何英，沈海波，吳敬陽(yáng)

(泰瑞機(jī)器股份有限公司，浙江 杭州 310018)

注射壓力是塑料注射成型機(jī)（以下簡(jiǎn)稱注塑機(jī)）的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)北京化工大學(xué)與華南理工大學(xué)合編的《塑料機(jī)械設(shè)計(jì)》[1]第二章“注射成型機(jī)的基本參數(shù)”中的描述“注射時(shí)為了克服熔料流經(jīng)噴嘴、澆道和模腔等處的流動(dòng)阻力，螺桿（或柱塞）對(duì)塑料必須施加足夠的壓力，此壓力稱為注射壓力?！蓖瑫r(shí)指出“注射壓力不僅是熔料充模的必要條件，同時(shí)也直接影響到成型制品的質(zhì)量?！?“因此，對(duì)注射壓力的要求，不僅數(shù)值要足夠，而且要穩(wěn)定與可控?！?/p>

與此相關(guān)的還有保壓壓力與預(yù)塑背壓。保壓壓力指充模后增密補(bǔ)縮保持的注射壓力。預(yù)塑背壓是指（注塑機(jī)）螺桿在預(yù)塑時(shí)，作用在頭部的熔體壓強(qiáng)——王興天 編著《注塑工藝與設(shè)備》[2]。

注射壓力、保壓壓力與背壓壓力，是注塑機(jī)在不同工作階段所產(chǎn)生的，它們共同的點(diǎn)都是在螺桿頭前腔聚集了高溫塑料熔體并且有一定的壓力。注射壓力的計(jì)量單位是兆帕（MPa）或每平方厘米公斤（kg/cm2）。

由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)是通過計(jì)算來得出注射壓力與保壓壓力值的。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25157—2010《橡膠塑料注射成型機(jī)檢測(cè)方法》3.1.5 注射壓力的檢測(cè)一節(jié)規(guī)定：在機(jī)器空載運(yùn)行條件下，注射活塞到底，根據(jù)壓力表確定系統(tǒng)工作壓力（p0）,然后按公式（1）計(jì)算注射壓力（p）。

式中：

P—— 注射壓力，MPa；

A0——注射活塞有效面積，cm2；

P0——系統(tǒng)工作壓力，MPa；

As——螺桿或料筒柱塞的截面積，cm2；

n——注射油缸數(shù)量。

在我國(guó)當(dāng)時(shí)還沒有適用的檢測(cè)儀器時(shí)，以這種計(jì)算方法代替儀器檢測(cè)是為塑機(jī)制造商與檢測(cè)部門接受的。當(dāng)然，注射壓力的計(jì)算值并不等于實(shí)際的注射壓力，實(shí)際的注射壓力在初始因沖擊會(huì)有高脈沖值、隨后降低的波動(dòng)，考慮到止逆環(huán)、注射油缸活塞有一定程度的泄漏，會(huì)略低于計(jì)算值。

1 全電動(dòng)塑料注射成型機(jī)

全電動(dòng)塑料注射成型機(jī)（All electronic plastic injection molding machine）(以下簡(jiǎn)稱：全電機(jī))是新發(fā)展起來的一種大有前途的塑料注射成型機(jī)。區(qū)別于傳統(tǒng)的液壓式注塑機(jī)，全電機(jī)所有運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)——注射、儲(chǔ)料、防涎、噴嘴前進(jìn)后退、開合模、頂針前進(jìn)/后退、模具調(diào)節(jié)向前/向后等動(dòng)作都是采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。目前國(guó)內(nèi)制造商為了提高精度，其注射、儲(chǔ)料、防涎、開模、合模、頂針前進(jìn)、頂針后退是采用伺服系統(tǒng)，即伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)直接或通過同步帶間接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來帶動(dòng)合模絲杠、頂針絲杠或注射螺桿（柱塞）運(yùn)動(dòng)。而噴嘴前進(jìn)、噴嘴后退、模具調(diào)節(jié)向前、模具調(diào)節(jié)向后等動(dòng)作則一般采用普通異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以降低成本。

全電動(dòng)注塑機(jī)中有一個(gè)很重要的電氣元件——壓力傳感器，在注射部件的壓力傳感器，在作注射、保壓和儲(chǔ)料運(yùn)動(dòng)時(shí)，感受螺桿的反向推力，輸出與壓力成比例的電壓給控制器，以便控制器將信號(hào)進(jìn)行比較、計(jì)算，并控制各運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。各運(yùn)動(dòng)軸需要多大的力，就必須配以合適的壓力傳感器，傳感器的量程和精度是全電動(dòng)注塑機(jī)設(shè)計(jì)者必須要考慮的問題，當(dāng)然還有外形和安裝位置、價(jià)格等需要考慮的因素。

每臺(tái)全電動(dòng)注塑機(jī)的注射壓力參數(shù)，各家制造商的工程師都有自己的計(jì)算方法，現(xiàn)在的問題是機(jī)器制造裝配完畢后，如何來檢驗(yàn)該機(jī)的注射壓力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求了呢？或者說，所采購(gòu)的壓力傳感器精度和量程是否符合我們的設(shè)計(jì)值，目前尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)。

理論上講，我們可以將熔體壓力傳感器安裝在全電動(dòng)注塑機(jī)上就可以測(cè)量其注射壓力和保壓壓力，但是如何確定手頭的熔體壓力傳感器所輸出的信號(hào)與感受到的融體壓力的比值函數(shù)關(guān)系，從而檢驗(yàn)全電機(jī)的注射（保壓）壓力達(dá)到的實(shí)際值是否符合設(shè)定值？

由于一般的熔體壓力傳感器并不提供熔體壓力與輸出電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們手頭就恰恰有這樣一支熔體壓力傳感器，如何用它來檢驗(yàn)全電動(dòng)注塑機(jī)的注射壓力值？

本文介紹的就是利用液壓驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)得到熔體壓力傳感器的特性關(guān)系表，再用它來對(duì)全電動(dòng)注射機(jī)的保壓（注射）壓力進(jìn)行校驗(yàn)。

2 熔體壓力傳感器的選擇

塑料原料雖有不同，但是一般來說，處于熔融狀態(tài)的塑料原料的溫度往往高于200℃，而注射壓力目前都高達(dá)250 MPa ，因此，需要使用比較適合的測(cè)量?jī)x器。

意大利杰佛倫公司的熔體壓力傳感器可供選擇：

熔體壓力傳感器型號(hào)：IJ-N-7-M-P40M-I-JN-E27.5MPa。

從其說明書可以看到，這種壓力傳感器測(cè)量范圍是（300/275）MPa, 測(cè)量時(shí)的溫度范圍是+20～+350℃，符合我們的實(shí)驗(yàn)要求。熔體壓力傳感器外形圖，如圖1所示。

圖1 熔體壓力傳感器

3 制作專用接體

為了安裝熔體壓力傳感器，需要制作了一個(gè)專用的測(cè)試噴嘴，如圖2所示。

圖2 測(cè)試用連接體噴嘴

專用噴嘴的螺紋端與注塑機(jī)料筒連接，要求在測(cè)試過程中不漏料。

噴嘴側(cè)面有二個(gè)螺孔，其中A螺孔與熔體壓力傳感器的連接螺紋配合，B螺孔中安裝一只調(diào)節(jié)螺絲。（見圖3）

圖3 專用噴嘴裝配著熔體壓力傳感器和調(diào)節(jié)螺絲

調(diào)節(jié)螺絲可以完全打開如（圖4），也可以將螺絲旋轉(zhuǎn)90°，將噴嘴孔堵死如圖5。

圖4 噴嘴孔開

圖5 噴嘴孔關(guān)閉

4 選擇液壓驅(qū)動(dòng)塑料注射成型機(jī)

為了校驗(yàn)熔體壓力傳感器并得到其輸出的信號(hào)與感受到的熔體壓力的比值函數(shù)關(guān)系，需要選擇一臺(tái)符合要求的液壓驅(qū)動(dòng)塑料注射成型機(jī)，它應(yīng)當(dāng)具有以下條件：

（1）是熱塑性注塑機(jī)，最好其注射當(dāng)量、螺桿直徑與待測(cè)全電動(dòng)注射機(jī)相同或接近。

（2）進(jìn)行止逆環(huán)密封性（回流）實(shí)驗(yàn)，確保螺桿與止逆環(huán)無(wú)磨損、止逆環(huán)密封良好。因?yàn)槿绻鼓姝h(huán)的密封性不好，將不會(huì)得到正確的熔體壓力傳感器輸出信號(hào)與融體壓力之間的關(guān)系表。

測(cè)試方法是將噴嘴堵死，將料筒溫度加熱至料筒內(nèi)的塑料原料充分融化，以不低于額定注射壓力50%的注射壓力進(jìn)行注射動(dòng)作，觀察螺桿的位移，如果在一分鐘內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)距離不超過0.5 mm則可以認(rèn)為該注塑機(jī)的塑化組件的密封性是可以接受的，也就是這臺(tái)注塑機(jī)可以用于測(cè)試。由于注射位移行程是通過高精度電子尺（圖6）記錄和控制器顯示屏顯示的，其測(cè)量的位移精度為0.1 mm，所以符合使用條件。

圖6 電子尺

如果止逆環(huán)密封性測(cè)試結(jié)果不理想，則應(yīng)當(dāng)更換止逆環(huán)。

（3）注塑機(jī)控制器具有多段保壓壓力曲線顯示，最好選擇的控制器顯示屏上有10段或以上的保壓壓力顯示。我們采用的注塑機(jī)的控制系統(tǒng)是臺(tái)灣弘訊公司的領(lǐng)航系列塑料注射成型機(jī)專用控制器。由于實(shí)驗(yàn)需要取多于10段的保壓壓力值對(duì)應(yīng)熔體壓力傳感器的電壓輸出值，所以，我們選擇了手動(dòng)設(shè)定和操作模式。

（4）實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值成線性關(guān)系，這點(diǎn)很重要。通過事先仔細(xì)的調(diào)整校驗(yàn)，使控制面板上的設(shè)定值與油壓表的顯示值一致且呈線性。

（5）將液壓驅(qū)動(dòng)式注塑機(jī)調(diào)整到可以正常工作狀態(tài)。包括：各油缸動(dòng)作符合要求；視測(cè)試原料型號(hào)規(guī)格將料筒溫度設(shè)定到可以使塑料原料充分融化。

5 實(shí)驗(yàn)過程

（1）拆除原噴嘴，將實(shí)驗(yàn)專用噴嘴連接體安裝到注塑機(jī)的料筒上。

（2）將熔體壓力傳感器與調(diào)節(jié)螺釘安裝到噴嘴連接體上；在連接時(shí)要仔細(xì)閱讀所附說明書，注意各接線標(biāo)志，不能接錯(cuò)。同時(shí)在將熔體壓力傳感器連接到噴嘴連接體上時(shí)，要注意將螺紋完全擰進(jìn)，防止由于高溫、高壓的熔融塑料原料噴濺出，不但會(huì)損壞儀器，還會(huì)傷害人體。

（3）按照熔體壓力傳感器說明書連接好電源線和并將輸出信號(hào)線連接到量程恰當(dāng)?shù)碾妷罕砩稀?/p>

（4）驗(yàn)證熔體壓力傳感器的信號(hào)與壓力值曲線關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)注塑機(jī)：泰瑞D160/600 （如圖7），機(jī)器編號(hào) ：D1060-0597。

圖7 液壓連桿注塑機(jī)D160/600

機(jī)器參數(shù)：螺桿直徑45 mm，注射缸內(nèi)徑115 mm，注射活塞桿直徑50 mm，注射機(jī)控制器型號(hào)弘訊TECH2H-Q8，實(shí)驗(yàn)塑料原料ABS。

（5）我們知道，注塑機(jī)注射轉(zhuǎn)保壓通常有3種模式，即位置轉(zhuǎn)保壓，時(shí)間轉(zhuǎn)保壓和壓力轉(zhuǎn)保壓。

我們的實(shí)驗(yàn)采取的是位置轉(zhuǎn)保壓模式，設(shè)定當(dāng)螺桿向前進(jìn)到距螺桿前進(jìn)到底20 mm處，控制器發(fā)指令，注塑機(jī)由注射模式轉(zhuǎn)成保壓模式。

噴嘴安裝完畢，進(jìn)行噴嘴開、關(guān)的可靠性試驗(yàn)，將調(diào)節(jié)螺絲旋轉(zhuǎn)90。關(guān)閉噴嘴，這時(shí)即使作注射動(dòng)作，也不應(yīng)有熔融塑料從噴嘴孔漏出。

（6）設(shè)定保壓壓力?？梢杂凶詣?dòng)或手動(dòng)2種方式。如果采用自動(dòng)方式，由于一般控制器只能有10段保壓段，數(shù)據(jù)不夠多。為了使數(shù)據(jù)更多和密集些，我們采用手動(dòng)設(shè)定保壓壓力和手動(dòng)注射模式，將每段的保壓時(shí)間適當(dāng)加長(zhǎng)，以便有充足時(shí)間觀察和記錄。在壓力設(shè)定上，我們從低向高，再?gòu)母咄?，重?fù)3次，最后取平均值。

（7）將螺桿移動(dòng)到保壓區(qū)，這時(shí)打注射動(dòng)作，而螺桿前端的熔體壓力是保壓壓力。經(jīng)過操作，得到熔體壓力傳感器信號(hào)——保壓壓力對(duì)應(yīng)數(shù)值記錄如表 1。

表1 液壓機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

表1內(nèi)數(shù)據(jù)畫成折線圖如圖8?？v坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)液壓連桿式注塑機(jī)保壓時(shí)的螺桿前腔熔料壓力（保壓壓力），橫坐標(biāo)為熔體壓力傳感器輸出電壓值?？梢钥吹?，該熔體壓力傳感器的電壓輸出與保壓壓力是呈線性關(guān)系的，符合使用要求。

圖8 液壓連桿式注塑機(jī)保壓時(shí)螺桿前腔壓力值與熔體壓力傳感器輸出電壓關(guān)系

（8）我們對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)作了拍照。

實(shí)驗(yàn)照片如圖9、圖10所示。

（9）試驗(yàn)得到了此熔體壓力傳感器所感應(yīng)到的融體壓力與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。

6 對(duì)全電動(dòng)注塑機(jī)的注射壓力及保壓壓力進(jìn)行校驗(yàn)。

選擇一臺(tái)待校驗(yàn)的全電動(dòng)注塑機(jī)，我們選擇的是泰瑞公司生產(chǎn)的型號(hào)規(guī)格為DE230/E620全電動(dòng)注塑機(jī)如（圖11），其含有壓力傳感器的注射部件如圖12。

螺桿直徑45 mm，實(shí)驗(yàn)塑料原料ABS，控制器型號(hào)科霸 keplast i2880-0220-00，操作步驟：拆去全電動(dòng)注塑機(jī)的原有噴嘴，將這套實(shí)驗(yàn)裝置安裝上去（如果噴嘴連接體與料筒的連接螺紋不配，則需要另行制作一個(gè)轉(zhuǎn)換接體）。同樣將壓力傳感器放大器的電源接好，并將其輸出線與控制器的模擬量輸入端連接。

在全電動(dòng)注塑機(jī)上設(shè)置不同壓力值的保壓壓力值電動(dòng)注塑機(jī)的保壓壓力值是直接設(shè)置螺桿前腔壓力的，為了便于對(duì)照，我們將保壓壓力值設(shè)置得與取值液壓驅(qū)動(dòng)注射機(jī)大致一樣。

同樣是在螺桿位置處于保壓區(qū)，設(shè)定不同的保壓值，采用手動(dòng)模式打注射動(dòng)作，讀取熔體壓力傳感器的電壓輸出值，并記錄在表內(nèi)。為了數(shù)據(jù)更加可靠，我們的壓力設(shè)定從低向高，再?gòu)母咄?，重?fù)3次，最后取平均值。從所得電壓值可以得到相應(yīng)輸出電壓所對(duì)應(yīng)的融料壓力，即全電注塑機(jī)的實(shí)際保壓壓力。

圖9 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1 杰佛倫熔體壓力傳感器

圖10 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景2，萬(wàn)用表讀取熔體壓力傳感器輸出的電壓值

圖11 全電動(dòng)注塑機(jī)

圖12 全電動(dòng)注塑機(jī)的注射部件

將實(shí)際保壓壓力與在控制器上的設(shè)定值進(jìn)行比較，如果有偏差，則可以在全電動(dòng)注塑機(jī)的控制器上作調(diào)整，并固定下來。這臺(tái)全電動(dòng)注塑機(jī)在屏幕上的注射壓力和保壓壓力設(shè)定值是基本正確的了。其保壓頁(yè)面如圖13所示。經(jīng)過測(cè)試，得到數(shù)據(jù)如表2。

圖13 全電動(dòng)注塑機(jī)控制器保壓設(shè)定界面

表2 全電動(dòng)注射機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

按照表格數(shù)據(jù)畫出曲線圖14。圖中，縱坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)全電動(dòng)注塑機(jī)設(shè)定保壓時(shí)螺桿前腔融料壓力（保壓壓力），橫坐標(biāo)為熔體壓力傳感器輸出電壓值。

圖14 全電動(dòng)注塑機(jī)保壓時(shí)螺桿前腔壓力值與熔體壓力傳感器輸出電壓關(guān)系

7 數(shù)據(jù)比較

我們將表1和表2的二組數(shù)據(jù)組合在一張圖上作比較如圖15。

圖15 熔體壓力傳感器輸出電壓與液壓連感注塑機(jī)、全電動(dòng)注塑機(jī)保壓壓力關(guān)系

圖中各參數(shù)說明：

橫坐標(biāo)是熔體壓力傳感器的輸出電壓，V；縱坐標(biāo)是螺桿前腔熔融塑料的壓力值kg/cm2；實(shí)線（1號(hào)線）是液壓連桿式注塑機(jī)保壓時(shí)螺桿前腔壓力值；單位：kg/cm2；虛線 （2號(hào)線）是全電動(dòng)注射機(jī)根據(jù)熔體壓力傳感器輸出電壓值所對(duì)應(yīng)的螺桿前腔的注射壓力計(jì)算值，kg/cm2。

將兩組數(shù)據(jù)形成的曲線放在同一張表中，可以看到，二條曲線基本重合，這說明在熔體壓力傳感器上輸出的電壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的液壓連桿式注塑機(jī)的注射壓力與全電動(dòng)注塑機(jī)的注射壓力值是基本一致的，這樣就驗(yàn)證了全電動(dòng)注塑機(jī)的壓力傳感器選型基本正確。

當(dāng)然，我們注意到，這兩條曲線并非處處重合，如果選取更高精度的熔體壓力傳感器，或?qū)嶒?yàn)過程更細(xì)致些，或許能得到更說明問題的結(jié)論。

此外，對(duì)全電動(dòng)注塑機(jī)儲(chǔ)料背壓的校核，同樣也可以采用這種方法，但是由于背壓壓力值一般大大低于注射壓力值，所以最好采用低壓力量程的熔體壓力傳感器，以求比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

8 結(jié)語(yǔ)

本文所描述的實(shí)驗(yàn)給各全電動(dòng)注射機(jī)制造商驗(yàn)證全電動(dòng)注射機(jī)注射壓力和保壓壓力的一種方法，也給了全電動(dòng)注射機(jī)的使用者一個(gè)比較實(shí)用的檢測(cè)手段。

[1]北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué).塑料機(jī)械設(shè)計(jì).中國(guó)輕工業(yè)出版社，1995,12.

[2]王興天.注塑工藝與設(shè)備.化學(xué)工藝出版社，2009,11.

[3]GB/T 25157—2010《橡膠塑料注射成型機(jī)檢測(cè)方法.ICS 71.120;83.200.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010,11.