張文娟， 包建東， 朱建曉， 周 偉

(1. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 蘇州康尼格電子科技股份有限公司， 蘇州 215000)

V型螺桿式注塑系統(tǒng)設(shè)計

張文娟1， 包建東1， 朱建曉2， 周 偉2

(1. 南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 蘇州康尼格電子科技股份有限公司， 蘇州 215000)

采用電磁加熱和V型螺桿相結(jié)合的方式來熔膠， 設(shè)計螺桿自身參數(shù)， 用光柵尺計量注膠位移實現(xiàn)定量注膠， 用LabVIEW編寫可用于螺桿式注塑設(shè)備的上位機控制程序， 對注塑參數(shù)進行設(shè)定及顯示， 并通過對話框?qū)收线M行報警， 具有較高安全性， 保存生產(chǎn)報表及生產(chǎn)配方并可隨意瀏覽各項幫助信息. 本系統(tǒng)有效消除膠料的碳化. 產(chǎn)生氣泡等問題， 提高了注塑設(shè)備的工作效率和熱熔膠的利用率.

注塑系統(tǒng)； V型螺桿； LabVIEW

0 引 言

注射成型工藝的加工設(shè)備就是塑料注射成型機， 簡稱為注射機或注塑機. 注射成型是將已加熱熔化的材料噴射注入到模具型腔內(nèi)， 經(jīng)由冷卻固化而得到成型品的方法. 注射機是成型注塑制品的設(shè)備， 它能夠一次成型外形復(fù)雜、 尺寸精確的部件， 被廣泛應(yīng)用于家用電器、 電子工業(yè)及汽車制造業(yè)等各個領(lǐng)域. 世界上的第一臺往復(fù)式螺桿注塑成型機使更多的塑料有可能通過比較經(jīng)濟的注塑成型方法加工成各種制品[1]. 我國的塑料加工業(yè)發(fā)展前景廣闊， 但相比于工業(yè)發(fā)達國家還處于技術(shù)含量較低的階段. 塑料注射制品占塑料制品總量的1/3， 據(jù)統(tǒng)計， 每年占塑料機械總臺數(shù)60%以上的注射機消耗了30%左右的塑料原料[2]. 隨著21世紀塑料工業(yè)的迅速發(fā)展， 我國的注射機在數(shù)量和品種上都有很大的提高， 如今注射機正處在一個新的高速發(fā)展階段[3].

螺桿是塑料注塑成型機中塑化部件的最重要的部件， 生產(chǎn)實踐表明： 設(shè)計制造優(yōu)良的注塑螺桿[4]， 能有效地提高塑化能力、 改善塑化質(zhì)量及混合質(zhì)量. 對于塑料擠出成型機而言， 螺桿更是心臟部件. 注塑過程由塑料變?yōu)槿垠w的塑化過程和熔體注入模腔的注塑過程組成， 具有周期性及連續(xù)性特點[5]. 螺桿的結(jié)構(gòu)和操作工藝參數(shù)直接決定著注塑機兩個過程的好壞[6]. 因此， 優(yōu)化螺桿結(jié)構(gòu)將極大地提高注塑機的性能和產(chǎn)品質(zhì)量.

注塑機在塑料制品生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛， 它能使塑料制品一次成型， 在提高生產(chǎn)效率的同時還易于實現(xiàn)自動化， 是塑料產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必不可少的機種. 因此該種機器已成為當今塑料機械中增長最快、 生產(chǎn)數(shù)量最多的機種之一. 隨著國民經(jīng)濟的快速增長以及塑料消費的快速擴大， 預(yù)計未來幾年中國注塑機將迎來新一輪的產(chǎn)量“爆發(fā)”期.

1 總體方案設(shè)計

V型螺桿式注塑系統(tǒng)集熔膠與注塑于一體， 應(yīng)用電磁感應(yīng)非接觸式加熱方式[7]代替氣體火焰加熱法[8]、 紅外線加熱法[9]等加熱方式， 感應(yīng)加熱的能量傳遞以電磁波的形式進行， 受外界的干擾很小， 能量散失少， 加熱效率高， 采用非接觸式加熱， 在加熱過程中不易摻入雜質(zhì)； 同時采用螺桿式注膠系統(tǒng)， 包括螺桿式進膠系統(tǒng)、 定量注膠系統(tǒng)及整體的注膠控制系統(tǒng)等. 螺桿式進膠系統(tǒng)利用螺桿注膠方式代替齒輪泵注膠， 可以改善注膠過程中會出現(xiàn)漏膠及注膠速率不均勻的問題， 減少注膠過程中的原料浪費， 使注膠速率更加平緩、 均勻. 定量注膠系統(tǒng)通過壓力傳感器實時監(jiān)測注膠壓力并記錄， 比較在不同的注膠壓力下注塑產(chǎn)品的質(zhì)量. 注膠控制系統(tǒng)由于溫度的熱慣性， 使得對于溫度信號的控制比電信號難度更高， 所以引入優(yōu)化的PID控制算法對溫度進行控制， 相對于普通PID算法來說， 其精度更高. 軟件控制采用虛擬儀器編程控制實現(xiàn)記錄、 顯示、 報警、 保存、 瀏覽等功能.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本套V型螺桿注膠設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)， 主要是針對目前注塑相關(guān)設(shè)備普遍存在的缺陷進行優(yōu)化， 例如： 加熱速度慢， 不能實施速熔定量定速的注膠工作； 注膠設(shè)備溫度難以控制； 齒輪泵壽命短等.

2.1 V型螺桿注塑機的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

注塑機有兩種注塑方式： 其一， 柱塞式， 現(xiàn)在已經(jīng)很少用到的一種注塑方式； 其二， 螺桿式， 螺桿式注塑機現(xiàn)在正得到人們的青睞. 可以通過對比二者的工作過程來確定改進方案.

圖 1 V型螺桿注塑機Fig.1 V screw injection molding machine

首先， 假設(shè)兩種注塑機都在相同的預(yù)塑條件下. 那么對于柱塞式注塑裝置， 柱塞在推動力的作用下， 將熔融狀態(tài)的塑料推進到料筒前端， 再經(jīng)過噴嘴射出. 這樣的注塑方式有很多缺點， 塑化的效果和質(zhì)量都不太理想， 能量的損耗也很嚴重. 對于螺桿式注塑裝置而言， 這種注塑方式更類似于螺桿擠出機的工作方式， 在螺桿的旋轉(zhuǎn)過程中， 熔融態(tài)塑料緩慢向前推進， 然后螺桿又在伺服電機的作用下以一定的壓力和速度將熔膠注入型腔. 這種方法結(jié)構(gòu)緊湊、 塑化效果好. 但是， 缺點也很明顯： 由于傳動系的頻繁啟動， 導(dǎo)致能量的極大消耗； 另外， 螺桿的前后運動也導(dǎo)致了塑化不均勻的現(xiàn)象.

通過對比， 將二者特點結(jié)合， 螺桿作為預(yù)塑段主要部件熔化膠料， 再采用柱塞將熔融狀態(tài)的膠料注射出去， 實現(xiàn)了所需的功能， 提高了加熱速度， 更方便了溫度的控制. 最終將結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖 1 所示的V型結(jié)構(gòu)： ① 汽缸1： 當預(yù)塑段熔膠完全進入注塑段后， 汽缸推動注塑螺桿前進， 抵住連接法蘭， 注射結(jié)束后， 它又控制螺桿返回原位； ② 內(nèi)置螺桿： 螺桿在工作過程中不停地轉(zhuǎn)動， 同時帶有高溫， 膠料進入預(yù)塑裝置后， 很快被融化， 并且在螺槽中向前輸送， 過程中螺桿會將熔膠進一步地壓實； ③ 料斗： 螺桿機的進料口， 顆粒狀膠粒從這里進入預(yù)塑裝置， 也可以配合滑槽封閉注塑機； ④ 伺服電機： 預(yù)塑裝置工作時， 伺服電機給螺桿提供動力， 驅(qū)動螺桿的轉(zhuǎn)動； ⑤ 加熱環(huán)： 預(yù)塑裝置的加熱環(huán)主要是加熱注塑螺桿至指定溫度， 注塑段的加熱環(huán)主要是起到為射入膠缸內(nèi)的熔膠保溫的作用； ⑥ 連接法蘭： 連通預(yù)塑段與注塑段， 預(yù)塑段的熔膠從這里進入注塑段； ⑦ 射入膠缸： 熔膠從注塑段進入這里， 直至注射前都保存在這里， 具有保溫、 保壓的作用； ⑧ 噴嘴： 它是熔膠的注射通道， 并且能控制通道的封閉， 當膠缸壓力大于彈簧的預(yù)緊力是通道打開開始注射， 反之， 通道封閉停止注射； ⑨ 柱塞： 向前推進熔膠， 增大膠缸內(nèi)的壓力， 迫使噴嘴打開， 將熔膠從射入膠缸擠出；光柵尺： 檢測柱塞的移動， 將柱塞的移動換算為注膠量， 并反饋給汽缸3， 實現(xiàn)實時控制注膠量的功能；汽缸2： 注射座的驅(qū)動裝置， 用來給噴嘴進行微調(diào)， 使得噴嘴對準模具， 保證注塑質(zhì)量；汽缸3： 為柱塞提供動力， 控制柱塞前進， 當光柵尺反饋注膠量達到設(shè)定值的信號時， 汽缸則控制柱塞返回， 停止注射.

在設(shè)計過程中， 考慮結(jié)合柱塞式和螺桿式的結(jié)構(gòu)特點. 安排預(yù)塑裝置和注射裝置的結(jié)構(gòu)， 將它們分成上下兩部分， 組成“V”型結(jié)構(gòu)； 與此同時， 用螺桿泵來完成柱塞的工作， 獲得更加緊湊的結(jié)構(gòu). 考慮到注塑產(chǎn)業(yè)的原材料——塑料， 在高溫下發(fā)生碳化和熱分解是比較常見的現(xiàn)象， 但是這也是造成注塑產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題的重要原因， V型螺桿注塑機， 其預(yù)塑裝置、 注塑裝置在結(jié)構(gòu)上是分開的， 極大地減少了空氣的進入， 提高了產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)備的使用壽命.

膠料從料斗③進入注塑機， 此時， 內(nèi)置螺桿②已經(jīng)在加熱環(huán)⑤的作用下， 通過熱傳導(dǎo)迅速升溫到了指定溫度， 同時在伺服電機④的驅(qū)動下不停轉(zhuǎn)動， 膠料進入注塑機預(yù)塑裝置后由于螺桿②的高溫而迅速熔化， 熔膠在螺桿②旋轉(zhuǎn)過程中不停推進， 在推進過程中進一步壓實， 然后通過連接法蘭⑥流入射入膠缸⑦中， 射入膠缸⑦表面也有一對加熱環(huán)， 保持熔膠的溫度， 這時， 在汽缸1①的作用下， 內(nèi)置螺桿②向前推進抵住連接法蘭⑥， 確保膠缸⑦中的熔膠不倒流， 此時膠缸⑦內(nèi)的熔膠處于保壓狀態(tài). 注塑時， 柱塞⑨在汽缸3的驅(qū)動下向前推進擠壓熔膠， 熔膠就會從膠槍⑧射出， 其輸出量由光柵尺通過檢測柱塞⑨的移動來控制. 汽缸2的作用是調(diào)整膠槍的位置， 使之對準模具.

2.2 螺桿設(shè)計

主要采用經(jīng)驗設(shè)計對螺桿注塑機的螺桿進行設(shè)計. 選取45號鋼來制造普通螺桿， 這種材料的螺桿擁有0.42%～0.50%的含碳量以及HRC55以上的硬度. 膠料在螺桿槽內(nèi)熔化并向前推進， 將熔膠送入膠缸內(nèi)， 其中螺桿頂部還可以配合法蘭小配件抵住連接法蘭， 以達到防止熔膠回流的目的[10]. 最終選擇的螺桿直徑Ds=25 mm， 長徑比L/Ds=23， 導(dǎo)程S=25 mm， 螺峰軸向?qū)挾萫=5 mm， 采用普通的矩形鋸齒型螺紋. 螺紋斷面形狀如圖 2 所示， 螺桿頭形狀如圖 3 所示， 這種螺桿頭形狀， 可以讓熔膠充分流動， 極大程度上避免了熔膠燒焦的現(xiàn)象[11]， 同時還可以配合法蘭小配件抵住連接法蘭， 形成保壓環(huán)節(jié).

圖 2 螺紋斷面形狀Fig.2 Shape of thread

圖 3 螺桿頭部形狀Fig.3 Shape of screw head

2.3 噴嘴設(shè)計

圖 4 噴嘴實物圖Fig.4 The picture of nozzle

噴嘴， 也即膠槍. 在V型螺桿機上， 使用的是超短型注膠槍， 其總長度不超過50 mm. 由于熔融態(tài)塑料溫度高達200 ℃左右， 所以在選材方面， 耐高溫成為必須考慮的一環(huán)， 同時還應(yīng)保證一定的耐腐蝕性， 經(jīng)過分析， 決定用45號鋼來作為膠槍的整體材料.

注膠噴嘴的具體原理： 噴嘴包括一個耐高溫彈簧、 一條噴射通道與一根槍針， 槍針是控制噴嘴注射的關(guān)鍵， 彈簧用來給槍針施加一個預(yù)緊力(預(yù)緊力的大小必須適當， 太大會導(dǎo)致噴射通道無法打開)， 當柱塞將熔膠推進到噴嘴后， 使得噴嘴內(nèi)部壓力上升， 這個壓力會使槍針克服彈簧的預(yù)緊力而向后退， 這時， 噴射通道打開， 熔膠經(jīng)過噴射通道注入模具. 注膠完成后， 噴嘴內(nèi)壓力會下降， 槍針再次抵住噴射通道阻止熔膠外流， 形成截止閥. 噴嘴實物圖如圖 4 所示.

2.4 定量機構(gòu)設(shè)計

圖 5 光柵尺實物圖Fig.5 The picture of grating ruler

新型的V型螺桿注塑機要能準確地控制注射量， 一個精準的定量機構(gòu)可以極大地減少膠料的消耗， 避免了不必要的浪費， 也可以提高注塑質(zhì)量， 本系統(tǒng)采用在膠缸處設(shè)置傳感器， 當膠缸內(nèi)的熔膠減少一定量時， 輸出反饋信號， 停止注射. 將一個光柵尺與注膠柱塞相連， 用光柵尺檢測柱塞的實時移動距離， 并反饋給汽缸實現(xiàn)注膠量的閉環(huán)控制. 每次注膠時， 汽缸控制柱塞向前移動以推動熔膠實現(xiàn)注膠， 注膠量是與柱塞的移動距離成正比的， 由此， 光柵尺檢測柱塞的實時移動， 再轉(zhuǎn)換成注膠量， 當注膠量達到設(shè)定值時， 光柵尺向汽缸發(fā)出反饋信號， 汽缸則不再前進， 對柱塞進行復(fù)位， 這樣， 就實現(xiàn)了對注膠量的精確控制. 如圖 5 所示， 通過光柵尺檢測柱塞位移的方式來控制注膠量的設(shè)計， 其控制精度滿足要求， 避免了浪費， 縮減了生產(chǎn)成本， 同時， 用光柵尺來實現(xiàn)定量功能結(jié)構(gòu)簡單， 安裝方便.

2.5 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

1) 預(yù)塑裝置的驅(qū)動形式： 預(yù)塑裝置主要是注塑螺桿在熔膠筒中的轉(zhuǎn)動， 可以由帶有齒輪減速器的伺服電機直接驅(qū)動. 這種方式， 可以很方便地針對不同的膠料來調(diào)節(jié)注塑螺桿的轉(zhuǎn)速.

圖 6 部分驅(qū)動機構(gòu)實物圖Fig.6 Part of the drive mechanism

2) 保壓裝置的驅(qū)動形式： 保壓裝置的作用是在預(yù)塑裝置的熔膠進入膠缸后對膠缸進行保壓， 防止回流， 這是通過螺桿向前抵住連接法蘭而實現(xiàn)的， 由于整個過程只有單一的螺桿前后運動， 只需要保證螺桿對連接法蘭的壓力即可， 采用汽缸來直接驅(qū)動螺桿， 實物如圖 6 的汽缸1.

3) 注塑裝置的驅(qū)動形式： 注塑裝置驅(qū)動方式與保壓裝置有些相似， 只要驅(qū)動柱塞的前后運動， 所以也用汽缸來驅(qū)動， 實物如圖 6 的汽缸2.

4) 注射座移動裝置的驅(qū)動形式： 在注塑時， 注射座的移動是為了保證噴嘴與模具對齊， 實際上只需對其進行微調(diào)即可， 這里依然使用汽缸來進行驅(qū)動.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機控制系統(tǒng)， 用Labview的編程控制實現(xiàn)， 根據(jù)實際需求， 可包括以下幾部分： 主程序包括主界面、 操作界面、 系統(tǒng)界面； 功能模塊包括瀏覽功能、 動畫功能、 定時功能； 數(shù)據(jù)處理模塊包括報表保存、 報警功能. Labview設(shè)計的總流程圖如圖 7 所示.

圖 7 Labview設(shè)計總流程圖Fig.7 The total flow chart of labview design

4 實驗結(jié)果及分析

通過賬號及密碼登錄系統(tǒng)與PLC 進行通訊， 對PLC進行讀寫， 既而對注塑參數(shù)進行設(shè)定及顯示[12]； 顯示注塑時各段溫度曲線、 壓力曲線， 并實時保存溫度及壓力數(shù)據(jù)； 對 PLC 輸入信號及輸出信號進行監(jiān)測， 并通過對話框?qū)收线M行報警[13]， 保證安全性； 保存生產(chǎn)報表， 保存生產(chǎn)配方并讀取配方， 提高生產(chǎn)效率； 可隨意瀏覽各項幫助信息， 觀看幫助類視頻. 主界面如圖 8 所示.

利用該設(shè)備， 達到集熔膠和注塑于一體， 對芯片等器件進行封裝， 其設(shè)備封裝效果如圖 9 所示， 有效消除了碳化、 氣泡等現(xiàn)象的產(chǎn)生， 滿足了生產(chǎn)需求， 操作簡單且功能齊全， 配方的保存與讀取功能大大提高了工作效率， 溫度及壓力的實時顯示直觀性強， 具有故障報警功能也使得安全性提高.

圖 8 程序主界面Fig.8 The main interface

圖 9 封裝效果圖Fig.9 Encapsulation rendering

5 結(jié)束語

本文介紹了V型螺桿式注塑系統(tǒng)的軟件、 硬件設(shè)計方法， 設(shè)計驅(qū)動、 螺桿、 噴嘴等機械結(jié)構(gòu)， 通過使用LabVIEW， 完成了對螺桿式注塑設(shè)備的軟件設(shè)計， 并在實際上機調(diào)試中獲得了成功， 目前已初步運用到該設(shè)備當中， 可滿足實際生產(chǎn)工作要求. 該系統(tǒng)升溫速度快、 膠利用率高、 熱效率高， 注膠速率穩(wěn)定， 注膠精準， 減少了氣泡對注塑產(chǎn)品的影響， 節(jié)省加工成本， 突顯同類產(chǎn)品的價格和性能優(yōu)勢， 具有極高的社會、 經(jīng)濟效益.

[1] Johannaber F. Injection molding machines-a users guide[J]. Modern Plastics, 1984, 61(10): 112-119.

[2] Sheets K R. News & World Report[N]. U. S. News & World Report, 1987, 103(26): 82.

[3] 王興天. 注塑技術(shù)與注射機[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005.

[4] Verbraak C P J M， Meijer H E H. Screw design in injection molding[J]. Polymer and Engineering Science， 1989， 29(7)： 479-487

[5] Amino O ， Utsuqi S. Effects of screw design on melt temperature uniformity within a shot in injection molding[J]. Annual Technical Conference-ANTEC， Conference Proceedings， 1991， 37： 464-468

[6] Osamu A， Shzrou U. Temperature measurement of polymer melts in the heating barrel during injection molding[J]. Polymer and Engineering Science， 1988， 28： 1565-1571.

[7] Chen S C, Jong W R, Chang Y J, et al. Rapid mold temperature variation for assisting the micro injection of high aspect ratio micro-feature parts using induction heating technology[J]. J Micromechan Microeng， 2006， 16(9)： 1783-1791.

[8] Kim D H, Kang M H, Chun Y H. Development of a new injection molding technology: momentary mold surface heating process[J]. J Inject Mold Technol， 2001， 5(4)： 229-232.

[9] Chang P C, Hwang S J. Experimental investigation of infrared rapid surface heating for injection molding[J]. J Appl Polym Sci， 2006， 102(44)： 3704-3713.

[10] 黃曉棟. 注射成型均勻性與穩(wěn)定性研究[D]. 北京： 北京化工大學(xué)， 2014.

[11] Spalding M A， Kuhman J A， Larson D， et al．Performance of a distributive melt-mixing screw with an advanced mixing tip[J]. Annual Technical Conference-ANTEC， Conference Proceedings， 2004， 10(1)： 599-604.

[12] Jeffrey Travis, Jim Kring. LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy and Fun[M]. 3rd Edition. Prentics Hall PTR， 2006.

[13] 鄧奕, 韓劍. LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計與應(yīng)用[M]. 武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2015.

Design of V Screw Type Injection System

ZHANG Wenjuan1, BAO Jiandong1, ZHU Jianxiao2, ZHOU Wei2

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. CONIG Electronics Technology Co., LTD, Suzhou 215000, China)

Designing parameters of screw to meet a certain amount of melt volume, adopting grating ruler for quantitative note glue by measuring the displacement of plastic injection, this system used electromagnetic heating and V type screw to make plastic melt. The software introduced is a PC control program, developed by LabVIEW, which can be used for the V screw type injection molding equipment. It can set and display parameters of injection molding and through the dialog box to the fault alarm with high security. This system can save production report and production formula and can browse through all the help information.The system effectively avoids the problem of carbonization of the rubber and bubbles, which improved the working efficiency of the injection molding equipment and the utilization rate of hot melt adhesive.

injection system; V screw type; LabVIEW

1671-7449(2017)02-0175-06

2016-10-09

張文娟(1992-)， 女， 碩士生， 主要從事注塑、 測試信號處理分析等研究.

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.015