精密注塑成型PVT控制技術(shù)

1、精密注塑成型PVT控制技術(shù)作者：吳廷 謝鵬程 王建 丁玉梅 楊衛(wèi)文章來源：北京化工大學機電工程學院發(fā)布時間：09-15新浪微博QQ空間人人網(wǎng)開心網(wǎng)更多圖1聚合物典型PVT特性曲線材料的壓力（P）、溫度（T）和比容（V）是聚合物的本質(zhì)屬性，不隨材料加工方式的改變而變化，其控制理論和方法可以用于聚合物的精密注塑成型。本文基于此提出了一種精密注塑成型控制技術(shù)，該技術(shù)利用型腔溫度作為信號對保壓過程進行控制。研究表明，該控制技術(shù)可以顯著提高注塑制品的質(zhì)量重復精度。傳統(tǒng)精密注塑控制技術(shù)的局限隨著我國科技的不斷發(fā)展，各行業(yè)對塑料制品的精度和性能提出了更高的要求，如要求制品具有較好的力學性能、重量精度、尺寸精

2、度以及工作穩(wěn)定性等。精密制品正在向著高精度化、高功能化、小型化、輕量化、低成本及高附加值的方向發(fā)展，精密注塑成型技術(shù)則向著精密化、計算機輔助化、無人化及節(jié)能化方向發(fā)展。目前，國外的精密注塑成型機已經(jīng)具有相當高的水平，且歐美和日本的少數(shù)幾家注塑機生產(chǎn)廠家壟斷了我國精密注塑機市場，例如德國的克勞斯瑪菲、阿博格和德馬格，以及日本的住友重機、東芝等。為了與精密注塑成型機匹配，這些公司還相應地開發(fā)出了高性能、高精度的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以保證塑料制品的質(zhì)量、減少廢品，以及提高注塑成型的生產(chǎn)效率。綜觀當今注塑機市場，在保證制品質(zhì)量的前提下，如何利用成熟的自動化設(shè)備，提高產(chǎn)品精度，降低廢品、次品率及節(jié)約原材

3、料、能源以降低成本，增強市場競爭，己引起國內(nèi)外注塑機廠商的高度重視，為此采用先進的控制技術(shù)和管理手段已成為必然的趨勢。傳統(tǒng)注塑機中的過程控制方法大多采用注射壓力、保壓壓力、合模力、注射速度及注射量等參數(shù)作為控制量，稱為機器變量。這些變量由操作員根據(jù)經(jīng)驗和試模對注塑機預先輸入控制參數(shù)，通常主要采用時間來控制每個階段的開始和結(jié)束。這些變量完全由注塑機本身決定，而與材料的特性關(guān)系不大。參數(shù)控制作為控制系統(tǒng)的主要功能，需要對連續(xù)變化的過程參數(shù)，如溫度、壓力、位置和速度等進行精確的閉環(huán)控制。由于注射過程主要參數(shù)都具有相當顯著的非線性時變特性，而其動態(tài)特性又會隨著工藝條件的更改而變化，所以這種對傳統(tǒng)的固定

4、參數(shù)進行控制的策略很難有效地保證不同操作條件下的控制性能。隨著對精密成型研究的深入，有人提出了采用物料的參數(shù)作為變量，例如熔體壓力、熔體溫度和熔體冷卻速率等，這些變量稱為工藝變量。大量研究表明，工藝變量與傳統(tǒng)的機器變量相比，具有更高的控制精度。圖2 注塑成型過程中型腔溫度、壓力曲線聚合物材料從粒料（或粉料）經(jīng)過塑化、填充、壓縮、保壓以及冷卻定型成為制品，這是注塑成型的一般過程。但是由于材料和模具的多樣性，需要采用不同的工藝參數(shù)，如果參數(shù)選擇不當，無論填充過多或是填充不足，都會影響最終制品的質(zhì)量，甚至造成廢品。因此，確保每次成型的制品保持相同的尺寸、重量及收縮率，是注塑成型控制所要達到的目標。P

5、VT控制技術(shù)聚合物的PVT特性，即壓力（P）、比容（V）和溫度（T）之間的相互關(guān)系，是聚合物材料的本質(zhì)屬性。它們屬于工藝參數(shù)，在聚合物的生產(chǎn)、加工以及應用等方面有著十分重要的作用。無論聚合物的狀態(tài)如何，P、T和V這3個狀態(tài)參數(shù)都會按照一定的規(guī)律變化，與加工手段和條件無關(guān)。圖1a和圖1b分別顯示了結(jié)晶型材料和無定形材料的典型PVT特性，從圖中可以清楚地看出聚合物P、T和V之間的關(guān)系。在注塑成型過程中，聚合物材料被加熱成熔融態(tài)，并在很高的壓力下注射到模具型腔中，經(jīng)歷了從高溫、高壓到迅速冷卻和壓力下降的過程，之后由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，同時聚合物材料的各種物性參數(shù)也經(jīng)歷了一連串劇烈的變化，這都和T、P和

6、V有很大的關(guān)系。特別是聚合物的V決定著最終成型制品的性能和質(zhì)量：若最終成型制品的密度太小，會導致強度不夠；若密度不均勻，則會產(chǎn)生內(nèi)部殘余應力，導致翹曲變形等。質(zhì)量重復精度是評價注塑機精度的一項重要指標。研究表明，影響制品質(zhì)量重復精度的因素很多，但本質(zhì)所在是不同制品中V 的差異。PVT 關(guān)系特性是高分子材料的固有物理特性。高分子材料由原料經(jīng)過加工成為產(chǎn)品的過程中，材料P-T-V參數(shù)雖持續(xù)變化，但三者之間始終遵循著PVT 特性規(guī)律。3個變量一一對應，只要確定其中任意兩個，就可以根據(jù)材料的PVT特性曲線求出第三個。也就是說，注塑成型中無論采用何種過程控制方式都無法脫離對材料PVT 關(guān)系的依賴，并可在

7、材料PVT 關(guān)系曲線中找到對應的加工路徑。不同控制方法得到的注塑制品的重復精度之所以存在差別，根本原因是所采用的控制方法對材料PVT 參數(shù)控制重復精度的差別。圖3 P-T過程控制方法的PVT曲線圖圖2為聚合物注塑成型過程中模具型腔的溫度和壓力曲線示意圖。該圖清楚地描繪出聚合物材料注塑成型的整個過程：聚合物在機筒中通過熔融塑化，達到設(shè)定的溫度，模具閉合，注射座前進頂住澆口。自熔體進入型腔后注塑成型可分為充填、壓縮、保壓和冷卻4個階段。圖中節(jié)點A-B-C為充填階段，節(jié)點C-D為熔體壓縮階段，節(jié)點D-E為保壓階段，節(jié)點E-F-G為冷卻階段。目前，有大量關(guān)于保壓階段最佳保壓曲線的研究，但都只是基于對保

8、壓壓力的研究，即保壓過程采用時間控制的方式。這種稱為“P-t（時間）保壓控制”的研究重點主要集中在保壓曲線的形狀和保壓壓力的取值方面。采用該種傳統(tǒng)的保壓控制方法的后果是，隨著模具溫度的上升和環(huán)境的改變，制品的質(zhì)量會出現(xiàn)波動。如果溫度變化過大，就會產(chǎn)生不合格品，降低生產(chǎn)效率，制品的質(zhì)量重復精度也會受到影響?；诓牧系腜VT特性，本文提出了一種基于熔體溫度的保壓過程的控制方法，即在保壓過程中采用熔體溫度作為控制信號，實現(xiàn)保壓壓力的切換，稱為P-T控制。P-T控制方法是在傳統(tǒng)的P-t控制方法的基礎(chǔ)上，直接監(jiān)控熔體的P和T這兩個工藝變量，再根據(jù)聚合物PVT特性對V進行更精確的控制。這種方法與傳統(tǒng)方法相

9、比，大大拉近了控制和材料屬性的關(guān)系。令控制方法真正能夠和材料屬性結(jié)合，是聚合物PVT控制理論的重要組成部分，也是提高制品質(zhì)量重復精度的一個有效方法。圖3所示為轉(zhuǎn)壓點相同，采用P-T控制的3條加工路徑。保壓曲線的起始點和結(jié)束點的溫度相同，而且過程各個控制節(jié)點的溫度坐標也相同，在保壓壓力作用下，熔體壓力也趨于相同，從而達到高精度的控制。這種控制方法具有很多優(yōu)點：利用工藝變量可以很好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)壓和保壓結(jié)束控制；對保壓過程的各個節(jié)點進行分段控制，各控制段長度減小，保壓曲線可以更加吻合，PVT特性的重復性提高，制品精度提高；采用變保壓壓力控制，還可以消除內(nèi)應力，防止倒流。要想提高制品的重復精度，就需要提高

10、生產(chǎn)過程的重復精度，也就是提高制品從熔融注射到冷卻成型經(jīng)過的路徑的重復性。從PVT圖上來看，就是要提高每一次注塑成型過程PVT特性的貼合程度。如果注塑成型周期內(nèi)物料的PVT特性始終相同，則最終的制品重量就會完全相同。P-T控制方法可以很好地控制保壓起點和終點的溫度坐標（橫坐標），在PVT曲線圖上表現(xiàn)為保壓階段的長度相同。另外，中間點的控制又能使控制曲線更加貼合PVT曲線，使保壓過程按照所需的路徑進行，使控制過程的重復性提高，從而提高了控制精度。圖4 不同控制方法的制品質(zhì)量重復精度對比驗證試驗為了驗證此控制方法的可行性和控制精度，我們對P-T控制和傳統(tǒng)的P-t控制方法進行了對比試驗。控制裝置主要

11、由注塑機、模具、熔體溫度傳感器和PVT控制器模塊組成，P-T方法保壓階段的轉(zhuǎn)換由型腔溫度信號控制，P-t方法由時間控制，各保壓段的壓力值相同，保壓總時間相同，其他階段設(shè)置均相同。圖4是注塑機采用不同控制方法成型制品的質(zhì)量重復精度的對比結(jié)果。利用P-T控制方法得到的質(zhì)量重復精度（0.0785%）比時間控制方式的（0.1843%）高出很多。由此可見，將P-T控制方法應用于國產(chǎn)注塑成型裝備，可顯著提升國產(chǎn)裝備產(chǎn)品等級，提升產(chǎn)品的市場競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造更高價值。結(jié)語基于聚合物PVT關(guān)系的控制方法可以廣泛用于普通注塑機中，并顯著提高制品的質(zhì)量重復精度，使普通注塑機達到精密注塑機的控制精度。采用型腔溫度控制比傳統(tǒng)的時間控制具有更好的適應性和控制