现参数设定，这种分级注射过程参数设定缺点是：由于注塑机实时控制过程中，不可能做大量数学运算，塑料注射模腔过程只能用计算机模拟仿真，把塑料模拟在模具内腔流动过程得出参数，输入到注塑机面板，这种方法结构复杂，算法复杂，把计算过程假设条件或者约束条件加进仿真器，得到的注射参数偏离实际值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种算法简单、结构简单、试模效率高的自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机参数设定方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机，包括螺杆筒、设置于螺杆筒内的螺杆、设置于螺杆筒外的加热套、设置于所述螺杆筒一端的喷嘴，其特征在于：所述喷嘴径向上设置有通孔，所述通孔里设置有传感器，所述传感器与螺杆筒内的熔体接触，所述传感器和计算机信号连接。

所述螺杆筒外的加热套上设置有传感器。

所述传感器为压力温度传感器。

上述的自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机的参数设定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：注塑机对模具进行注塑充模，由喷嘴处的传感器测得喷嘴处的压力-时间曲线，在整个充模阶段的压力-时间曲线上取N点，N为自然数，整个充模时间为t_f，确定出所述N点的压力P和时间值t，计算各点的斜率K_i；

步骤2：计算各点斜率变化率K_i′；

步骤3：设定i＝1，K_i＝K₁＝0；

步骤4：如果K_i′＞δ，所述δ为斜率变化门槛值，称第i点为分界点，该点应为注射行程上的分级点，记录该点的压力值P_k和时间值t_k，K＝K+1，到步骤5，否则，i＝i+1，返回到步骤4；

步骤5：如果所有点操作完，则到步骤6，否则i＝i+1，返回到步骤4；

步骤6：如果K大于由用户提供的最大分级数，则增大δ，返回到步骤4，否则到步骤7；

步骤7：把步骤1的压力-时间曲线转换成压力-行程曲线，把压力-行程曲线分为K段，分级点时间为步骤4的t_k，计算t_k所对应的螺杆行程上的分级注射位置L_k，以及分级注射位置L_k对应的熔体体积Q_k；

步骤8：由步骤4和步骤7求得的有序数字(L_k，P_k)确定各分级点，把各分级点连接成分段的直线来表示压力-行程曲线；

步骤9：输出各分级点的注射速度、注射位置和级数，结束。

上述步骤1的K_i的计算方法为

$>>>K>i>>=>>>>P>>i>+>1>>>->>P>i>>>>>t>>i>+>1>>>->>t>i>>>>,>>>i＝1，2，\Lambda N-1 (1)$

上述步骤2的各点斜率变化率K_i′的计算方法为

$>>>>K>i>>\prime >>=>|>>>>K>>i>+>1>>>->>K>i>>>T>>|>,>>>i＝1，2，\Lambda ，N-1 T为采样间隔(2)$

上述步骤7的分级注射位置L_k的计算方法为

$>>>L>k>>=>>t>k>>·>>L>>inj>.>>>/>>(>>>t>f>>T>>)>>=>T>\times >>>>t>k>>>L>>inj>.>>>>>t>f>>>,>>>L$_inj为螺杆的总行程                 (3)

所述熔体体积Q_k的计算方法为：

$>>>Q>k>>=>>>\pi >>D>2>>·>>L>k>>>4>>,>>>D为所述螺杆筒的内直径 (4)$

上述步骤1的N的取值范围在50～100之间。

上述T的取值范围在20～100ms之间。

上述步骤6的最大分级数根据工艺参数设定，取值范围在3～10之间。

本发明基于以下原理：

(1)注射速度的快慢，影响制品各方面的质量和试模效率。在实际注射过程中，注射速度一般是根据塑料性能、工艺条件、制品形状、壁厚和模具等情况来决定在“受机器控制的流动”的情况，充模流速符合如下关系式：

$>>g>=>>>(>>>P>r>>>xSt>+>>R>T>>t>>>)>>n>>->->->>(>5>)>>>>$

其中：g-熔体平均流动速度；P_r-施加于聚合物的压力；x-任意时刻的充模长度；S-单位长度的流动阻力；R_T-聚合物进入模具之前的流动总阻力；t-螺杆向前运动的时间；n-流变指数。

由(5)式可知，熔体的平均流动速度v不仅与施加于其上的压力P_r有关，而且还与充模长度x、流动阻力R和R_T、注射时间t及流变指数n等许多因素有关。在实际工程应用中，该式的应用受到很多条件的约束。

很明显，该式中的单位长度流动阻力R与模腔几何形状有关系，随着注射位移的变化，模腔的几何形状对熔体流动所产生的流动阻力会表现在压力-时间曲线上。本发明自动根据充模阶段喷嘴的压力-时间曲线确定出分级注射速度和注射位置，这些注射位置对同一模具是定值。

(2)上述的斜率变化门槛值δ是确定注射分级参数设定的重要参数，其选择受注塑机允许设定分级级数的约束，因此，δ的选取一般可以从小到大，直至满足机器的要求。故δ值的选取相当重要，应根据制品要求达到的精度和质量适当设定。其值越小，级数越多。

本发明的自动设定分级注射速度和注射位置的注塑机的设定方法不需要进行复杂的流变学分析和模腔几何形状的计算，只需在恒定的注射速度下测出喷嘴的压力-时间曲线，找到斜率变化点的注射位置，即可得知熔体在充模期间流速改变的注射位置，也就得到了注射速度应该改变的位置。

熔体在长圆管、矩形和扇形等不同流道中的压力降计算公式对长度变量求导可得到单位长度的流动阻力，如(6)式

$>>>>d>>(>\Delta >>P>L>>)>>>dl>>=>>>2>K>>R>>>>[>>>(>3>n>+>1>)>>>n\pi >>R>3>>>>]>>n>>>(sup>>g>1>nsup>>)>>->->->>(>6>a>)>>>>$

$>>>>d>>(>\Delta >>P>R>>)>>>dl>>=>>K>H>>>>[>>>(>2>n>+>1>)>>>2>n>>WH>2>>>>]>>n>>>(sup>>g>2>nsup>>)>>->->->>(>6>b>)>>>>$

$>>>>d>>(>\Delta >>P>S>>)>>>>dr>0>>>=>>K>H>>>>[>>>(>2>n>+>1>)>>>2>n>>\theta H>2>>>>]>>n>>>(sup>>g>3>nsup>sup>>r>o>>->n>sup>>)>>->->->>(>6>c>)>>>>$

由式(6)可见，喷嘴的压力—时间曲线对长度的导数与熔体体积流速g是一一对应的关系。可以写成(7)式的形式，

$>>>>d>>(>\Delta >>P>L>>)>>>dl>>=>>C>1>sup>>g>1>nsup>>->->->>(>7>a>)>>>>$

$>>>>d>>(>\Delta >>P>R>>)>>>dl>>=>>C>2>sup>>g>2>nsup>>->->->>(>7>b>)>>>>$

$>>>>d>>(>\Delta >>P>S>>)>>>>dr>0>>>=>>C>3>sup>>g>3>nsup>>->->->>(>7>c>)>>>>$

其中，

$>>>C>1>>=>>>2>K>>R>>>>[>>>(>3>n>+>1>)>>>n\pi >>R>3>>>>]>>n>>,>>C>2>>=>>K>H>>>>[>>>(>2>n>+>1>)>>>2>n>>WH>2>>>>]>>n>>,>>C>3>>=>>K>H>>>>[>>>(>2>n>+>1>)>>>2>n>>\theta H>2>>>>]>>n>sup>>r>o>>->n>sup>>->->->>(>8>)>>>>$

造成喷嘴压力曲线分段的原因是多方面的，在仿真及实验过程中，试模速度为一恒定值，即(6)式中g₁＝g₂＝g₃，显然，造成喷嘴压力沿长度方向上变化率不同的原因是C₁，C₂，C₃的不同，而由(8)式可见C₁、C₂、C₃是与模腔几何形状有关的定值。当模具设计完成材料选定之后，C₁、C₂、C₃就是只与温度有关的定值。为了在模腔中得到恒定的熔体流速，亦即使各分段部分沿流动充模长度方向的喷嘴压力对流动长度的变化相等，在模腔几何形状和各个工艺参数确定的情况下，(7)式中，只有熔体流速g是可以较方便修改的参数，即速度参数分级。为说明问题的简捷，假设模具相邻两段分别为长圆管和矩形，必须

$>>>C>1>sup>>g>1>nsup>>=>>C>2>sup>>g>2>nsup>>->->->>(>9>)>>>>$

进而得到

g₂＝Cg₁                           (10)

其中， $>>C>=>>>>C>1>>/>>C>2>>>n>>.>>>其它各种相邻两段的情况均可按上述方法确定其间的近似关系。(6)～(10)通过流变学知识计算得出了相邻两段简单几何单元注射速度之间的近似关系。这对于简单模具的分析是方便的，但当模腔较复杂时，这种分析变得无法进行。本发明将模腔几何形状视为一“黑箱”，从压力-时间曲线上得到几何特征，喷嘴的压力-时间曲线的性状与模腔几何形状之间有对应关系。$

由(6)～(8)可见，反映出体积流速g的大小，其间关系近似为线性关系，因此，可通过调整g来改变喷嘴压力曲线的形状，使充模期间的压力变化逼近理想充模曲线。算法如下：

步骤1：根据充模喷嘴的压力-时间曲线，由充模时间t_f获得充满模腔时刻的压力P_f，对应的螺杆行程L_f；

步骤2：计算压力对长度的等效斜率K_f＝P_f/L_f，等效的含义是充满同样体积熔体的简单模腔时，压力对长度的变化率；

步骤3：由上述设定方法得到的P_k，T_k，L_k，计算各段P_k要变化的量，对于第k各分级注射位置，变化量按下式计算

$>>\delta >>(>>>d>>(>\Delta >>P>k>>)>>>dL>>)>>=>>>d>>P>k>>>dL>>->>K>f>>->->->>(>11>)>>>>$

步骤4：第k段的分级速度值按(12)式计算

$>>>V>k>>=>>V>0>>->\delta >>(>>>d>>(>\Delta >>P>k>>)>>>dL>>)>>->->->>(>12>)>>>>$

步骤5：各段的熔体体积流速 $>>>g>k>>=>>1>4>>\pi >>D>2>>>V>k>>>>受剪切速率和剪切应力的限制，由(13)～(15)式计算$

①长L、半径R的圆筒

$>>>\tau >w>>=>K>>>[>>>>(>3>n>+>1>)>>g>>>n\pi >>R>3>>>>]>>n>>->->->>(>13>a>)>>>>$

$>>ver>>\gamma >·>>rep>>=>>>4>g>>>\pi R>3>>>->->->>(>13>b>)>>>>$

②长L、宽W、厚度2H的矩形薄片

$>>>\tau >w>>=>K>>>[>>>>(>2>n>+>1>)>>g>>>2>n>>WH>2>>>>]>>n>>->->->>(>14>a>)>>>>$

$>>ver>>\gamma >·>>rep>>=>>>3>g>>>>>2>WH>>2>>>->->->>(>14>b>)>>>>$

(3)内径R_i、外径R_o、角度θ的扇形薄片

$>>>\tau >w>>=>K>>>[>>>>(>2>n>+>1>)>>g>>>2>n\theta >>R>i>>>>H>2>>>>]>>n>>->->->>(>15>a>)>>>>$

$>>ver>>\gamma >·>>rep>>=>>>3>g>>>>2>\theta >>R>i>>H>>2>>>->->->>(>15>b>)>>>>$

步骤6：结束。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

喷嘴是连接螺杆筒与模腔的部件之一，此处熔体所受的压力是一个重要的参数。本发明通过对充模过程中喷嘴处压力的测量，由于喷嘴压力与模腔几何形状之间存在固有的内在关系，因此可以将模具腔视为一“黑箱”，在恒定的注射速度下测出喷嘴压力-时间曲线，找到跳变点的注射位置(时间)，即可得知熔体在充模期间流速改变的注射位置(时间)，也就得到了注射速度应该改变的注射位置(时间)。此方法避开测量熔体流速和对复杂几何形状的计算，为注射速度分级参数的自动设定提供了一个简单而实用的途径。

本发明比计算机辅助设计的三维结构算法有明显的优点：其一，可一次找出所有可能的注射分级点；其二，有具体量化的数据为依据，其三，减少试模次数，提高试模效率，节约材料，降低能耗。

附图说明

图1是本发明的一种注塑机的结构示意图。

图2是一种塑料制品的俯视图。

图3是图2的前视图。

图4-1～图4-4是注塑图2的一种塑料制品在不同条件下的喷嘴压力-时间曲线。

图5是另一种塑料制品的俯视图。

图6是图5的前视图。

图7-1～图7-4是注塑图5的另一种塑料制品在不同条件下的喷嘴压力-时间曲线。

图8是充模期间理想的喷嘴压力-时间曲线。

图9是自动设定分级注射速度和注射位置的算法流程。

图10和图11是分级参数的求解示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实验用注塑机：华大工业装备(香港)有限公司(WELLTECINDUSTRIAL EQUIPMENT LTD.)生产的TTI-120C型精密注塑机；

对于本发明所用WELLTEC TTI-120C型精密注塑机，注射分级数不大于10级。

传感器：KISTLER LTD.生产的压力温度传感器，4085A或者4090B分别在喷嘴处及螺杆筒上五处加装，如图1所示，KISTLER的这两种传感器可直接测量到熔体的压力和温度。

图1中，1为模腔，2为浇口，3为分流道，4为主流道，5为料斗，6为模具，7为浇注口，8为喷嘴，9为压力温度传感器，10为加热套，11为螺杆，12为螺杆筒。

模具形状：如图2、3，5、6所示，图5的塑料制品是在图2的塑料制品的中间开一长方体窗口，使得沿充模方向的横截面积有所改变。

实验用材料：图2和图5的塑料制品均采用PP(polypropylene-聚丙烯)。

表(1)、表(2)分别为主要过程参数和机器参数，实验过程中，改变对充模影响较大的几个参数：注射速度、保持压力和保压时间。

将充模过程中喷嘴处熔体的压力记录下来。不同过程参数条件下，充模期间喷嘴处压力对时间的曲线如图4-1～4-4、图7-1～7-4所示。图中，纵轴单位为KISTLER传感器测得的电压值，KISTLER4085A和4090B传感器之相应的压力换算如表(3)；横轴为时间，一个单位T对应50(ms)，即50毫秒采样一个数据。

表(1)主要过程参数

模具温度(℃)熔体温度(℃)充模时间(s)保持压力(bar)保压时间(s)冷却时间(s)34.52001.6改变3.515.8

表(2)主要机器参数

冷却液温度(℃)  喷嘴温度(℃)螺杆筒温度(℃)    注射速度(mm/s)螺杆转速(rpm)35  200195/190/185/180    改变150  保持压力  (bar)  保压时间  (s)  冷却时间  (s)  背压  (bar)  改变  改变  15.8  10

表(3)4085A及4090B压力温度传感器性能指标

  传感器  信号类型  测量范围  灵敏度 线性度  4085A5A2  压力  0-3000bar  3.33mV/bar ＜±1％，满刻度  4090B20A25A2  压力  0-2000bar  5mV/bar ＜±0.8％，满刻度

注塑图2的一种塑料制品，充模时的喷嘴的压力-时间曲线如图4-1～4-4所示，充模开始时，模具内没有物料，喷嘴处的压力主要反映出浇注口(Sprue)的入口效应，在注射油缸的推力下，压力迅速增加，在填充流道的过程中，压力增加缓慢(此与流动长度的增加有关)，较为平稳；之后，熔体通过内浇口(Gate)，图2塑料制品的模具的内浇口为片式浇口，此种浇口适合大面积扁平制品，减少变形，降低内应力，但费浇口料较多。内浇口使得沿充模方向上的横截面积突然改变(变小)，由于螺杆以恒定的注射速度进行注射，导致喷嘴处的压力再次迅速增加，直至充模过程完成，进入保压阶段。由图4-1～4-4的喷嘴压力-时间曲线可以看出两个明显的台阶。

图4-1～4-4可见，其曲线的性状是相同的，即都存在一个拐点和一个最大值，它们之间的区别在于拐点及最大值出现的注射位置和大小，而这一点取决于注塑工艺参数。例如，注射速度快，拐点出现的早，最大值大；保持压力大，最大值大等。

同理，对于注塑图5的另一种塑料制品的喷嘴压力-时间曲线，如图7-1～7-4，它们之间也有着相同的性状，即具有相同个数的拐点及最大值，不同之处也是其注射位置与数值大小的区别。分析其成因，同样是由于沿充模方向几何形状的改变而造成的。

图2和图5的塑料制品形状比较简单，可以从熔体经过浇口、流道(Runner)、内浇注口、模腔等的过程，应用流变学知识来分析其流动情况及喷嘴压力-时间曲线性状的成因。如果是形状复杂的制品，则分析过程将十分困难甚至无法进行。

我们将实验测到的图7-1～7-4的喷嘴压力-时间曲线理想化为图8。为了分析的简单明确，假设压力-时间曲线只有一次递升跳变，亦即类似于图4-1～4-4的情况。实验时我们采用的是恒定的注射速度而其它注射参数没有任何改变，由图8可见，在OA段、A’B段及B’之后，模腔对熔体的流动阻力是恒定的(但阻力的大小不同)；从A到A’和从B到B’产生喷嘴压力的跳变，说明模腔对熔体流动的阻力有跳变，随着流动长度的增加流动阻力将不断上升，但不会产生跳变，跳变的原因是什么？只能是与模腔的几何形状有关。

由于模具之不同，图4-1～4-4和图7-1～7-4显示的压力曲线性状明显不同，这也是本发明的主要结论之一，即模腔几何形状决定喷嘴压力-时间曲线的性状。拐点的注射位置(时间)，就是充模期间模腔对熔体流动阻力突然改变的注射位置(时间)，也是模腔几何形状突然改变的注射位置。在这些点，模腔对熔体充模流动的阻力有所跳变，从而导致熔体流速的突然改变，这种熔体流速的突然改变将导致制品缺陷的产生。假如在这些跳变点的注射位置采用不同的注射速度来适应其不同的阻力，我们将得到恒定的熔体流速。

这种方法不需要进行复杂的流变学分析和模腔几何形状的计算，只需在恒定的注射速度下测出喷嘴压力-时间曲线，找到跳变点的注射位置(时间)，即可得知熔体在充模期间流速改变的注射位置(时间)，也就得到了注射速度应该改变的注射位置(时间)。

图9是自动设定分级注射速度和注射位置的算法流程：

1、以额定注射压力的50％压力值和额定注射速度的50％注射速度值通过螺杆筒往模腔注射一个制品，记录喷嘴压力-时间曲线。在整个充模阶段的压力-时间曲线上取N点，N为自然数，整个充模时间为t_f，确定出所述N点的压力P和时间值t；

2、计算各点的斜率K_i，计算各点斜率变化率K_i′；

3、设定i＝1，K_i＝K₁＝0。如果K_i′＞δ，所述δ为斜率变化门槛值，称第i点为分界点，该点应为注射行程上的分级点，记录该点的压力值P_k和时间值t_k，K＝K+1，到步骤4，否则，i＝i+1，返回到步骤3；

4、如果所有点操作完，则到步骤5，否则i＝i+1，返回到步骤3；

5、如果K大于10，则增大δ，返回到步骤3，否则到步骤6；

6、输出结果。

图10和图11是分级参数的求解示意图。

把图9得到的压力-时间曲线转换成压力-行程曲线，把压力-行程曲线分为K段，图中K＝3，分为3段，分级点时间为图9步骤3的t_k，计算t_k所对应的螺杆行程上的分级注射位置L_k，以及分级注射位置L_k对应的熔体体积Q_k；由有序数字(L_k，P_k)确定各分级点(P_k由图9步骤3求得)，把各分级点连接成分段的直线来表示压力-行程曲线，如图10所示。根据注射功的能量相等原理，以P₀L₀、P₁L₁、P₂L₂、…P_fL_inj折线往模腔注塑一个制品时，得到一条线性直线的喷嘴压力曲线(如图10虚线所示)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。