基于模腔压力测量优化注塑过程电动工具

基于模腔压力测量优化注塑过程

基于模腔压力测量优化注塑过程 2011年12月02日 来源： 测量模腔压力传感器已被证明是快速优化注塑过程的唯一有效方式。近期大量的成功应用表明这项技术在节省成本和优化注塑过程方面仍然有很大的潜力。 基于模腔压力测量提高生产率，降低成本 提高生产率和降低成本是自动监控、优化注塑过程的主要目的。过去人们主要关注基于机器参数的过程控制，但近20年基于模腔压力的注塑控制系统被证明是确保生产过程高度一致性和优化质量的唯一方法。这种系统通过以下方式降低成本，提高生产率： 减少次品率 降低原料消耗 优化生产循环时间 防止模具损坏 缩短设备设置时间 减少能源成本 节省劳动力成本 为满足注塑生产对控制系统操作高度自动化，并且简便的基本要求，系统解决方案需要形成一个闭环，即感应模腔压力的石英传感器、智能化电子仪器、界面友好的用户软件、与注塑成型机通讯、自动优化设置参数。 传感器技术的革命 由于对注塑产品的质量要求不断提高，测量系统也需更加精确。即使在2000bar的压力下，也必须检测出很小的质量波动。市场上一般的传感器设计并不能提供满意的测量结果。瑞士奇石乐公司专为注塑控制研制的设计独特的传感器（图1），可以满足注塑过程应用的的要求。这些传感器工作寿命很长，高线性，频率范围宽（100KHz），并且对温度不敏感。

上述两种不同传感器的线性和迟滞，表明只有具有特殊石英晶片的奇石乐石英传感器适合注塑过程控制。奇石乐传感器的迟滞和线性误差分别都只有0.13%。而传统设计传感器的迟滞误差为±13%，线性误差为8.2%。 奇石乐用单线技术取代传感器电缆的双线技术，满足电缆长度因模具而异定制的要求。采用单线技术，模具制造商可以根据需要的长度剪断电缆。奇石乐为此专门开发的夹式插头，组装非常简便。单线技术电缆直径不到1mm，不仅易于操作，而且无需预紧，因此显著地减少了模具的制造成本。 减小传感器的尺寸也是这项应用技术研究的一个关键。近年模腔压力传感器前端直径的工业标准为2.5mm～4 mm。奇石乐已研制出前端直径为1 mm的压力传感器。由于传感器尺寸的减小，即使具有模腔个数很多的模具也可配备传感器。这一技术现在已用于微型零件的模腔压力测量。 基于模腔压力的注塑过程优化 模腔压力传感器成功地应用于： 优化注射速度，切换点以及保持压力水平和持续时间 优化循环时刻 减少设置时间 获得理想的模腔压力曲线可以减少设备设置时间，同时可以更好地保护模具。减少注射过程中模具内部压力尖峰，可以延长模具的使用寿命。此外还能使零件获得良好的表面特性和正确的尺寸。 德国的Filterwerk Mann+Hummel 公司生产的四缸奥迪车的进气管将模腔压力传感器用于复杂部件的加工控制获得了很好的效果。进气管的主要质量参数是尺寸和采用壳体技术生产的部件强度。整体强度由单个壳体的强度和振动焊接的焊缝强度所决定。进气管的性能取决于注塑机的设置和以模腔压力为特征的加工过程。 过程记录和零件性能 众多研究表明，只有模腔压力与零件质量密切相关，可以作为过程特征记录。所有其它的过程参数并非在注塑件附近测量所得，因而存在一定的不确定性误差。 每个生产循环的波动导致pVT图中曲线的变化。通过压力曲线，能够检测到零件尺寸的变化，监测这一参数完全可识别过程的各种波动，无需考虑温度。 除了监测用途外，模腔压力传感器的测量数据可用于第二加工阶段的初始信息。瑞士Weidmann 塑料技术公司使用模腔压力监测DaimlerChrysler C级车下装饰板的生产，通过阈值监测保证质量，防止在下一工序过程中出现问题。 减少次品率 模腔压力的连续监测将质量保证融入整个生产过程，不再需要进行终端产品质量检验。这样可减少质量保证的成本。同时，批量生产的个别零件检测被扩展到所有零件的完全监测。 对超出规定容差范围的不合格零件，监测系统在循环结束时立即做出反应，以防止接连出次品。而传统的质量保证只能在产品终端质量检验后才分辨出次品。现代质量保证系统将监测数据长期存档，供未来调用，提供质量依据，证明生产过程符合规范。 缩短设置时间 注塑机的设置通常是由设备操作员根据专业知识和经验来进行的。由于质量特征是正确设置的决定因素，因此上述方法速度慢，且不准确，其结果是设置的生产条件不尽合理，原料消耗成本高和设备利用率低。 一种有效的解决办法是基于模腔压力优化生产。采用这种办法，当零件优化后，相应的模腔压力曲线被存储起来。当需要重新设置设备时，存储的模腔压力”指纹”作为参考曲线，优化加工过程， 使其与参考曲线对应的过程相同， 确保零件质量一致。 这种方法的另一重要优点是不依赖于设备。与注塑机设置参数方法不同，不同注塑设备厂家生产的注塑机可以使用相同的参考曲线作为设备的操作标准。此外，即使同一型号的注塑机由于磨损不同，表现出的性能会有差异。而在模腔中直接监测模腔压力与设备无关，因此可以消除设置错误，减少次品。 Weidmann 塑料技术公司应用模腔压力传感器设置注塑机获得了很好的效益。尽管他们使用兼容注塑机， 但当模具从一台注塑机器更换到另一台注塑机时需要优化参数设置。生产过程的高要求和零件的高质量需要准确、快速的过程优化， 使设备的利用率达到最佳，同时满足客户对产品质量的要求。 切换点的自动识别 从注射阶段到保压阶段的切换点是重要的过程参数，对零件质量和生产成本起关键作用。当模腔内部完全充满时需要从注射阶段切换到保持压力阶段。传统的方式中采用注射时间、螺杆位置、液压或模腔压力作为切换参数。这些方法的共同特征是规定一个阈值，当参数达到阈值时，控制切换。阈值通过手动控制、不加保持压力的注射过程反复多次确定，这种方式耗时多、成本高，并且有下述两个缺点： 当注射压力曲线改变时，阈值必须重新确定。 过程及原料的微小差异会引起切换过早或过迟。 模腔压力曲线可用于准确识别模腔填充程度状态。无论模腔的几何形状如何，注射阶段后模腔压力都会由于熔体被压缩而迅速升高。模腔压力曲线中的“拐点”发生在模腔完全被充满的时刻，可用于触发注塑机的切换。奇石乐发明了一种判断方法，即将其实现在电荷放大器中（SmartAmp），评价各种零件的模腔压力，并实时计算切换点，SmartAmp产生控制信号，自动将机器从注射阶段切换到保持压力阶段。 应用这一技术极大地减少了次品率和原料损耗。过程波动所造成的影响在循环中得以补偿。由于自动识别切换点，不再需要采用部分模腔填充反复试验设置参数，显著简化了设置工作。 依据”指纹”控制 只有当生产出的零件都能满足要求时才能最大限度地减少生产成本。为此奇石乐发明了AutoFlow系统，它不仅能控制切换点，并且能控制其它保证相同模腔压力曲线的参数，以及每个循环的过程”指纹”。 SmartAmp电荷放大器处理模腔压力传感器的信号，并实时切换。压力信号用于计算新的设置参数，注射速度、保持压力值和保持时间， 以及模具温度等。控制的目的是为了获得相同的模腔压力曲线，这是保持每个加工循环中零件质量一致的标志。计算获得的设置参数通过主机传送给注塑机。 参考曲线 (零件“指纹”)在优化零件加工过程中被确定和存储，然后由系统进行控制。AutoFlow运用当前的模腔压力曲线和存储的”指纹”，连续地计算新的设置参数。当模具更换后，调出零件的”指纹”，重新控制。通过使用神经网络，未经培训的新手也可操作注塑设备。 AutoFlow可显著缩短设置时间。 即使当前过程与参考过程存在很大差异，也可通过AutoFlow在整个设置阶段中进行补偿。 自动平衡 近年来，多腔模具已变得越来越重要。过程控制需要适应这一发展潮流。主要切入点是每一个单腔的填充方式。 均衡填充，亦即良好平衡，可以确保通过模具的整个零件性能一致。传统的平衡方式通过研究注射方式调整，非常繁杂，而且随着模腔个数的增加，成本会急剧增加。对于具有热浇口的模具，通过自动平衡可以有效地节约成本。 模具中的每个模腔都配备一个模腔压力传感器。传感器的信号由电荷放大器处理，然后送到MultiFlow控制系统，由MultiFlow计算出的设置参数通过接口送到热浇口控制系统或注塑机。 控制系统能使所有模腔中产生相同的注射和压缩阶段功能，获得相同的压力曲线。测量所得的压力曲线在每一循环后通过模糊逻辑进行分析，计算热浇口的新设置温度，并传递给注塑机或热浇口控制系统。一个不平衡8腔模具的模腔压力曲线。所有模腔在注射和压缩阶段的压力曲线非常一致，亦即得到了均匀填充。 采用MultiFlow，可以节省很多设置时间，不再使用部分注射试验手动调整热浇口温度。在生产中，过程和原料的差异自动可得到补偿。 大量应用表明，奇石乐开发的模腔压力测量技术和一系列智能控制系统，将模腔压力测量与现代控制仪器和软件完美地结合在一起，组成了功能强大的注塑质量控制系统。其应用可以有效地使注塑生产厂节约成本，提高生产率。

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