注射机第六章.docx

注射机第六章.docx

《注射机第六章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《注射机第六章.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

注射机第六章

第六章注射成型机的控制

注射机的控制系统是保证注射机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间等）和动作程序，准确有效地工作的控制系统。

虽然目前注射机的发展主要集中在

⑴提高制品尺寸精度和稳定性；

⑵提高速度、缩短成型周期；

⑶生产过程的自动化和省力。

但实现这些目的的手段，都离开不了以电子计算技术为基础的自控技术，因此，注射机的控制成为目前注射机发展中一个很重要的内容。

过程程序控制

注射机的控制可分为注射机动作过程控制（如开闭模、注射、保压等等）及其（如注射过程的速度和压力的过程控制等两个方面。

第一节注射成型机动作过程控制

注射机动作过程的程序是指机器在成型周期中各动作的先后次序。

由于注射机的用途不同和结构上差异，因此在动作程序上是有区别的。

如排气，热固性塑料等专用机与普通型注射机，肘杆式与液压式，螺杆式与柱塞式，它们之间的动作程序都有差别。

现主要讨论最常见的普通型螺杆式注射机动作程度及其操纵方式。

一、注射成型机的动作程序

注射机动作过程的程序编排，可按预速加料的先后次序分加料退回、退回加料、固定加料三种（图2-6-1）。

图2-6-1注射机动作程序

⑴固定加料：

时值机器在各次工作循环中，喷嘴始终同模具相接触，也就是在加工过程中喷嘴没有后撇或前移的动作。

这种方式比较适用于加工温度范围较宽的一般性塑料（如软聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS等），其特点可缩短循环周期，提高机器生产率。

⑵加料退回（前加料）：

是指在每次工作循环中，注射部件的喷嘴都需作一次撤离模具的动作。

但喷嘴退回的动作必须是在每次螺杆预塑后进行，故称之为加料退回。

这种程序主要用在使用开式喷嘴或需要用较高的背压进行预塑的场合，因为它可以减少喷嘴的“垂涎”现象．

⑶退回加料（后加料）：

如每次工作循环中螺杆塑化计量是在喷嘴退回之后进行，即称之为退回加料；因为这种程序安排，可使喷嘴同温度较低的冷模具接触时间为最短，所以适于加工温度范围较窄的结晶型塑料的加工。

二、注射成型机的操纵方式

目前注射机常用的操纵方式有调整、手动、半自动、自动四种。

⑴调整：

是指机器所有动作，皆须在揿下相应按钮的情况下并以慢速进行。

放开按钮动作即行停止，故又称之为点动。

这种操纵方式适合于装拆模具、螺杆和检修调整机器时用。

⑵手动：

是指机器所有动作，只须揿动按钮就能按照调定的速度和压力将相应的动作进行到底。

这种操纵方式多数用在试模和生产开始阶段，或组织自动生产有困难的一些制品上。

⑶半自动：

是指每个成型周期仅须把机器的安全门关闭后，工艺过程的各个动作就按照预定的程序自动进行，直至一个成型周期进行完毕为止。

此操作主要用于组织全自动化生产尚不具备条件的一些制品加工上，例如必须由人工取出制品或放人嵌件的生产过程。

这也是机器经常所采用的操纵方式。

⑷全自动：

是指机器的动作程序，全部由电器控制，自动地周而复始地进行。

这种操纵可以减轻人工劳动，是实现一人多机或全车间机台集中管理，进行自动化生产的必备条件．

实现上述注射机动作程序的控制是比较容易的，这在“电工学”继电接触控制线路中已有详细的讨论，这里从简．目前发展主要是在实现注射过程的控制。

第二节注射成型过程控制与制品质量的关系

实现过程控制的主要目的是提高制品质量，使机器的效能得到最大限度的发挥。

由于注射工艺过程比其它成型工艺要复杂，因此至今尚未找到一个能描述全过程的数学模型，操作水平在很大程度上还依赖于实践的经验。

一、影响制品质量的因素

表示制品质量的内容是多方面的，如制品的尺寸精度、物理机械性能、外观色调等等。

而目前可以直接进行控制的只有制品重量与尺寸精度。

可是其中制品尺寸精度还是通过控制塑料在加工时的比容（即收缩）来实现的，所以实际上只有制品的重量（即制品的比容）可以进行直接控制．

从图2-6-2可知，对制品质量的影响因素很多，但归结起来不外乎有加工用的塑料性能、模具、注射机、外部其它条件等。

在某一个特定加工条件下，为保证获得较好质量的制品，只有通过控制注射机工艺条件来实现，因为其它条件经常是不可选的。

图2-6-3所示为塑料在注射时压力（p）、比容（V）和温度（T）的变化曲线（亦称p-V-T三因素图）。

图中1为塑化后的熔料状态，1~2为充模过程，2~3为熔料压缩与升压过程，3~4为保压与制品冷却过程，5取出制品。

由p-V-T图可知，若要得到符合重量或尺寸精度要求的制品，必须做到对上述过程中的塑料状态保持恒定，对有关参数（压力、温度、速度、时间等）进行严格地控制。

即保证在塑化时提供数量一定、温度均匀的熔料；充模时有适合模腔特点的稳定流动状态；保压冷却时有合适和稳定的状态条件，那么所得到的制品性能必将是稳定和优质。

图2-6-2影响制品质量的诸因素

图2-6-3聚苯乙烯P-V-T曲线

二、过程参数与制品质量关系

注射成型过程中的不同阶段，对质量的影响参数是不同的。

根据上述，可将全过程分为三个主要阶段进行讨论。

（一）均质塑化的控制

塑料均匀化程度，目前主要用温度来度量。

对于螺杆式注射机，因塑化时螺杆的后退而形成的轴向温差远比径向温差大，所以塑料均化问题，突出表现在缩小或消除塑化后熔料的轴向温差。

为减小熔料轴向温差，目前除对螺杆结构进行改进，采用各种新型螺杆之外，还可以通过对塑化过程的有关参数进行程序化设计得到解决。

根据背压与熔料温度的关系，可将背压在塑化时设计成如图2-6-4所示的程序。

即背压随实际熔料温度的改变而改变，以此补偿塑料在塑化时，因螺杆有效长度的缩短而引起的轴向温差。

背压的设定程序，应根据加工塑料在料筒内实际形成轴向温差（图2-6-4a）和了解背压对加工塑料温度的影响关系（图2-6-4b）来定（图2-6-4c）。

高背压可使熔料获得强剪切，低转速也会使塑料在螺杆内得到较长的塑化时间。

因此，目前较多使用了图2-6-5所示的对背压和螺杆转速同时进行程序设计的控制。

图2-6-5设计

的最后程序（A）是在低背压、低转速下进行塑化。

这样使螺杆前部熔料的压力得到大部分的释放，减少螺杆转动惯量，从而提高了螺杆计量的精确程度。

（二）注射充模过程的控制

如果熔料状态一定，其充模时流动状态主要取决于注射速度。

注射速度高，可以缩短充模时间。

因此，充模后的熔料密度均匀、温差小，熔料压力传递性好，制品内应力小，对多型腔模具引起各种制品间的尺寸误差比较小。

对于加工温度范围窄，粘度高的工程塑料，或成型大型薄壁、精密制品，高速注射更是一个不可缺少的条件。

因此，目前高速注射得到普遍重视，但高速注射也容易引起下列问题：

⑴由充模转为保压过程的位置不易稳定，容易形成不必要的过量充模（过压现象），制品易产生飞边和毛刺；

⑵在浇口和模腔内流道急剧变化处，易形成不规则流动，从而使制品表面形成各种流疵；

⑶卷入气体，引起制品表面的烧伤。

因此，熔料流经易于发生上述现象的地方，需减慢速度，实现对注射速度过程控制（图2-6-6）。

图2-6-6所示的熔料流经浇口（b）和充模结束阶段（d）均减慢了注射速度。

采用注射速度过程控制引起的实际效果，可见表2-6-1。

表2-6-1注射速度过程控制实效举例

在注射充模时熔料的流动，可近似用在恒温条件下，牛顿型液体在管内流动公式来表示

（2-6-1）

式中

——管内体积流量

——树脂粘度

△

——压力降

——管半径

——管长度

如模具给定，可将上式前两项同模具和浇道的几何尺寸关系有关的常数A表示，则上式可改写成

（2-6-2）

因热塑性塑料不表现牛顿型流动，故式中的粘度取决于随体积流量而改变的剪切速率（

）。

部分塑料的粘度，在温度不高于玻璃化温度100℃时，与温度的关系可用威廉姆斯-蓝德尔-费里（Williams-Landel-Ferry）方程式近似表示

（2-6-3）

式中

——剪切速率

→0时的塑料粘度（Pa·S）

——塑料玻璃化温度（°K）

——熔料温度（

<

）（°K）

式（2-6-2）表明，如果在一定的温度条件下，体积流量和压力降恒定，则粘度也是恒定的。

式2-6-3又表明若要保持一个恒定的粘度，温度必须恒定。

也就是说在既定的剪切速度下，温度是粘度的精确指标。

反之，通过调整体积流量（即注射速度）或温度，就可改变熔料的粘度。

如在每次注射充模中，熔料在相同的体积流量Q、压力降

、温度

下进行加工，那么熔料就能以相同的特征而流动，而所得的制品性能也将是很稳定的。

不过这个结论是以分子量和分子量分布不改变为前提。

如有变化，则需要事前测出塑料粘度偏差，给予自动校正。

（三）保压过程的控制

在充模结束后，为使模腔内的熔料不倒流，在浇口固化前，对熔料还需保持一定压力，即保压压力。

理论上讲，此压力保持到浇口刚封闭（冻结）时为好。

过早卸压将会引起模腔内塑料的倒流，从而产生缩孔，中空等缺陷；而保压过长又将会因浇口已固化再进行充填，使浇口周围形成应力。

因此，对保压压力和时间的设定是很重要的。

在一般条件下，即使精细的设定也还避免不了保压初期熔料倒流，随后因收缩而再充填，在浇口附近发生类似上述的缺陷。

为此而希望对保压压力的设定，可进行程序化设计。

如能实现如图2-6-7所示三段程序，也能获得消除残余应力的显着效果。

熔料在保压阶段的具体状态，可用模塑条件的状态方程表示

（2-6-4）

式中

——熔料上的压力（

）

——熔料的比容（

）

——气体常数（

）

——温度（K）

——塑料分子中结构单元的分子量（查表2-6-2）

a——考虑分子间相互吸引力的校正项（查表2-6-2）

b——考虑分子体积的校正项（查表2-6-2）

式（2-6-4）表示了模制品的比容取决于保压阶段浇口闭封时的熔料压力和温度。

如每次成型从保压切换至制品冷却阶段的条件（压力和温度）一致，那么制品的比容就不会发生改变。

在恒定的模塑温度下，决定制品尺寸的最重要参数则是保压压力。

影响制品尺寸公差的最重要变量是保压压力和温度．因此，在保压过程中实现稳定的压力变化过程和恒定的模具温度，是保证取得高精度制品的重要条件。

从图2-6-3P-V-T三因素图可知，如保压冷却过程要按最佳模内压力曲线（等比容）进行，则需按制品的实际冷却速度，对保压压力进行连续的调解。

为此，目前广泛采用通过模腔压力或温度的测定，反馈控制保压切换以及保压过程的压力程序（图2-6-8）。

采用保压过程控制的实际效果，可见表2-6-3。

第三节实现过程控制的方式

一个最简单的过程控制的构成，一般由检测仪表、调节器、执行机构等组成（图2-6-9）。

显然，若要实现过程控制，首先要解决检测仪表。

对于温度和压力等物理量的测量是易于实现的，但目前尚无合适的仪表直接量读塑料的粘度，只是根据式（2-6-2）、（2-6-3），用测量熔料温度或通过测量注射时的体积流量Q和压力

的方法，间接测定粘度。

根据对过程参数影响的各原始因素，如料筒加热温度、模具温度、螺杆转速和背压、注射和保压时的压力和注射速度（工作油的压力与流量），注射计量，螺杆行程位置与时间、合模力等来考虑调节器和执行组件。

根据对过程实现控制的基本原理，可分为开式和闭式（反馈）控制系统两大类。

图2-6-9控制系统构成

一、开式控制

这类控制如图2-6-10所示，它是一种按预先设定的成型条件，用开路（即无反馈信号）控制机器动作的控制系统。

如今在注射机上广为使用的是附有工艺过程监视的开式控制系统，如有关工艺参数离开设定的条件，它能自动报警，向操作者报告异常，操作人员可立即采取对策。

图2-6-10开式控制

二、闭式控制（反馈控制）

为了得到良好的成型制品，用能够自动修正过程参数的回路，将成型条件保持在设定的范围内的控制方式统称之闭式控制，也称反馈控制，如由2-6-11所示。

对于在多参数可变的条件下，能自选最佳控制条件的系统也称之为自适应控制。

图2-6-11闭式控制

在注射成型机上使用闭式控制的最终目的；一是为了将成型制品的质量经常保持在一定的范围内；其次易在制品质量符合要求的前提下，需将机器迅速调整到最高成型效率状况下工作。

用来表示制品质量的终端信号（反馈信号），目前还只能用测重法。

但就目前用测重法实现终端自适应控制而言，在技术上还存在许多问题。

所以现在绝大多数机器是用选择在成型过程中最容易表现制品质量的工艺条件作为反馈信号，用它代替监视制品的质量并实行闭式控制。

对塑化、注射充模、保压与制品冷却过程中的重要参数有：

压力（注射压力、保压压力、螺杆背压）、速度（螺杆注射速度与转速）、温度（塑料温度、模具温度）、时间等。

（一）熔料粘度的控制系统

图2-6-12所示系统是通过检测注射活塞速度来测量熔料粘度的控制系统。

测量值如与设定值不符，就可判断熔料的粘度发生了变化。

并通过修正料筒温度来保持设定值。

该系统是用改变温度来修正粘度的方法，看起来似乎比较确切，但修正的效果反映慢。

根据熔料粘度与压力和速度的关系式（2-6-2），可设计成如图2-6-13所示的用改变注射速度（或螺杆转速与背压）的方法修正熔料粘度的控制系统。

图2-6-12温度修正的粘度控制系统图2-6-13注射速度修正的粘度控制系统

（二）充模压力与速度的控制系统

熔料在充模过程中的压力与速度对制品质量影响较大。

充模压力的控制主要有压力过程控制和注射压力与保压压力的转换。

图2-6-14所示是用模腔压力作为反馈信号并由比例电磁阀实现的压力控制系统。

关于压力点的转换，可用数字开关来设定。

图2-6-14压力控制系统

图2-6-15所示为注射速度过程控制，它是以螺杆注射时行程位置作为反馈信号，用比例电磁阀实现速度控制的系统。

图2-6-15注射速度过程控制

以上系统所用比例电磁阀与随动系统相比，虽结构简单，但时间滞后却比较大。

用压力传感器反馈模腔压力信号的系统，存在一个压力传感器的使用寿命和模具结构设计需要特殊考虑的问题。

熔料充模情况，除了直接检测模腔压力外，还可通过测定注射充模时的模具开启量（即模具的回弹量）得到间接反映。

因开启量对制品的重量有直接影响。

日本东芝机械的“INJECTMASTER”系统（图2-6-16）就是通过磁性检测器检测在注射充模过程中模具的开启量变化，并同设定数值加以比较，其差值信号转换成调整计量、保压切换、注射速度等信号，从而自动校正为合适的注射量和充模过程曲线。

因此，这种方法用于实现工业化生产控制，要比压力传感器方便和经济。

图2-6-16注射监测装置方框图

（二）防止外部干扰的系统

在注射成型自动化生产中如何维持合适的成型条件，保证成型条件的再现性是一个重要问题。

只有这样才能使自动化生产连续稳定地进行。

维持再现性其中一个重要内容是防止外部条件的变更，如室温和湿度、水温和水压、电源的电压等等。

目前防止外部干扰最常用的是进行温度控制，即对机器的工作油温度，模具温度，料筒等温度进行控制。

温度是塑料在预塑、充模、保压及冷却过程中的重要控制条件。

一般采用的对机筒与模具温度控制系统如图2-6-17所示。

在外部干扰的因素中，最难以解决的是由于树脂不均匀性而引起的熔融粘度的误差。

对于这个问题也只能通过在加工过程中，由于注射速度和压力的变化来断定，并给予自动修正。

以上各种检测控制系统，根据使用要求可单一使用或综合应用。

例如德国克劳斯-马菲公司（KRAUSS—MAFFl）PM控制系统（高效能控制系统）即是控制温度、压力、注射速度的系统。

通过温度（模具、工作油、熔料温度）的控制，制品重量误差下降到0.7%；如再经液体压

力的稳定控制，其误差可降到0.3%；再加上模腔压力对注射充模过程的控制，误差仅有0.15%。

又如CPI公司（CONTROLPROCESSINC）过程控制系统，对制品的尺寸精度，非结晶型塑料达到±0.0012mm／mm，结晶型可达±0.002mm／mm。

图2-6-18所示为日本制钢所N—PACS系统（微型电子计算机控制系统，可以做到四个反馈控制（保压调整、模压调整、自动计量调整、树脂温度调整）和四个过程过程控制（注射速度程控、保压程控、螺杆转速程控、背压程控）。

图2-6-18N—PACS控制系统

三、计算机控制的基本原理及应用

由图2-6-16可知，用计算机进行注射机的过程控制的原理是比较简单。

实现这种控制的第一步是要将注射成型过程中的压力，温度等模拟量译为计算机的语言，然后输入到计算机内同预先拟定的程序（设定值）对比，如超出允许的程序极限，计算机可发出警报，停机或采取校正故障的任何动作。

在反馈系统中，差值信号即转换成调整参数的调整信号，并由执行机构执行。

自1968年美国费洛斯公司（FELLOWS）首先展出注射机用计算机控制技术之后，日本东芝机械、德国亚琛研究所（IKV）和德马格公司（DEMAG）和美国NEWBRITAIN等10多个厂家相继提出自己的计算机控制系统。

但是这些系统当时大多数只是一些经验性或实验性的，而其中用于工业生产的只是少数，其原因主要是有若干问题尚须解决。

⑴若要实现最佳化的自适应控制，首先需要建立一个说明工艺全部内容的数学模型，至今编排这样的程序还是一个比较困难的问题。

就是对能够稳定产品质量的反馈控制和能够自动调整外干扰因素的自适应控制的程序编排也还没有完全解决；

⑵精确检测制品质量（外观、色彩、强度等）的检测器和精确控制检测值的方法还存在问题。

近年来产品质量的控制技术虽已取得相当大的进步，然而对于外形缺欠的控制技术，仍然存在某些问题；

注射机控制技术经过80年代的高速发展，至90年代，电脑控制技术已相当普及。

为提高注塑制品的质量，新近采用的建立在模糊理论基础上的统计过程控制（SPC）和连续过程控制（CPC）。

以及研制计算机辅助质量最优化程序（CAQ）。

实现注射机的群控是计算机应用的一个重要方面。

目前，用美国IBM公司的系统7和以控制模腔压力为主的管理系统，可进行编制日报、记录、测定成型条件、记录工作状况，用一台计算机可以直接控制42台注射机。

目前注射成型车间已开始使用CAM系统。

图2-6-19计算机控制原理

a-控制系统的构成b-计算机控制注射机的控制机能