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影响制品重量重复精度主要工艺参数实验分析*
点击:144 日期:2017/11/14 13:27:09

        摘要: 注塑制品的重量重复精度是衡量注塑制品质量精度及评价注塑机性能指标的重要技术指标。文章基于统计过程误差理论确定了适应于注射重量重复精度的理论计算方法,并在实验的基础上得到了验证。同时通过更改影响熔体密度的主要工艺参数———温度和注射压力进行注射重量对比实验,确定了影响注射重量的主要工艺参数,提出了通过在线控制注射重量来提高注射重量重复精度的理论方法。
        随着聚合物材料合成及成型技术的发展,越来越多的聚合物精密制品应用于航空航天( 如精密传动齿轮) 、医疗器械( 如人造假肢、微介入胰岛素泵、套管支架预填充注射器) 、生物工程( 如眼角膜、生物芯片、隐形眼镜) 、精密光学( 如透镜、照相机镜头) 、电子通信( 如通信光纤) 等高精尖的技术领域[1 - 5],其中90%以上的塑料成型制品是由聚合物成型加工中2 种主要的成型方法即挤出成型和注塑成型完成的。这就对聚合物成型制品的质量精度提出了更高的要求,而研究影响质量精度的因素及如何科学有效地对成型制品进行质量评价是提高成型质量精度的前提。
        注塑制品的重复精度包括尺寸、外观、注射重量等3 方面,可以衡量注塑制品质量精度。但因为尺寸及外观因制品外形不同而不同,无法用来实现不同制品、不同机器性能的定量比较,因此,通常将注射重量重复精度作为衡量注塑制品质量精度及评价注塑机性能的技术指标。普通注塑机的重量重复精度在l%左右,较好的可以达到0. 8%,低于0. 5% 的称为精密注射机,目前国际最高水平为小于0. 15%。注射重量重复精度的提高依赖于模具加工精度及结构设计的合理性、原料性能、工艺参数的合理性以及整机运行控制性能等多方面因素[6 - 8]。因此,在保证整机性能及模具精度的基础上,研究影响注射重量的工艺参数以及符合注射成型特性的注射重量的重复精度的算法对提高注射重量重复精度具有指导意义。
2 注塑制品注射重量及重量重复精度计算方法
2. 1 注射重量
        注射重量即是从喷嘴能够注出聚合物熔体的重量,传统基于注射量体积控制法的理论注射重量与注射螺杆直径及注射行程有关,见图1 所示。其理论计算公式如( 1) 式。

式中: W 为注射重量,g; ρ 为常温下聚合物树脂的密度,g /cm;DS为螺杆直径, cm; S 为螺杆行程, cm; Va为实际注射容量, cm3 ;δ 为注射系数,该系数因原料不同而不同。

        在式( 1) 中,螺杆直径DS由注射机给定,δ 为经验系数,螺杆的注射行程S 可由位移传感器精确测量并通过伺服电机驱动滚珠丝杠等方式精确控制。这就是说Va能保持恒定。在传统的注射量体积控制法中,ρ 为定值,由式( 1) 求得的注射重量即为注塑制品的重量。但在实际注射过程,ρ 并非恒定,如在温度为190 ℃时,当压力从2 MPa 升至30 MPa 时,PP 熔体密度的变化率为6. 44%; 当温度为200 ℃时,施加同样压力的PP 的熔体密度变化率为6. 64%[9]。因此式( 1) 得到的注射重量并不是注塑制品的真实重量。当然传统的体积控制法也就不能实现注塑制品重量的一致性。
        由注射过程PVT 控制技术[10]可知,控制了聚合物熔体的温度和压力就实现了对ρ 的控制。故文章通过对比实验研究温度和注射压力是如何影响制品注射重量和重量重复精度的。
2. 2 制品注射重量重复精度的理论计算方法
        重复精度是指在相同测量条件下,对同一被测量物进行多次连续测量时所得结果之间的一致性程度,是表示测量结果中重复误差大小的程度[11]。因此注射重量重复精度可以理解为多次重复注射成型的注塑制品重量与理想注塑制品重量的一致性程度,是一个基于统计过程的概念。计算制品重量重复精度有以下2 种公式[12 - 13]:


式中: n 为样本制品个数; wi为第i 个制品的重量,g; wmax为样本中制品重量的最大值,g; wmin为样本中制品重量的最小值,g;w为样本制品重量的算术平均值,g; δG为制品重量重复精度,%。
        式( 2) 、( 3) 分母表示样本制品重量的算术平均值,分子表示样本数据波动。只是式( 2) 分子为样本极差,式( 3) 分子为样本标准差。故称式( 2) 为极差算法,式( 3) 为标准差算法。
2. 2. 1 极差与标准差
        极差是指一组测量值中最大值与最小值之差,是表示测量值离散性质最简单的指标。极差只指明了测定值的最大离散范围,而未能利用全部测量值的信息,不能细致地反映测量值彼此相符合的程度。极差计算简单,含义直观,运用方便,故在数据统计处理中仍有着相当广泛的应用。但是,极差是位置特征值,极易受到样本两端异常值的影响。极差对样本容量的大小具有敏感性,一般只适用于样本容量较小的情况。
        标准差对数据分布的离散程度反映得客观而准确。标准差可以当作不确定性的一种测量,在统计推断、显著性检验和重复测量等工作中起着重要作用[14 - 15]。
2. 2. 2 2 种计算方法的实验验证
        对于一组由德国Battenfeld 公司生产的全电动注射机EcoPower 55 /130H 正常连续注射的试验制品20 个,其重量依次为4. 463、4. 457、4. 466、4. 466、4. 458、4. 462、4. 467、4. 466、4. 460、4. 466、4. 463、4. 468、4. 461、4. 434、4. 461、4. 469、4. 471、4. 461、4. 469、4. 507 g,为了更真实地表示制品重量重复精度的在线测量,借用移动极差的概念,即每当得到一个新的数据点时,就在样本中加上这个新的点,同时删除其中时间上“最老的”点,然后计算与这点有关的极差。这就是说当n = 15 时,前面14 个制品是没有重量重复精度的,只有出现第15 个制品时才有第一个制品重量重复精度,出现第16 个制品是就有2 个制品重量重复精度,依此类推。故由公式( 2) 、( 3) 计算出的重量重复精度如表1 所示。


        由表1 可以看出,2种方法得出的制品重量重复精度相差很大。标准差算法求出的制品重量重复精度的值一直比极差算法的小。查阅厂家给定的注射机资料可知,该型注射机的重量重复精度小于0. 5%,故为了更客观的计算制品重量重复精度,排除异常值的影响,文章选择公式( 3) 。
3 实验部分
        该实验目的是研究注射工艺参数———温度和注射压力是如何影响制品重量和制品重量重复精度的。
3. 1 实验材料
        聚丙烯( PP) 树脂: 牌号为R/C4220,密度为0. 893 g /cm3 ,北京燕山石化公司。
3. 2 实验设备
        全电动注塑机: Eco Power 55 /130H B6,螺杆直径为22 mm,德国Battenfeld 塑料设备有限公司;
        精密电子天平: DJ2 /500,常熟市百灵天平仪器有限公司。
3. 3 成型工艺参数
        该实验采取单变量控制法,即每组工艺仅改变一个变量,其他参数保持不变。实验锁模力350 kN、保压时间8 s、保压压力60 MPa、注射速度0. 12 m/s 保持不变,工艺1 ~ 3 中,注射压力140 MPa( 注射压力与速度换算成国际单位制) ,喷嘴温度依次设为200、220、240 ℃; 工艺4 ~ 6 中,喷嘴温度220 ℃,注射压依次设为110、130、150 MPa。实验注射行程为19. 1 mm。
3. 4 实验方法
        在每组工艺条件下,注射机连续注射的试验制品数大于50个,并在其中选取连续注射表观质量无缺陷的合格制品30 个,称量每个制品的重量。称重装置测量精度不低于± 0. 001 g。
4 实验结果及分析
        文章中注射系数δ = 0. 8,由式( 1) 得注射重量为5. 187 g。各成型工艺条件下制品重量与注射重量的关系及由式( 3) 计算的制品重量重复精度分别如图2、3 所示。

        从图2、3 可以看出,当注射压力一定时,制品重量随温度的增加而减少; 当温度一定时,制品重量随注射压力的增加而增加。这与熔体密度随温度、压力的变化趋势一致。这也验证了温度、注射压力是通过熔体密度来影响注射重量,进而影响制品重量重复精度的。制品实际重量与注射重量不相同,这证明传统的注射量体积控制法并不能实现注塑制品重量的一致性。
        由图2、3 可以看出,注射压力、温度与制品重量重复精度间并不存在着线性的关系。温度对制品重量重复精度的影响很大,温度过大或过小都不利于重量重复精度的提高。当注射压力为110 ~ 140 MPa,制品重量重复精度虽有所变化,但变化的幅度较小。当注射压力大于140 MPa 时,制品重量重复精度急剧降低。这是因为当注射压力很大时,会产生严重的漏流,反而不利于制品重量重复精度的提高。
        由图2( a) 、( b) 对比及图3( a) 、( b) 对比可以看出,当制品重量分布的比较均匀时,制品重量重复精度比较高; 制品重量波动比较大时,制品重量重复精度比较低。这说明在实际生产中要提高制品重量重复精度必须实现制品重量在线精确控制。
5 结论
        1) 科学而有效的计算制品重量重复精度的方法是提高成型质量精度的前提。
        2) 温度、注射压力是通过改变熔体密度来影响制品注射重量和重量重复精度的。温度、注射压力设置都不能过大或过小,适度的温度、注射压力能保证制品有较高重量重复精度。
        3) 在实际生产中,提高制品重量重复精度必须实现制品重量在线精确控制。

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