注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法
2023-05-27 13:18:01 2
專利名稱：注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體壓力控制系統及控制方法，尤其涉及一種注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法。
背景技術：
在塑料行業的發展過程中，為了達到提高產品尺寸精度、減輕產品質量、縮短成型周期、節約能源等目的，逐漸湧現出一些新的注塑成型方法，如結構發泡注塑、多組分注塑、反應注塑、排氣注塑、微發泡注塑、氣體輔助注塑、振動注塑、微注塑等。利用常規注塑成型方法製得的製件由於冷卻過程中的熔體收縮及保壓過程中保
壓壓力分布不均的原因，導致成型製品存在表面收縮、翹曲變形等缺陷，並且所需要的注塑機鎖模力比較大，導致製品成品率低並且耗費資源。實驗研究及相關理論研究表明，表面氣體輔助注塑成型過程中，在塑料熔體的填充後期對製件容易產生縮水及翹曲變形的部位，進行模具型腔局部加壓，同時進行冷卻定型，可以有效消除製件外觀面的收縮凹陷、減輕成型製品的翹曲變形、降低鎖模力並縮短成型周期。在常規的發泡注塑成型工藝中，由於注射熔體內部壓力與模具型腔壓力間的壓差較大，在充填過程中熔體前沿部分迅速成核並且進行氣泡的長大，接觸模具型腔的部分受到剪切力作用並最終發生氣泡破裂，導致成型製件表面形成螺旋紋，影響製品的外觀質量。實驗研究及相關理論研究表明，在發泡熔體注射前，在模具型腔中充滿具有一定壓力的氣體，如空氣、氮氣或惰性氣體，使注射的熔體進入一個壓力空間，而不是常規發泡注塑成型過程中的低壓模腔，可以有效提高製件最終的表面質量。在模具型腔氣體壓力的作用下，進入型腔的發泡熔體前端不會立即發泡，直到熔體貼緊模具型腔表面且表層冷卻至玻璃化轉變溫度以下，形成緻密皮層後，開始快速洩壓進行發泡，得到芯部發泡、表面緻密並且表面質量良好的發泡製件。模具型腔提前加壓可以允許物料在較低速率下充模，熔體流速低能抑制其沿壁面的不穩定滑移，消除紊流痕跡。由於減小了近壁面的剪切及摩擦，熔體流動更加均衡，流動前鋒可以保持完整不破裂，有助於發泡氣體的保持，消除製件的表面螺旋紋和氣體流動痕，提聞廣品的最終質量和成品率。注塑過程中的模具型腔壓力控制關鍵技術在於注塑機與控制器間的通訊、模具型腔加壓速率與洩壓速率要快速、模具型腔壓力能夠穩定維持、模具型腔壓力大小與壓力作用時間可控制。日本金子產業株式會社於2004年在中國公開了一種名為「用於調整氣密罐中的氣體壓力的氣體調整裝置」(公開號CN 101923359 A)的專利技術。該技術主要用於調整氣密貯液罐中的內部氣體壓力，主要包括一個主氣體排放裝置和一個隔離氣體調整器，當所述氣密罐中的內部氣體壓力升高至特定值時，主氣體排放裝置中的排氣閥開啟洩壓，當隔離氣體的壓力降低至低於一個特定值時，隔離氣體調整器動作供氣。但由於注塑成型屬於周期性生產，且每個生產周期的時間可能不相同，所以此發明無法根據注塑機的動作過程進行周期性氣體調節，且無法實現氣體的完全洩壓控制。程相魁於2006年公開了一種名為「氣體壓力自動控制裝置」(公開號CN1924749A)的專利技術。該技術主要用於間歇式生產的水平室式煉焦爐生產過程中的氣體壓力控制，主要由壓力傳感器、氣體流量調節器或液位調節器、自動控制器、動作裝置構成。注塑成型過程中模具型腔壓力值調節範圍較大，常在2 15MPa不等，但此專利技術壓力僅為400Pa左右，且無法有效讀取注塑機信號，因此無法對注塑成型過程中的模具型腔壓力進行控制。北京航空航天大學於2009年公開了一種名為「一種氣體壓力控制調節裝置」(公開號CN 101539486A)的專利技術。該技術主要應用於電推進發動機領域中的氣源壓力控制調節，其主要特徵分為主管路壓力調節裝置和子管路壓力調節裝置兩部分，可控制多管路同時工作並實現氣體管路壓力實時可調，但該技術無法滿足注塑成型過程中周期性加壓與洩壓動作的要求，不適用於注塑過程中的模具型腔壓力的控制。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種注塑模具型腔壓力控制系 統及控制方法，它通過與注塑機的信號通訊，控制相應的閥門進行動作，滿足注塑過程中模具型腔的加壓、穩壓及洩壓功能要求，並能實現對模具型腔壓力大小及壓力作用時間的控制，可保證注塑產品的質量和成品率，並有利於提高實際生產中注塑工藝參數調試的效率。為實現上述目的，本發明採用下述技術方案一種注塑模具型腔壓力控制系統，包括高壓氮氣源，高壓氮氣源通過管路與模具進氣口相連，所述管路上靠近高壓氮氣源位置處設有第一減壓閥，管路經第一減壓閥後分為兩路，一路經第二減壓閥、第一壓力表和電子壓力控制器與氣控調節閥相連，另一路經第二壓力表與氣控調節閥相連，氣控調節閥出口與模具進氣口相連，且氣控調節閥出口與模具進氣口相連段管路上依次連接有第三壓力表、壓力傳感器及洩壓管路單元。所述電子壓力控制器、洩壓管路單元和壓力傳感器均與數據處理及控制系統相連，數據處理及控制系統與注塑機信號單元相連。所述洩壓管路單元包括兩路並聯的與氮氣回收裝置或外界大氣相連的洩壓管路，兩路並聯的洩壓管路上分別設有第一電磁閥和第二電磁閥。所述第一電磁閥的閥芯氣路直徑大於第二電磁閥的閥芯氣路直徑。所述第一電磁閥和第二電磁閥均與數據處理及控制系統連接。所述高壓氮氣源與模具進氣口間相連的管路均採用高壓不鏽鋼管，且該段管路直徑不小於第一電磁閥的閥芯氣路直徑。所述數據處理及控制系統為工控機、計算機、單片機或PLC。注塑模具型腔壓力控制方法，步驟如下I)開始前，通過調節第一減壓閥，使得出口壓力即第二壓力表顯示數值達到或稍高於型腔壓力預設值，以便減小高壓氣體對氣控調節閥的壓力損壞，提高閥體的使用壽命;2)調節第二減壓閥，使得出口壓力即第一壓力表顯示數值達到電子壓力控制器的先導氣體壓力要求值，壓力進入電子壓力控制器前需安裝相應規格的安全閥，防止進入電子壓力控制器的氣體壓力過大，造成不必要的設備損壞；3)通過數據處理及控制系統接收注塑機信號單元的合模信號實現系統觸發，當合模結束時，數據處理及控制系統開始接收壓力傳感器的信號，通過設定型腔壓力值和壓力傳感器信號進行PID運算後發送電流信號給電子壓力控制器，動態調節氣控調節閥，對模具型腔進行加壓；4)對模具型腔加壓時開始計時，高壓壓力作用時間需與注塑機的注射延時時間和注射時間匹配，通過設定模具型腔壓力作用時間參數來控制模具型腔高壓保持時間，並通過壓力傳感器實時監測模具型腔內部壓力，當模具型腔壓力達到設定高壓時停止對型腔加壓，並給出高壓信號，允許注塑機進行下一步動作，當計時時間達到設定值時，數據處理及控制系統給出洩壓信號控制第一電磁閥動作，開始對模具型腔洩壓；5)當一個注塑過程完成，模具型腔壓力達到允許開模低壓時給出低壓信號，允許注塑機進行開模取件，數據處理及控制系統通過接收注塑機信號單元的開模信號，進行系統控制參數的初始化，為下一個生產周期做準備；6)對於注射前需對模具型腔加壓的結構發泡注塑成型工藝和微發泡注塑成型工藝，在注射過程中，隨著塑料熔體的不斷填充，模具型腔空間逐漸減小，型腔內高壓氣體被進一步壓縮，使型腔壓力急劇增高，為了保證填充過程中型腔壓力的穩定，可設定允許壓差值，即當模具型腔壓力高於設定值加允許壓差值時，數據處理及控制系統給出穩壓信號控制第二電磁閥動作，開始小流量洩壓，當模具型腔壓力降到設定值減允許壓差值時，第二電磁閥斷電關閉，停止型腔洩壓，實現模具型腔壓力的穩定控制。本發明根據實際注塑生產工藝過程，通過與注塑機的信號通訊，控制相應的閥門進行動作，完成對注塑模具型腔的加壓、穩壓及洩壓功能要求，並能實現對模具型腔壓力大小及壓力作用時間的控制，可保證注塑產品的質量和成品率，並有利於提高實際生產中注塑工藝參數調試的效率。本發明能夠保證注塑過程中模具型腔壓力範圍為O 20MPa可調(實際使用壓力範圍為2 15MPa)，能夠保證在注塑過程中模具型腔壓力的穩定維持；模具型腔的洩壓與穩壓分為兩路進行，洩壓管路選用直徑較大的電磁閥(例如直徑為Φ6πιπι)，穩壓管路選用直徑較小的電磁閥(例如直徑為Φ 3mm);對模具型腔進行加壓時，採用PID控制算法，實時動態調節氣控調節閥的開啟度，進行模具型腔的壓力調節；當模具型腔壓力達到設定高壓和設定低壓時，數據處理及控制系統均進行信號反饋，允許注塑機進行下一步動作。針對目前需要進行模具型腔加壓的新型注塑成型工藝要求，模具型腔壓力在達到設定高壓時均需進行一定時間的高壓維持，並且在洩壓時要求模具型腔洩壓速度快速，本發明採用小尺寸氣路管徑的高壓電磁閥進行小流量氣體調節，實現模具型腔壓力的穩定，採用大尺寸氣路管徑的高壓電磁閥實現模具型腔的快速洩壓。本發明根據注塑成型的具體過程，通過第一減壓閥調節進入模具型腔壓力控制器的氣體壓力，分別通過第二壓力表、第三壓力表監測控制裝置內部管道壓力和模具型腔內部壓力。通過數據處理及控制系統讀取注塑機信號單元的合模信號進行系統觸發，當合模結束時，數據處理及控制系統控制相關的閥門驅動進行加壓動作，開始對模具型腔進行加壓，並通過壓力傳感器實時監測模具型腔內部壓力，當模具型腔壓力達到設定高壓時停止對型腔加壓，並給出高壓信號，允許注塑機進行下一步動作。在模具型腔進行加壓時開始計時，高壓壓力作用時間需與注塑機其他動作時間如注射延時時間和注射時間進行匹配，當壓力作用時間達到設定時間值時，模具型腔壓力控制系統控制相關閥門動作進行洩壓，當模具型腔壓力達到允許開模低壓時給出低壓信號，允許注塑機進行開模取件。由於注塑成型過程屬於周期性動作，因此數據處理及控制系統通過讀取注塑機信號單元的開模信號，實現參數的初始化設置，為下一個生產周期做準備。對於結構發泡工藝和微發泡工藝，在物料注射填充過程中隨著模具型腔內部的空間被熔體進一步壓縮，模具型腔壓力會瞬間增大，此時可以通過穩壓系統進行小流量洩壓，實現模具型腔壓力的穩定控制。本發明所述的數據處理與控制系統接收注塑機信號和壓力傳感器信號，經過PID計算後輸出4 20mA電流信號及通斷信號；通過注塑機的合模信號激活模具型腔壓力控制系統，進行合理的時間延遲後控制加壓系統對模具型腔進行加壓動作；通過壓力傳感器信號和設定壓力值動態調節電子壓力控制器，間接控制氣控調節閥實現模具型腔壓力的動態調節；通過設定模具型腔高壓壓力保持時間控制洩壓系統進行相應的洩壓動作，實現注塑過程中模具型腔壓力作用時間的可控；通過注塑過程中模具型腔壓力上限的設定來控制穩壓系統進行相應的穩壓調節，實現注塑過程中模具型腔壓力的穩定；通過讀取注塑機開模 信號實現壓力控制系統的初始化設置，以便為下個生產周期做準備。本發明的有益效果是，與現有技術相比，本發明具有模具型腔加壓速率與洩壓速率快、模具型腔高壓壓力可維持、模具型腔壓力大小及高壓保持時間可控的功能特點，滿足注塑成型過程中模具型腔壓力的控制要求。
圖I為本發明模具型腔壓力控制裝置示意圖。圖2為本發明模具型腔壓力控制系統及控制方法原理圖。其中I.高壓氮氣源，2.第一減壓閥，3.第二減壓閥，4.氣控調節閥，5.第一電磁閥，6.第二電磁閥，7.電子壓力控制器，8.壓力傳感器，9.數據處理與控制系統，10.注塑機信號單兀，11·第一壓力表，12.第二壓力表，13.第三壓力表。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖I所示，注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法，包括高壓氮氣源1，高壓氮氣源I經模具型腔壓力控制裝置後通過裝置的出氣口 I與模具進氣口相連，所述管路上靠近高壓氮氣源I位置處設有第一減壓閥2，管路經第一減壓閥2後分為兩路，一路經第二減壓閥3、第一壓力表11和電子壓力控制器7與氣控調節閥4相連，另一路經第二壓力表12與氣控調節閥4相連，氣控調節閥4的出口與模具進氣口相連，該段管路上依次連接有第三壓力表13、壓力傳感器8及洩壓管路單元；所述電子壓力控制器4、洩壓管路單元和壓力傳感器8均與數據處理及控制系統9相連，數據處理及控制系統9與注塑機信號單元10相連。洩壓管路單元包括兩路並聯的與氮氣回收裝置或外界大氣相連的洩壓管路，兩路並聯的洩壓管路上分別設有第一電磁閥5和第二電磁閥6。兩路並聯的洩壓管路的出氣口
II、111與氮氣回收裝置連接或排空。第一電磁閥5的閥芯氣路直徑大於第二電磁閥6的閥芯氣路直徑。第一電磁閥5和第二電磁閥6均與數據處理及控制系統9電連接。高壓氮氣源I與模具進氣口相連的管路採用高壓不鏽鋼管。數據處理及控制系統9可為工控機、計算機、單片機或PLC。
模具型腔壓力控制部分可實現與注塑機的信號通訊，主要接收注塑機開模信號、合模信號及壓力傳感器信號，並實現數據處理後的信號輸出，控制相應閥門驅動進行相應動作。所述的高壓氮氣源I的壓力範圍15 40MPa。所述的第一減壓閥2的壓力範圍輸入O 40MPa，輸出O 25MPa。所述的第二減壓閥3的壓力範圍輸入O 25MPa，輸出O IMPa。所述的氣控調節閥4壓力範圍輸入O 25MPa，輸出O 20MPa。所述的壓力傳感器8的量程0 20MPa。所述的第一壓力表11壓力範圍0 IMPa。
所述的第二壓力表12壓力範圍0 25MPa。所述的第三壓力表13壓力範圍0 20MPa。所述的第一電磁閥5閥芯氣路尺寸為Φ6ι πι。所述的第一電磁閥6閥芯氣路尺寸為Φ3ι πι。所述的高壓氣體管路均採用不鏽鋼管，管徑尺寸為Φ6πιπι。對於需要控制模具型腔壓力的注塑工藝過程，模具型腔壓力範圍一般為2 15MPa,現以注塑過程中模具型腔壓力需IOMPa為例說明該控制裝置的控制方法。I)開始前，通過調節第一減壓閥2，使得出口壓力即第二壓力表12的數值顯示值為10 15MPa，以便減小高壓氣體對氣控調節閥4的壓力損壞，提高閥體的使用壽命；2)調節第二減壓閥3，使得出口壓力即第一壓力表11的數值顯示為O. 8MPa，以便滿足電子壓力控制器7的先導氣體壓力要求，壓力進入電子壓力控制器7前需安裝相應的安全閥，防止進入電子壓力控制器7的壓力過大，造成不必要的設備損壞；3)通過數據處理及控制系統9接收注塑機信號單元10的合模信號，當合模結束時，數據處理及控制系統9開始接收壓力傳感器8的信號，通過設定的模具型腔壓力值和壓力傳感器信號進行PID運算後發送電流信號給電子壓力控制器7，動態調節氣控調節閥4，對模具型腔進行加壓；4)對模具型腔加壓時開始計時，高壓壓力作用時間需與注塑機注射延時時間和注射時間匹配，通過設定壓力作用時間參數來控制模具型腔高壓保持時間，並通過壓力傳感器8實時監測模具型腔內部壓力，並經過數字轉化輸出，實現模具型腔壓力的可視化。當模具型腔壓力達到設定高壓時停止對型腔加壓，並給出高壓信號，允許注塑機進行下一步動作即允許注塑機進行注射，當計時時間達到設定值時，數據處理及控制系統9給出洩壓信號控制第一電磁閥5動作，開始對模具型腔洩壓；5)當一個注塑過程完成，模具型腔壓力達到允許開模低壓時給出低壓信號，此時允許注塑機進行開模取件，數據處理及控制系統9通過接收注塑機信號單元10的開模信號，進行系統的初始化設置，為下一個生產周期做準備。6)對於注射前需對模具型腔加壓的工藝如結構發泡成型和微發泡成型，在注射填充過程中，隨著塑料熔體的填充，模具型腔空間逐漸減小，型腔內高壓氣體被進一步壓縮，使壓力急劇增高，為了保證填充過程中模具型腔壓力的穩定，可設定一個模具型腔壓力的允許壓差值I一般地，設定的壓差值δ隨模具型腔壓力的不同而不同，原則上設定為模具型腔壓力的3 5%，例如，對於本實施例，設定模具型腔壓力為lOMPa，模具型腔壓力的允許壓差值5可取模具型腔壓力的5%，即為O. 5MPa，當實際模具型腔壓力高於(10+δ )=10. 5MPa時，數據處理及控制系統9給出穩壓信號控制第二電磁閥6動作，開始小流量洩壓，當實際模具型腔壓力小於(10- δ )=9. 5MPa時，第二電磁閥6斷電關閉，模具型腔洩壓停止。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明的保護 範圍進行了限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法，其特徵是，包括高壓氮氣源，高壓氮氣源通過管路與模具進氣口相連，所述管路上靠近高壓氮氣源位置處設有第一減壓閥，管路經第一減壓閥後分為兩路，一路經第二減壓閥、第一壓力表和電子壓力控制器與氣控調節閥相連，另一路經第二壓力表與氣控調節閥相連，氣控調節閥出口與模具進氣口相連，且氣控調節閥出口與模具進氣口相連段管路上依次連接有第三壓力表、壓力傳感器及洩壓管路單元；所述電子壓力控制器、洩壓管路單元和壓力傳感器均與數據處理及控制系統相連，數據處理及控制系統與注塑機信號單元相連。
2.如權利要求I所述的系統，其特徵是，所述洩壓管路單元包括兩路並聯的與氮氣回收裝置或外界大氣相連的洩壓管路，兩路並聯的洩壓管路上分別設有第一電磁閥和第二電磁閥。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵是，所述第一電磁閥的閥芯氣路直徑大於第二電磁閥的閥芯氣路直徑。
4.如權利要求2所述的系統，其特徵是，所述第一電磁閥和第二電磁閥均與數據處理及控制系統連接。
5.如權利要求2所述的系統，其特徵是，所述高壓氮氣源與模具進氣口相連的管路採用高壓不鏽鋼管，且該段管路直徑大於等於第一電磁閥的閥芯氣路直徑。
6.如權利要求I所述的系統，其特徵是，所述數據處理及控制系統為工控機、計算機、單片機或PLC。
7.一種利用權利要求I 6中任一項所述系統的控制方法，其特徵是，步驟如下 1)開始前，通過調節第一減壓閥，使得出口壓力即第二壓力表達到或稍高於設定值，以便減小高壓對氣控調節閥的壓力損壞，提高閥體的使用壽命； 2)調節第二減壓閥，使得出口壓力即第一壓力表達到設定值，以便滿足電子壓力控制器的先導氣體壓力要求，壓力進入電子壓力控制器前需安裝相應的安全閥，防止進入電子壓力控制器的壓力過大，造成不必要的設備損壞； 3)通過數據處理及控制系統接收注塑機信號單元的合模信號進行系統觸發，當合模結束時，數據處理及控制系統開始接收壓力傳感器的信號，通過設定的模具型腔壓力值和壓力傳感器信號進行PID運算後發送電流信號給電子壓力控制器，動態調節氣控調節閥，對模具型腔加壓； 4)對模具型腔加壓時開始計時，高壓壓力作用時間需與注塑機注射延時時間和注射時間匹配，通過設定壓力作用時間參數來控制模具型腔高壓保持時間，並通過壓力傳感器實時監測模具型腔內部壓力，當模具型腔壓力達到設定高壓時停止對型腔加壓，並給出高壓信號，允許注塑機進行下一步動作，當計時時間達到設定值時，數據處理及控制系統給出洩壓信號控制第一電磁閥動作，開始對模具型腔洩壓； 5)當一個注塑過程完成，模具型腔壓力達到允許開模低壓時給出低壓信號，允許注塑機進行開模取件，數據處理及控制系統通過接收注塑機信號單元的開模信號，進行系統參數的初始化設置，為下一個生產周期做準備； 6)對於注射前需對模具型腔加壓的發泡成型工藝和微發泡成型工藝，在注射填充過程中，隨著塑料熔體的填充，模具型腔空間逐漸減小，型腔內高壓氣體被進一步壓縮，使壓力急劇增高，為了保證填充過程中型腔壓力的穩定，設定模具型腔壓力的允許壓差值，即當壓力高於設定值加允許壓差值時，數據處理及控制系統給出穩壓信號控制第二電磁閥動作，開始小流量洩壓，當壓力降到設定值減允許壓差值時，第二電磁閥斷電關閉，停止型腔洩壓，實現模具型腔壓力的穩定控制。
全文摘要
本發明公開了一種注塑模具型腔壓力控制系統及控制方法，包括高壓氮氣源，高壓氮氣源通過管路與模具進氣口相連，管路上靠近高壓氮氣源位置處設有第一減壓閥，管路經第一減壓閥後分為兩路，一路經第二減壓閥、第一壓力表和電子壓力控制器與氣控調節閥相連，另一路經第二壓力表與氣控調節閥相連，氣控調節閥出口與模具進氣口相連，該段管路上依次連接有第三壓力表、壓力傳感器及洩壓管路單元；所述電子壓力控制器、洩壓管路單元和壓力傳感器均與數據處理及控制系統相連，數據處理及控制系統與注塑機信號單元相連。同時本發明公開了該系統的控制方法。本發明具有模具型腔加壓速率與洩壓速率快、模具型腔高壓壓力可維持、模具型腔高壓作用時間可控等特點。
文檔編號B29C45/76GK102935711SQ20121051738
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者趙國群, 李帥, 管延錦 申請人:山東大學