劉剛 傅南紅 焦曉龍 竇希宇 許宇軒 謝鵬程
（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.海天塑機集團有限公司，浙江寧波315801）
摘要：注射成型過程中由于型腔壓力大于鎖模力而產(chǎn)生的脹?，F(xiàn)象對注塑制品質量具有顯著的影響?；谌妱尤逯鈼U式注塑機，系統(tǒng)研究了注射成型過程中的脹模特性和由脹模引起的鎖模力變化特性。結果表明，在肘桿式注塑機的脹模過程中，鎖模力變化量能夠反映脹模程度的大小，鎖模力最大增量與鎖模力變均可作為衡量注塑制品質量的指標。
關鍵詞：脹模特性；脹模量；鎖模力最大增量；鎖模力變
0前言
注射成型具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢，被廣泛應用于電子產(chǎn)品、日常生活用品、汽車、醫(yī)療設備、航空航天、光學鏡片、國防裝備等領域。在注塑周期中的充填結束至保壓過程中，動模與定模之間會有微小分離量，即脹模量［1］。脹模量與制品質量呈高度線性相關，可作為衡量制品質量的指標［2~5］。然而，脹模量的檢測通常需要在模具四周安裝線性位移傳感器，會對模具造成不可逆的損傷。如何通過非損傷的方式檢測脹模程度的大小進而衡量制品質量具有重要的意義。
注塑過程中發(fā)生的脹?，F(xiàn)象會引起鎖模力增加，鎖模力最大增量和脹模量是表征制品質量的2個指標［6］。本文基于全電動三板肘桿式注塑機，分別對注塑制品有無飛邊產(chǎn)生情況下的脹模過程特性以及由脹模引起的鎖模力變化特性進行了實驗研究。
1實驗部分
1.1 主要原料
聚丙烯（PP），1120，熔體流動速率為15g/10min，臺塑工業(yè)（寧波）有限公司。
1.2 主要設備及儀器
全電動注塑機，VE1500Ⅱ/430h，寧波長飛亞塑料機械制造有限公司；
鎖模力傳感器，QE1008，瑞士GefranSensormateAG公司；
LVDT線性位移傳感器，LCA2-V3，北京阿貝克傳感器技術有限公司；
型腔壓力傳感器，溫壓一體式傳感器6189A，瑞士KistlerInstrumenteAG公司；
數(shù)據(jù)采集卡，NI6212，美國國家儀器NI公司。
本次實驗采用的模具型腔結構及LVDT線性位移傳感器安裝位置如圖1所示，模具型腔及流道在分型面的投影面積為24757.8mm2。
1.3 實驗過程
實驗主要工藝參數(shù)見表1所示，由數(shù)據(jù)采集模塊同步采集鎖模力、型腔壓力、注射壓力、脹模量，采集周期自開始合模到冷卻結束開模完成為止，繪制各個參數(shù)隨時間變化的曲線圖。
從最高鎖模力開始，依次降低10t，至制品產(chǎn)生明顯飛邊缺陷停止，在每個鎖模力設定值下進行3次試模，采集對應3組注塑周期內鎖模力數(shù)據(jù)，并稱量記錄對應制品質量。
在制品產(chǎn)生飛邊時對應的鎖模力設定值下，同步采集注塑周期內鎖模力、型腔壓力、注射壓力、脹模量，繪制各個參數(shù)隨時間變化的曲線。
1.4 性能測試與結構表征
鎖模力測試：在注塑機拉桿安裝QE1008鎖模力傳感器，經(jīng)由放大器將模擬信號輸入至NI采集卡進行數(shù)據(jù)采集；
脹模量測試：在模具四周安裝LVDT線性位移傳感器，經(jīng)由放大器將模擬信號輸入至NI采集卡進行數(shù)據(jù)采集；
型腔壓力測試：在模具內部安裝Kistler溫壓一體式傳感器，經(jīng)由放大器將模擬信號輸入至NI采集卡進行數(shù)據(jù)采集。
2結果與討論
圖2為注射成型過程脹模特性涉及的相關變量示意圖。其中，在鎖模狀態(tài)下，合模單元中曲肘連桿伸直，處于自鎖狀態(tài)，因此將曲肘連桿簡化為一根受壓的彈性桿。圖3（a）為制品無飛邊情況下的脹模特性曲線，圖3（b）為制品產(chǎn)生飛邊缺陷情況下的脹模特性曲線，圖3（a）和3（b）分別在鎖模力設定值為70t與30t的條件下進行，其他工藝參數(shù)均相同。脹模特性曲線指一個注射成型周期內從開始合模至頂出制品過程中的鎖模力、脹模量、脹模力以及注射壓力隨時間變化的曲線。其中，脹模力等于模具型腔及流道在分型面上的投影面積與型腔壓力的乘積；脹模量是指充填過程中模具型腔尺寸軸向變化量，該變化量與充填過程中模具分型面位置變化量相等；當脹模力大于鎖模力時，發(fā)生脹?，F(xiàn)象。
2. 1 脹模特性曲線
如圖3（a）所示，在制品無飛邊情況下，脹模發(fā)生于注射末端，結束于保壓過程中某一時刻。脹模力在保壓過程中達到峰值后隨著模具型腔內熔體的冷卻不斷降低，直至澆口封凍，脹模力降為零。在脹模過程中，鎖模力隨著脹模程度的增加而增大，型腔壓力最大時，脹模程度最大，鎖模力亦達到峰值；如圖3（b）在制品產(chǎn)生飛邊缺陷的情況下，脹模發(fā)生于注射末端，結束于冷卻階段中某一時刻。在脹模過程中，鎖模力伴隨著脹模程度的增加而顯著增大，同時，由于脹模力過大，模具分型面兩側產(chǎn)生間隙，型腔內熔體在保壓過程中溢出，形成制品飛邊缺陷，相比制品無飛邊產(chǎn)生的情況，此時由于模腔中被充入過多的熔體，熔體冷卻和澆口封凍需要的時間更久，保壓結束時澆口仍未封凍，導致保壓壓力撤去時，模具受到鎖模力瞬間擠壓作用，脹模力短暫上升，隨后型腔內熔體冷卻，脹模力逐漸降低變?yōu)榱?。若不改變其他工藝參?shù)，延長保壓時間直至澆口封凍，在保壓壓力撤去時，脹模力不會出現(xiàn)瞬間增大的現(xiàn)象。
2. 2 基于脹模特性的注塑制品質量衡量指標
在脹模過程中，脹模量與鎖模力的變化趨勢相同，鎖模力隨著脹模量的增加而增加。對于三板肘桿式合模單元，如圖2，拉桿兩端與定模板、后模板可視為剛性聯(lián)接，模具在鎖模力的作用下被軸向壓縮，發(fā)生脹模時，模具的壓縮量減小，動定模板之間的距離增加，而后模板與動模板之間由于曲肘連桿伸直，進入自鎖狀態(tài)，距離保持不變，從而在脹模過程中，拉桿隨著脹模量的增加而被拉伸，導致鎖模力增加，若忽略模板撓度變形，則拉桿伸長量等于脹模量。因此，鎖模力的變化量可以反映脹模程度的大小。
圖4（a）為制品無飛邊情況下的鎖模力隨時間變化的曲線，圖4（b）為制品產(chǎn)生飛邊情況下的鎖模力隨時間變化的曲線。與制品無飛邊的情況相比，制品產(chǎn)生飛邊時，在脹模過程中，鎖模力明顯增大，峰值出現(xiàn)在保壓階段中的某一時刻。將鎖模力峰值與注射充填前的鎖模力值之差稱為鎖模力最大增量；達到峰值后，隨著模具型腔內熔體逐漸冷卻，型腔壓力降低，脹模程度減小，在冷卻階段趨于定值，將冷卻末端鎖模力值與注射充填前的鎖模力值之差稱為鎖模力變，如圖4所示，鎖模力變的大小反映了注射充填前后模具型腔容積的變化程度，間接體現(xiàn)了進入型腔的熔體質量。與制品無飛邊情況相比，制品產(chǎn)生飛邊時冷卻末端鎖模力明顯大于注射充填前鎖模力值，這是由于過多的熔體被充入模腔，使得冷卻末端制品體積遠大于充填前的型腔容積，相比于注射充填前，冷卻末端模具軸向壓縮量減小，模厚增加，導致拉桿被拉伸，鎖模力增大。
在制品無飛邊情況下，基于在不同鎖模力設定值下進行試模采集的鎖模力和對應制品質量數(shù)據(jù)，利用皮爾遜相關系數(shù)計算方法（式1），分別對鎖模力最大增量與制品質量、鎖模力變與制品質量的相關性進行計算，結果如表2所示。
由皮爾遜相關系數(shù)的取值范圍可知，當相關系數(shù)在0. 8~1. 0或-0. 8~-1. 0之間時，2個變量為極強線性相關。因此由表2計算結果可知，在制品無飛邊產(chǎn)生時，鎖模力最大增量、鎖模力變與制品質量呈極強線性相關，二者均可表征制品質量。圖5為不同鎖模力設定值下鎖模力最大增量、鎖模力變的制品質量曲線。
3 結論
（1）注射成型過程中，脹模發(fā)生于注射末端，在保壓過程中達到峰值后，隨著模具型腔內熔體冷卻，脹模程度逐漸減?。?nbsp;
（2）由脹模引起的鎖模力變化量能夠反映脹模程度的大??；在制品無飛邊的情況下，鎖模力最大增量與制品質量呈極強正線性相關，鎖模力變與制品質量呈極強負線性相關；鎖模力最大增量與鎖模力變均可作為衡量注塑制品質量的指標。
參考文獻：
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