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PT-50V電液復(fù)合高速注射機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

2015-10-10 00:16靳鋒亮董力群楊于光
橡塑技術(shù)與裝備 2015年12期
關(guān)鍵詞:塑化注塑機(jī)蓄能器

靳鋒亮,董力群,楊于光

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

PT-50V電液復(fù)合高速注射機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

靳鋒亮,董力群,楊于光*

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

按照微結(jié)構(gòu)制品的成型要求,設(shè)計(jì)了一種高速注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)。并基于AMESim仿真軟件平臺(tái),建立了高速注射液壓系統(tǒng)的注射系統(tǒng)模型,對(duì)所設(shè)計(jì)的高速注射液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。最后,通過(guò)高速注射實(shí)驗(yàn)和仿真分析對(duì)比,驗(yàn)證了所提出方案的可行性。

注塑機(jī);高速注射;液壓系統(tǒng);AMESim仿真

近年來(lái)隨著液晶顯示器(LСD)、手機(jī)等電子產(chǎn)品的高速發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)超薄導(dǎo)光板的需求越來(lái)越大。導(dǎo)光板常用注射成型的方法來(lái)制作,但在為了減少導(dǎo)光板的用材、提高光效,導(dǎo)光板一直向著超薄化的方向發(fā)展[1]。而使用普通注塑機(jī)(注射速度約為200 mm/s)進(jìn)行超薄導(dǎo)光板的生產(chǎn),容易出現(xiàn)注射速度不夠,熔體在模具中快速冷卻之后,模具填補(bǔ)不滿的問(wèn)題。特別對(duì)于具有表面微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板,用普通注塑機(jī)不能完成微結(jié)構(gòu)成型加工。日本、德國(guó)等國(guó)一直在研究高速注射機(jī),實(shí)現(xiàn)超薄導(dǎo)光板的高效和批量化生產(chǎn)[2]。

導(dǎo)光板其結(jié)構(gòu)為薄壁、大面積的制品,屬于典型的流長(zhǎng)比比較大的產(chǎn)品,其對(duì)注塑機(jī)的要求如下[3]:

(1)注射速度高:高精度微結(jié)構(gòu)塑件注塑成型,其注塑工藝要求在短時(shí)間內(nèi)完成,以防止熔體凝固、導(dǎo)致成型有缺陷的注塑件,所以要求高的注射速度。

(2)精密計(jì)量:微注塑成型零件的質(zhì)量通常都比較小,往往以毫克計(jì)量,所以注射機(jī)在一次注射控制單元的過(guò)程當(dāng)中需要具有精密計(jì)量以達(dá)到控制精度。

(3)快速響應(yīng)速度:由于微注塑成型的注射量相當(dāng)小,相應(yīng)的注射設(shè)備的螺桿/柱塞的移動(dòng)行程也就很短,所以要求注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)須具備很快的響應(yīng)速度,繼而保證注塑機(jī)能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的注射速度。

現(xiàn)在世界水平比較高的超薄導(dǎo)光板厚度一般在0.32 mm左右,熔融的塑料在充填模腔的過(guò)程中與模具表面接觸,很容易冷卻固化。一般來(lái)說(shuō),需要提高注射速度,在高速高壓下保證熔料在沒(méi)有固化前就能完整的將模腔填充滿,并在塑件補(bǔ)縮的過(guò)程中有足夠高的保壓壓力保證塑件不縮水[4]?;诖酥夹柙O(shè)計(jì)一種高速注射液壓系統(tǒng)以能夠滿足成型厚度在0.32 mm以內(nèi)的超薄導(dǎo)光板。

高速注塑機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器設(shè)計(jì)參數(shù)

1 高速注射液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注塑機(jī)高速注射系統(tǒng)的主要功能有兩個(gè),一是保證能高效高質(zhì)量的塑化物料;二是實(shí)現(xiàn)高速、高壓、高精度的計(jì)量注射。通過(guò)對(duì)比注塑機(jī)不同塑化、注射及驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn),采用以下設(shè)計(jì)方案:注射系統(tǒng)采用雙階螺桿預(yù)塑式注塑裝置,把溶膠和注射二個(gè)功能分離,用伺服電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)塑化功能,用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柱塞實(shí)現(xiàn)高速注射功能。雙階螺桿預(yù)塑式注塑裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雙階螺桿預(yù)塑式注射裝置采用螺桿塑化和柱塞注射方式,它具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]:

(1)塑化與注射分離有利于解決注射壓力、注射行程、注射速度與塑化能力之間的矛盾;

(2)塑化與注射分離有利于提高注射壓力和注射速度,降低液壓泵流量,起到節(jié)能的效果。

1.1高速注射液壓系統(tǒng)原理圖

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)包括合模、開(kāi)模、注射座移動(dòng)及注射等多個(gè)系統(tǒng)回路,在此主要研究高速注射,即液壓系統(tǒng)中的注射回路。設(shè)計(jì)的高速注射液壓系統(tǒng)圖如圖2所示。注射系統(tǒng)由蓄能器驅(qū)動(dòng)和伺服閥控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高速注射及控制注射精度。

圖1 注塑機(jī)注射系統(tǒng)的組成

圖2 高速注射液壓系統(tǒng)原理圖

注射液壓系統(tǒng)工作過(guò)程為:非注射工況時(shí),電機(jī)帶動(dòng)液壓泵給蓄能器充液,當(dāng)充液壓力達(dá)到溢流閥壓力設(shè)定值時(shí),電磁換向閥1YA得電,液壓泵通過(guò)溢流閥卸荷。

當(dāng)系統(tǒng)注射時(shí),電磁換向閥2YA及伺服閥3YA得電,插裝閥打開(kāi),蓄能器存儲(chǔ)的高壓油通過(guò)伺服閥左位進(jìn)入注射液壓缸推動(dòng)活塞帶動(dòng)柱塞向前快速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速注射。

1.2主要液壓元件選擇及參數(shù)選擇

1.2.1注射油缸參數(shù)

選系統(tǒng)的工作壓力為17.5 MPa,注射回路系統(tǒng)壓力損失1.5 MPa,注射時(shí)注射油缸無(wú)桿腔進(jìn)油,注射油缸最高工作壓力P=16 MPa,注射液壓缸活塞直徑D:

注射油缸無(wú)桿腔面積A1:

注射速度為1 000 mm/s時(shí),注射油缸的流量Q:

1.2.2蓄能器參數(shù)

根據(jù)理論注射量為20 сm3,選取注射量為Vz=21 сm3,則注射行程Si:

確實(shí)注射行程Si=120 mm

注射液壓缸在注射階段所需液壓油的體積V:

而注射液壓缸的液壓油體積V又是由蓄能器體積變化ΔV提供的,即:

式中:

p0——蓄能器的預(yù)充氣壓力;

p1——蓄能器的最低工作壓力;

p2——蓄能器的最高工作壓力;

V0、V1、V2分別對(duì)應(yīng)為p0、p1、p2的氣體容積;n為多變過(guò)程指數(shù),絕熱過(guò)程n=1.4。

為保證足夠注射壓力及降低注射壓力的波動(dòng),取蓄能器最低工作壓力和最高工作壓力分別為16.5 MPa和17.5 MPa;

蓄能器的預(yù)充氣壓力滿足:0.25p1<p0<0.9p2,取p0=14 MPa。

則由式(6)求V0=10.9 L。

根據(jù)蓄能器容量的計(jì)算結(jié)果,選定型號(hào)為NXQ-A-10/20-L-Y的氣囊式蓄能器作為注射系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源,該蓄能器的公稱(chēng)容積為10 L,公稱(chēng)壓力為20 MPa。

1.2.3伺服閥參數(shù)

由式(3)知,注射階段需要流量為119 L/min,則伺服閥空載流量QNL:

額定流量QN:

根據(jù)額定流量計(jì)算結(jié)果,選用MOOG D662-D02型伺服閥。

2 高速注射液壓系統(tǒng)AMESim仿真分析

2.1高速注射液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型及參數(shù)設(shè)置

圖3 高速注射液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

根據(jù)圖2所示的液壓系統(tǒng)原理圖,建立如圖3所示的液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置如下:電機(jī)轉(zhuǎn)速970 r/min,油泵最大排量35 L/min,溢流閥壓力17.5 MPa,蓄能器體積10 L,充氣壓力14 MPa,伺服閥額定流量250 L/min,壓降為1 Mpa,注射缸活塞直徑65 mm。

2.2高速注射液壓系統(tǒng)仿真分析

2.2.1伺服閥前置放大器增益變化時(shí),注射速度仿真分析

首先設(shè)定階段信號(hào)的值為8,即設(shè)定注射速度為800 mm/s,設(shè)置增益K的值分別為5、10、50、100,運(yùn)用軟件批處理運(yùn)行仿真功能對(duì)注射缸輸出速度進(jìn)行仿真,仿真時(shí)間為50 ms。仿真結(jié)果如圖4所示,從圖4中可以看出,隨著增益K值的增加,注射速度會(huì)逐漸增大,但當(dāng)增益K超過(guò)一定值時(shí),注射速度會(huì)產(chǎn)生震蕩,系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。增益K的值為50時(shí),注射速度接近于設(shè)定的速度值,穩(wěn)定在792 mm/s。

圖4 不同增益K下注射速度曲線

2.2.2伺服閥到注射缸之間不同管道長(zhǎng)度對(duì)注射速度的影響

設(shè)定伺服閥到注射缸之間的管道長(zhǎng)度分別為50 mm、250 mm、500 mm,進(jìn)行批處理仿真,仿真時(shí)間為30 ms,仿真結(jié)果如圖5所示,從圖5中可以看出,管道長(zhǎng)度越短,注射速度響應(yīng)越快,隨著管道長(zhǎng)度的增加,注射速度響應(yīng)會(huì)延遲,當(dāng)長(zhǎng)度到達(dá)一定值時(shí),注射速度會(huì)產(chǎn)生震蕩,系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。為了避免管道長(zhǎng)度的影響,可以將伺服閥接口與注射缸進(jìn)出口直接連接在一起,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2.2.3參數(shù)優(yōu)化后注射速度仿真分析

通過(guò)上面分析,在子模型模式下將仿真模型中伺服閥和注射缸之間的管道選型為DIREСT,即表示伺服閥和注射缸直接連在一起,在參數(shù)模式下,設(shè)定階段信號(hào)為8,增益K為50,其它參數(shù)保持不變,進(jìn)行仿真運(yùn)行,仿真時(shí)間為60 ms,仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,注射速度在16 ms內(nèi)快速響應(yīng)到穩(wěn)定值792 mm/s,且非常接近速度設(shè)定值,滿足高速注射對(duì)速度的要求。

圖5 不同管道長(zhǎng)度下的注射速度曲線

圖6 注射速度曲線

3 液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)用的高速注射機(jī)樣機(jī)為寧波力勁機(jī)械有限公司生產(chǎn)的PT-50V型高速注塑機(jī),注塑機(jī)樣機(jī)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)制品為導(dǎo)光板,實(shí)驗(yàn)材料為PС。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,從圖8中可以看出,在實(shí)際高速注射過(guò)程中,注射速度和設(shè)定速度之間有較大差距,隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng),注射速度逐漸接近速度設(shè)定值,由于注射過(guò)程時(shí)間極短,約0.08 s左右,系統(tǒng)的響應(yīng)速度對(duì)高速注射有很大的影響。

圖7 高速注射樣機(jī)

4 結(jié)論

基于微結(jié)構(gòu)注塑成型特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種高速注塑機(jī)的液壓系統(tǒng),并用AMESim仿真軟件進(jìn)行了建模和數(shù)值計(jì)算,通過(guò)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的可行性、以及AMESim計(jì)算模型的正確性,并達(dá)到了高速注射的要求。這對(duì)高速注射機(jī)的設(shè)計(jì)和制造具有重要的理論和實(shí)際參考意義。

圖8 設(shè)定速度720 mm/s下樣機(jī)注射速度

[1] 史學(xué)峰.導(dǎo)光板注射成型技術(shù)的研究[D]. 蘇州:蘇州大學(xué),2008.

[2] 溫振興.導(dǎo)光板精密注射成型設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及工藝的研究[D]. 北京:北京化工大學(xué),2009.

[3] 楊衛(wèi)民.微注射成型技術(shù)國(guó)際最新發(fā)展與應(yīng)用[J]. 塑料制造,2009,(8):51~53.

[4] 區(qū)仲榮,何文瀚. 中小尺寸超薄導(dǎo)光板的射出壓縮成型技術(shù)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2011, (4):120~121.

[5] 倪衛(wèi)濤. 橡膠注射成型機(jī)注射裝置結(jié)構(gòu)分析研究[J]. 橡塑技術(shù)與裝備,2011,37(5):14~17.

Design and research of PT-50V electro-hydraulic complex high-speed injection molding machine hydraulic system

Design and research of PT-50V electro-hydraulic complex high-speed injection molding machine hydraulic system

Jin Fengliang, Dong Liqun, Yang Yuguang
(College of Mechanical and Electrical Engineering, BUCT, 100029, Beijing, China)

In accordance with the requirements of the micro-structure molded product, we designed a hydraulic system of a high-speed injection molding machine. Based on AMESim simulation software platform, we also established injection system model of the high-speed injection hydraulic system, and ran simulation analysis for designed high-speed injection hydraulic system. Finally, we had high-speed injection experiment and simulation analysis and comparison, to verify the feasibility of the proposed scheme.

injection molding machine; high-speed injection; hydraulic system; AMESim simulation

TQ320.662

1009-797X(2015)12-0001-05

B DOI:10.13520/j.сnki.rpte.2015.12.001

(XS-04)

靳鋒亮(1986-)男,北京化工大學(xué)在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)樽⑺軝C(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2015-03-12

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