模腔压力测量及监测技术

瑞士奇石乐公司郑荣成戴学斐

1、序言

模腔压力测量及监测技术已经有40多年历史，非常成熟，在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。利用模腔压力测量数据与监测结果，进行注塑机开发与性能测试、模具结构设计与改进、提高注塑制品质量及研究注塑成型过程。但由于种种原因，在国内关于模腔压力测量及监测技术的介绍非常少，因此非常有必要介绍这项技术，推动该技术在国内的应用与普及，缩小与国外技术差距。针对这种情况,本文系统介绍了模腔压力测量基础知识、模腔压力传感器及数据采集系统、模腔压力监测技术。

2、模腔压力测量意义

众所周知，模塑制品的质量是由模腔压力（P）、熔体比体积（V）、温度（T）三要素决定[1]。从理论上讲，只要保持此三要素的均衡就能确保制品质量。但在实际成型过程中，熔体比体积与温度都无法直接测量，只有模腔压力能通过简单的方法实现高精度测量，并加以控制。各种成型工艺参数值都是在注塑机上的设定值，而并非实际值。因受注塑机性能、原料等因素影响，实际值与设定值之间存在偏差，而且偏差在不断变化。换句话说，成型过程是一个波动的过程。因此模腔压力也是在不断变化，注塑机不能最终控制模腔压力值。图1是注塑机不同部位测量的压力曲线图。由该图可以看出，在注塑机不同部位测量到的压力值是不同的，油压和喷嘴处压力因远离模腔，因此不能真实反映实际模腔中熔体状态信息。例如油压就不能反映工艺参数的变化对模腔中熔体状态的影响。因此只有模腔压力直接反映模腔中熔体状态，与制品质量关系最为密切。大量科学研究和工业实践证明，在所有工艺参数中，模腔压力对制品质量影响最大。模腔压力是制品质量的综合指标。

图1注塑机不同部位测量的压力曲线对比图

概括地说，模腔压力测量技术具备可视化功能、优化功能、监测功能和质量

记录功能。现分别加以介绍。

2.1可视化功能。从某种意义上讲，模具是个黑匣子，在充模过程中，模腔内熔体状态是如何变化的，我们一无所知。只有在安装模腔压力传感器以后，才能清楚在注射、保压、冷却阶段熔体状态信息。通过模腔压力数据及模腔压力曲线，清楚工艺参数对熔体状态影响，工艺参数设置是否合理，从而采取相应措施。譬如，模腔压力曲线能清楚反映制品是否有残余应力。如果制品没有残余应力，冷却定型后，模腔压力曲线会回归到正常大气压；反之，如果制品有残余应力，冷却定型后，模腔压力曲线就不能回归到正常大气压。如图2所示。

图2有残余应力制品的模腔压力曲线

2.2优化功能。传统的工艺参数调节方法是凭借经验设置各种加工参数。尽管这种方法也能生产出合格制品，存在很多不足之处。首先，需要调模师傅有丰富的经验，否则很难调出满足生产要求的工艺参数；其次，调试过程比较漫长，确定注塑压力、保压压力、注射时间、保压时间等参数，需要反复试验，过程非常复杂，耗费大量时间；再次，无法得知凭经验设置的工艺参数是否是最优工艺参数；最后，不清楚熔体在模腔中的状态。安装模腔压力传感器后，以上问题就迎刃而解。根据模腔压力曲线形态，就能非常直观、科学地判断工艺参数设置是否合理，并科学地指导工艺参数的调节，从而迅速地完成工艺参数设置和优化；同时，根据模腔压力曲线，清楚知道熔体充模过程状态信息，以及工艺参数的变化造成熔体状态的变化。2.3监测功能。在生产过程中，各种工艺参数实际值与在注塑机上设定的工艺参数值是不同的，实际工艺参数是不断变化的。工艺参数的不断变化造成生产过程是一个波动的过程。因此产品质量也是动态变化的。但无论哪个工艺参数如何变化，例如注射压力、保压压力、温度等参数的变化，都可以通过模腔压力体现出来。从而，通过监测模腔压力，实现监测生产过程的目的。又因模腔压力与制品质量密切相关，所以通过监测模腔压力（监测模腔压力最大值、监测模腔压力积分值、监测箱体等）实现监测产品质量的目的。当实际模腔压力值不符合设定值，则认为该制品为次品，数据采集设备向机械手臂或类似设备发出数字信号，将次品分离。

2.4质量记录功能。生产过程中所有的数据，都可以完整地保存到计算机上。自动进行统计、分析。

3、模腔压力传感器

模腔压力传感器根据在模具中安装位置的不同，分为直接式模腔压力传感器和间接式模腔压力传感器。现分别介绍各自特征。

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3.1直接式模腔压力传感器

图3直接式模腔压力传感器的安装

直接式模腔压力传感器安装在模具内部(见图3)，传感器前端面与模腔内壁齐平，构成模腔内壁一部分。类似于顶针。由于熔体与传感器前端面直接接触，直接测量压力，因此测量精度非常高。安装时需要在模具内部加工安装孔，然后再用螺母或套筒固定传感器。部分直接式传感器前端面能被进一步加工，从而与内表面是曲面的模腔相吻合。如果测量具有很强磨损性材料的模腔压力，可采用前端面带有涂层的传感器，保护传感器敏感元件。对测量精度要求很高的场合，例如成型质量监控等，建议采用直接式模腔压力传感器。根据不同的测量范围、使用温度、材料性质、模具尺寸及结构，选用不同类型的直接式模腔压力传感器。图为各种直接式模腔压力传感器，满足各种注塑成型的测量要求。

图4不同的直接式模腔压力传感器（Kistler公司）

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图5前端直径仅1mm的模腔压力传感器图6同时测量压力与温度的传感（Kistler公司）（Kistler公司）3.2间接式模腔压力传感器

间接式模腔压力传感器安装在顶针或顶杆后面(见图7)，模腔压力通过顶针或顶杆传递给间接式模腔压力传感器。间接式模腔压力传感器实际是力传感器，测量顶针或顶杆的受力，再通过顶针或顶杆与传感器的接触面积换算出模腔压力。在使用间接式模腔压力传感器时，需要注意的是由于顶针或顶杆的存在，会增加测量的误差。图8为不同种类的间接式模腔压力传感器。

根据模具尺寸和结构选择不同类型的间接式模腔压力传感器。

图7间接式模腔压力传感器安装示意图

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图8不同的间接式模腔压力传感器（Kistler公司）

3.3直接试模内压力传感器与间接式模腔压力传感器对比

由上述可知，直接式和间接式模腔压力传感器各有利弊。直接式模腔压力传感器具有测量精度高、安装位置自由选择等优点，但需要在模具中加工安装孔，安装和拆卸比较费事，因此在不同模具间反复使用比较困难。在高精度测量时，通常使用直接式模腔压力传感器。间接式模腔压力传感器具有安装、拆卸方便等优点，但容易因顶针或顶杆的弯曲、模板的变形及摩擦等因素影响，往往会产生一定测量误差。如果模腔压力传感器需要在不同模具间反复使用，以及不适合采用直接式模腔压力传感器场合，通常采用间接式模腔压力传感器。3.4直接式模腔压力传感器安装位置的选择

直接式模腔压力传感器安装位置的选择对测量结果有很大影响，位置不同所得到的模腔压力曲线形态差异较大。如图9所示，沿着熔体流动方向，因流动阻力及温度降低等因素影响，模腔压力值不断下降。靠近浇口附近的模腔压力信息明显比流程末端的压力信息丰富，更能清楚地描述充模过程。

图9浇口附近与流程末端的模腔压力曲线对比

在传感器安装位置的选择上，应遵循以下几个原则：1、传感器应尽可能靠近浇口，越靠近浇口，模腔压力值越大.传感器采集的过程信息越丰富；模腔压力

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传感器最好安装在流程的前1/3段内；2、模腔压力传感器应安装在模腔内部，不能安装在浇口处，否则浇口封闭后，就不能监测浇口封闭后的冷却过程；3、如果可能的话，模腔压力传感器应安装在制品横截面最大处，该处熔体最后凝固，模腔压力测量时间最长；4、模腔压力传感器不应正对浇口安装，因为熔体冲击传感器会产生动态力，造成测量不准确；5、如果制品的“长/厚”比大，建议在远浇口处放置第二个传感器。有时，也有在流程末端安装模腔压力传感器的情况，例如薄壁制品经常会出现短射现象，可以在流程末端安装传感器，监测该处的模腔压力值。

4模腔压力传感器测量原理

1880年，P.Curie和J.Curie兄弟发现，某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷，电荷量与受力大小成正比例[2]。这种现象后来被称为压电效应。但由于晶体产生的电荷量非常微弱，稍纵即逝，无法采集这些电信号，因此这一重要发现一直没有得到应用。直到1957年，Kistler公司创始人W.P.Kistler先生发明了电荷放大器，压电技术才得以广泛应用。电荷放大器的作用是将电荷信号转换成标准电压信号，供二次仪表进一步处理。压电晶体是压电传感器的心脏。石英晶体是最常用的压电晶体。因为石英晶体具有很多优异的性能，包括高强度，能承受高达150N/mm2的表面压力；耐高温，能在600度高温下使用；灵敏度恒定，优异的线性；高固有频率，非常适合动态和准静态测量[3]。随着材料科学的进步，人们不断培育出性能更加优越的其他压电晶体。

图10Kistler公司培育的压电晶体

图11横向压电效应示意图（左）及传感器内部结构示意图（右）

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图11（左）为横向压电效应示意图，石英晶体表面受到力的作用，在与受力表面相垂直的石英表面产生电荷。用电极收集石英表面的电荷，然后通过电缆传送给电荷放大器，将电荷信号转化为电压信号。实现了压力信号向电压信号的转变。

5模腔压力监测技术

由前述可知，生产过程是波动的过程，不同周期制品质量之间存在差异，而模腔压力与质量关系最为密切。因此可以通过监测模腔压力，来监测成型过程及制品质量。图12是模腔压力监测技术示意图。

图12模腔压力监测技术示意图

监测过程大体上分为四个步骤，测量、分析、控制及记录。通过安装模具上的模腔压力传感器，测量实际熔体压力，并以电荷信号的形式传送给数据采集设备。数据采集设备内置电荷放大器及A/D卡，将电荷信号转换为电压信号，模拟信号转化成数字信号，从而显示实际模腔压力值。数据采集设备将模腔压力实际值与事先设定好的监测条件进行对比分析，如果模腔压力实际测量值不符合监测条件，则认为该制品是次品，然后向机械手臂或类似设备发出控制信号，命令机械手臂将次品分离。与数据采集设备相配套的软件将生产过程数据保存下来，并自动进行统计和分析。

监测条件包括监测模腔压力最大值、模腔压力积分值、阈值、箱体、包络线等。选择何种监测条件视具体生产情况而定。壁薄、成型周期短的精密制品通常以最大模腔压力值作为监测目标；而壁厚、成型周期较长的精密制品通常以模腔压力积分值（模腔压力曲线下面的面积）为监测目标；有的成型过程中同时设定几个监测条件。

监测条件的设定基本方法如下，首先将满足质量要求的制品所对应的模腔压力曲线作为参考模腔压力曲线，依据参考模腔压力曲线，确定允许的波动范围,即为要设定的监测范围。譬如在精密连接器制品生产中经常会出现短射现象。我们可以通过监测模腔压力最大值的方法来监测短射现象。假如模腔压力最大值低于500bar时出现短射，高于600bar时出现飞边。那么模腔压力最大值的下限设为

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500bar，上限设为600bar。如果实际模腔压力最大值在500到600之间，则制品质量是合格的。如果实际模腔压力最大值低于500bar或者高于600bar，则制品质量不合格。

图13监测模腔压力最大值

图14监测模腔压力积分值

6、总结

利用模腔压力测量及监测技术，分析注塑成型过程，优化工艺参数及成型周期，监测成型过程及产品质量。多年实践证明，模腔压力测量与监测技术是确保长时间生产稳定性及制品质量的唯一方法。该技术通过以下方式降低成本，提高生产效率：

减少次品率降低原料浪费优化成型周期保护模具

缩短试模、试机时间减少能源成本节省劳动力成本

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参考文献

1.S.Stitz,AnalysederFormteilbildungbeimSpritzgiessenvonPlastomerenalsGrundlagefürdieProzesssteuerung,19732.HansHolzmann,BadWörishofen:PiezoelektrischeMessgeräteundihreAnwendungen,MessenundPrüfen,20,7(1984)3.BernhardBill,MeasuringwithCrystals,

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