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塑胶模具成形过程的超声波在线检测

2018年07月06日

塑胶模具成形过程的超声波在线检测

提出一种新的塑胶模具成形过程在线检测方法。利用超声波在异质界面的反射与透射行为以及对温度和压强的响应特性,研究注射成形过程中无定形塑料(GPPS)和结晶型塑料(PP)的超声衰减行为,探讨工艺参数(模具温度和保压压力)对无定形塑料超声衰减行为的影响规律。实验结果表明,超声衰减信号能准确反映出塑料熔体的注射、冷却、收缩以及结晶过程信息,可用于注射成形过程的在线检测。

塑胶模具成形过程是一个复杂的动态变化过程,塑料熔融后被注射进一定形状的模具型腔中经冷却固化后成形,整个过程塑料熔体伴随着温度和压强的剧烈变化。在实际加工中在线跟踪检测塑料熔体的演变规律具有十分重要的意义。当前,成形过程在线检测技术还主要依赖于传统的手段如热电偶、压力传感器等,传统的检测方法不但功能单一,响应时间慢,敏感性和稳定性差,而且还不能反映熔体的真实情况,其他的在线检测技术,如可视化技术,荧光技术,红外技术和介电技术等只能使用于特殊的体系和设备,不太适合工业化研究。超声波作为一种机械波,具有探头安装方便,不破坏检测对象,信号反馈速度快,内容丰富等优点,在高分子加工检测中具有十分广阔的应用前景。以超声波为研究手段,研究注射成形全过程中塑料熔体的超声响应规律,为制品质量的最优化提供理论依据。

超声波能在弹性介质中以一定的速度和方向传播,当遇到声阻抗不同的异质界面时会发生反射与透射行为,这种现象可用来进行超声检测,最常用的检测方法是脉冲反射法,该方法采用同一个超声探头兼做发射和接收装置。采用脉冲反射法对模具型腔内塑料熔体进行检测的示意图如图1所示。

超声探头发射的声波U0一部分在第一个钢/塑料界面处发生反射,记作U1,一部分发生透射经过塑料介质,在第二个钢塑料界面处发生反射并透过第一个钢/塑料界面的信号记作U2。设声波在钢中的衰减为0,声波在钢/塑料界面的声压反射系数为r,透射系数则为1+r,塑料介质对声波的衰减为α。U1和U2的声压分别如式(1)和(2)所示,负号表示反相。

从上式可看出,在界面反射系数r一定的情况下,信号峰U2的大小仅与α有关,通过信号峰U2峰高的变化情况可以了解塑料熔体的衰减信息,从而实时掌握塑料熔体状态的变化情况。当模具型腔中无塑料熔体或者塑料固化收缩脱离模具产生空隙时,则钢/塑料界面变成钢/空气界面,由于钢的声阻抗46×105g/cm2比空气的声阻抗0.004×105g/cm2大几个数量级,声波几乎在界面处全部发生反射,U2信号消失。


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