本發(fā)明涉及塑料成型技術(shù)，具體涉及一種微發(fā)泡注塑成型過程中泡孔尺寸的超聲在線檢測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)：

微發(fā)泡注塑成型，是一種在聚合物內(nèi)部生成無數(shù)微小泡孔的精密注塑技術(shù)。微發(fā)泡注塑成型工藝突破了傳統(tǒng)注塑成型的諸多局限，可顯著減輕制件的重量，縮短成型周期，并極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩(wěn)定性。微發(fā)泡注塑成型工藝對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量要求的精密制品具有很大的優(yōu)勢(shì)，得到了越來越多的重視和越來越廣泛的應(yīng)用。

微發(fā)泡注塑成型中，泡孔的尺寸是影響微發(fā)泡注塑成型制品的機(jī)械和力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。實(shí)現(xiàn)對(duì)泡孔尺寸的有效檢測(cè)和有效控制，是微發(fā)泡注塑成型工藝投入大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

泡孔的尺寸檢測(cè)至關(guān)重要，但又困難重重。由于泡孔在注塑件的內(nèi)部，被表層材料所覆蓋。因此，無法通過光學(xué)方法來測(cè)量。目前泡孔的尺寸都是通過離線的，將制品切開得到橫截面來機(jī)械測(cè)量。但這種方法有其不可避免的缺點(diǎn)：

(1)這種方法需要破壞制品，具有破壞性。

(2)新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來調(diào)整工藝參數(shù)，以得到合適的泡孔尺寸，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

(3)一旦更改模具，則需要重新做大量實(shí)驗(yàn)來調(diào)整工藝參數(shù)，該方法靈活性差。

面對(duì)目前檢測(cè)手段的種種弊端，世界上多家科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者都在尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的，可以實(shí)時(shí)在線表征泡孔尺寸的檢測(cè)手段，以便實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，以優(yōu)化制品的成型效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種成本低廉，使用方便，精度易控制，無損的用于微發(fā)泡注塑成型中泡孔尺寸的超聲實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法和裝置。

在微發(fā)泡注塑成型制品內(nèi)部，會(huì)彌散有無數(shù)微小泡孔。在不同的發(fā)泡工藝參數(shù)下，泡孔的尺寸和參數(shù)會(huì)有很大的不同。當(dāng)塑料熔體注入前，超聲波會(huì)被注塑系統(tǒng)內(nèi)的空氣散射，使反射信號(hào)基本消失；當(dāng)塑料熔體進(jìn)入注塑系統(tǒng)初期，其內(nèi)部的氣泡在形核，長大，此階段會(huì)產(chǎn)生反射波信號(hào)；當(dāng)氣泡最終成型后，泡孔的散射作用已足夠強(qiáng)大，使反射信號(hào)基本消失。泡孔尺寸越大，則其泡孔數(shù)量越少，反射波跨度的時(shí)間區(qū)間也就越長，由此根據(jù)反射波跨度的時(shí)間區(qū)間，即可得到泡孔尺寸的大小。本發(fā)明即是建立在上述理論上。

一種微發(fā)泡注塑成型制品內(nèi)泡孔尺寸的超聲在線檢測(cè)方法，包括如下步驟：

(1)針對(duì)在線的注塑系統(tǒng)，在垂直于塑料熔體流動(dòng)方向上，向成型過程中的制品發(fā)射一系列超聲波，采集該系列超聲波的回波信息；

(2)確定接收到包含反射波信號(hào)的回波信息的起始時(shí)間差δt；

(3)將起始時(shí)間差δt代入預(yù)先得到的起始時(shí)間差δt與泡孔尺寸d間的擬合公式，得到微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。

本發(fā)明中，所述的起始時(shí)間差δt與泡孔的成長時(shí)間對(duì)應(yīng)。泡孔越大，則意味著生長時(shí)間越長，進(jìn)而上述起始時(shí)間差也就越大，通過尋找兩者之間的關(guān)系，可以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部泡孔尺寸的在線檢測(cè)。

步驟(1)中，一般是將超聲探頭設(shè)置在模具的外壁上。

作為優(yōu)選，步驟(3)中所述擬合公式的具體求法如下：

(3-1)針對(duì)同一注塑系統(tǒng)，在垂直于塑料熔體流動(dòng)方向上，向成型過程中的制品發(fā)射一系列超聲波，采集該系列超聲波的回波信息；

(3-2)確定接收到包含反射波信號(hào)的回波信息的起始時(shí)間差δt′；

(3-3)將對(duì)應(yīng)注塑件取出，在超聲波探測(cè)部位切開，得到該注塑件內(nèi)的泡孔平均尺寸d’；

(3-4)改變注塑系統(tǒng)的工藝參數(shù)，重復(fù)步驟(1)-(3)，得到多組δt′和d’數(shù)據(jù)；

(3-5)對(duì)得到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到起始時(shí)間差δt′和泡孔平均尺寸d’的函數(shù)關(guān)系式。

作為優(yōu)選，擬合采用的方法為線性擬合或多項(xiàng)式擬合。作為進(jìn)一步優(yōu)選，該擬合最好采用二項(xiàng)式擬合。采用二項(xiàng)式擬合既可以保證相關(guān)度，又可減少計(jì)算量。

作為優(yōu)選，步驟(2)中起始時(shí)間差δt由下述方法得到：

(2-1)利用matlab程序?qū)υ冀邮盏幕夭ㄐ畔⑦M(jìn)行處理，得到回波信息圖譜；

(2-2)從回波信息圖譜中計(jì)算得到所述的起始時(shí)間差δt。

為進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，作為優(yōu)選，步驟(1)中設(shè)置多個(gè)超聲檢測(cè)點(diǎn)，取各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上泡孔尺寸的平均值，得到所述的微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸d。

由于原始接收的回波信息量巨大，為了提高計(jì)算機(jī)計(jì)算效率，作為優(yōu)選，步驟(2-1)中，間隔提取所述回波信息，對(duì)提取的回波信息進(jìn)行處理，得到回波信息圖譜。作為進(jìn)一步優(yōu)選，提取所述回波信息的間隔時(shí)間為(1～5)％×δt，或(1～5)％×t0，其中t0為預(yù)估的泡孔成長時(shí)間。實(shí)際確定間隔時(shí)間時(shí)，可通過預(yù)先的實(shí)驗(yàn)，預(yù)估出泡孔成長時(shí)間t0。采用該技術(shù)方案，保證在泡孔形成過程中，提取出盡量多的超聲波進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步提高起始時(shí)間差的準(zhǔn)確度，進(jìn)而進(jìn)一步保證最終泡孔尺寸的精確度，同時(shí)也保證了計(jì)算效率。

本發(fā)明還提供了一種微發(fā)泡注塑成型制品內(nèi)泡孔尺寸的超聲在線檢測(cè)裝置，包括：

設(shè)置在線的、在注塑系統(tǒng)中垂直于塑料熔體流動(dòng)方向上的超聲探頭；

控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波的超聲卡，用于接收和采集回波信息，并將采集到的回波信息輸出；

計(jì)算機(jī)，用于接收所述回波信息，并對(duì)采集到的回波信息進(jìn)行處理，計(jì)算接收到包含反射波信號(hào)的回波信息的起始時(shí)間差δt，得到泡孔尺寸d。

作為優(yōu)選，在平行于塑料熔體的流動(dòng)方向上，設(shè)置多組探頭。

微發(fā)泡注塑成型制品在注塑完成，冷卻降溫后，其泡孔已經(jīng)定型，脫模前和脫模后的泡孔尺寸相差無幾，可忽略不計(jì)。所以，由本發(fā)明方法得到的脫模前制件中的泡孔尺寸可作為脫模后的最終產(chǎn)品的泡孔尺寸。

本發(fā)明可應(yīng)用于現(xiàn)有的微發(fā)泡注塑成型系統(tǒng)，比如現(xiàn)有的微發(fā)泡注塑成型一般包括模具，超臨界流體輔助裝置，注塑成型機(jī)等。

本發(fā)明中，所述回波信息是指收集信號(hào)時(shí)間區(qū)間內(nèi)收集到的信息，包括基礎(chǔ)信號(hào)信息、反射波信息，或者也可能包括干擾信息等。通過計(jì)算起始包含反射波的回波信息的時(shí)間差，可以得到所述的起始時(shí)間差δt，進(jìn)而進(jìn)一步確定泡孔大小。

發(fā)明中，所述超聲卡可以是數(shù)字式超聲卡，也可以是一體式的超聲探傷儀。數(shù)字式超聲卡用于控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波，還用于接收和采集穿過泡孔之后的模具型腔表面的超聲反射波。pc機(jī)對(duì)采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算泡孔尺寸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：微發(fā)泡注塑成型制品中的泡孔尺寸的測(cè)量不需要破壞制品，具有無損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)；通過超聲波信號(hào)得到泡孔尺寸，不需要等制品脫模后離線操作，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的無損測(cè)量，省時(shí)，省力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的微發(fā)泡注塑成型中泡孔尺寸的超聲在線檢測(cè)裝置及超聲波傳播的示意圖。

圖2(a)為單個(gè)的反射回波波形圖。

圖2(b)為多個(gè)超聲波反射波形圖疊加到一塊生成的超聲波圖譜。

圖3為泡孔尺寸d和超聲反射圖譜中起始時(shí)間差δt的線性擬合示意圖。

圖4為泡孔尺寸d和超聲反射圖譜中起始時(shí)間差δt的二項(xiàng)式擬合示意圖。

圖5為微發(fā)泡注塑成型制品截?cái)嗝娴膕em照片。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加明顯，以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明以實(shí)驗(yàn)中的某一具體的微發(fā)泡注塑成型工藝為例進(jìn)行說明。

如圖1所示，該圖為實(shí)例中的微發(fā)泡注塑成型超聲實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。測(cè)量系統(tǒng)和和注塑系統(tǒng)包括：超聲檢測(cè)裝置、受超聲檢測(cè)裝置控制的一個(gè)超聲探頭、模具、超臨界流體輔助裝置，注塑機(jī)。

在本實(shí)施例中，超聲檢測(cè)裝置由超聲卡和pc機(jī)組成，超聲卡采用數(shù)字式超聲卡。超聲卡用于控制超聲探頭發(fā)出脈沖超聲波，還用于接收和采集超聲反射波，并將采集到的超聲反射波發(fā)送給pc機(jī)。pc機(jī)對(duì)采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算起始時(shí)間差δt。進(jìn)而得到泡孔尺寸d。

在本實(shí)施例中，超聲探頭為縱波探頭，發(fā)射超聲波和接收回波信息的頻率均為20khz，預(yù)估泡孔生長時(shí)間為3s，即t0＝3s，按照(1～5)％×t0確定提取回波信息的時(shí)間間隔，在這里，我們?nèi)?.1s，脈沖超聲波垂直于塑料熔體流動(dòng)方向。在本例中，聚合物材料為pp(聚丙烯)，其中，發(fā)泡氣體為co2。聚合物熔體壓力為16mpa，co2氣體壓力為18mpa，注射速度為50cm³/s，注射體積為34cm²，模具空腔總體積為39cm²。

圖2(a)為單個(gè)回波信息譜圖，圖2(b)為超聲檢測(cè)裝置在各個(gè)時(shí)間檢測(cè)得到的回波信號(hào)的圖譜，其中，a段為聚合物未注入模具，超聲波信號(hào)被空氣散射，沒有反射波信號(hào)；b段為聚合物注入模具，泡孔形核，長大過程中得到的超聲波圖譜，包含反射波信號(hào)；c段為泡孔生長完成之后得到的超聲波反射圖譜，沒有反射波信息。由于探頭發(fā)送超聲波的時(shí)間間隔為固定值，因而，b段在y軸上的跨度越大，證明泡孔形核、長大時(shí)間越長。b段在y軸上的長度即為δt。另外，圖2(b)中，縱坐標(biāo)表示提取回波信息的時(shí)間點(diǎn)(間隔為0.1s)，橫坐標(biāo)為接收回波信息的時(shí)間跨度區(qū)間(0-400μs)。

微發(fā)泡注塑成型過程中的泡孔尺寸的超聲在線表征方法具體實(shí)施步驟如下：

1)微發(fā)泡注塑成型過程中泡孔尺寸的超聲在線表征系統(tǒng)如圖1所示。在從注射聚合物熔體到冷卻成型的整個(gè)過程中，都要進(jìn)行超聲波探測(cè)，得到若干條回波信息。

2)從上述回波信息中，間隔0.1s提取對(duì)應(yīng)的回波信息，對(duì)得到回波信息進(jìn)行處理，如圖2(a)和圖2(b)所示，得到包含泡孔長大信息的超聲反射圖譜，計(jì)算得到接收到第一個(gè)反射波至接收到最后一個(gè)反射波的時(shí)間差δt(圖2(b)中b部分對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間)，在本例中，起始時(shí)間差δt為3.9s。

3)將起始時(shí)間差δt帶入我們得到的二項(xiàng)式擬合公式為：

d＝-14.7664δt²+295.0081δt+180.2937

得到泡孔尺寸為1106.2283μm。

以上步驟2)中擬合公式的具體求法如下：

(1)按以上步驟1)、步驟2)得到同型號(hào)制品在其他工藝參數(shù)下(不同于本示例，詳見表1)的起始時(shí)間差δt1，δt1＝2.2s；

(2)將(1)中被測(cè)制品在探頭ut處截?cái)?，進(jìn)行sem掃描，得到該制件的泡孔尺寸d1＝800μm。

(3)改變工藝參數(shù)，重復(fù)步驟(1)、步驟(2)，得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，δt2＝2.3s、δt3＝2.3s、δt4＝5.6s、δt5＝5.7s、δt6＝5.6s、δt7＝8.6、δt8＝8.8s、δt9＝9.1s和對(duì)應(yīng)的泡孔尺寸：d2＝780μm、d3＝740μm、d4＝1400μm、d5＝1350μm、d6＝1360μm、d7＝1700μm、d8＝1590μm、d9＝1620μm。以上所列數(shù)據(jù)的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

表1工藝參數(shù)

(4)根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)+擬合的方法，得到函數(shù)方程，如圖4和圖5所示。

圖3為采用線性擬合得到的函數(shù)方程圖像，函數(shù)方程為：

d＝131.2397δt+527.9740

圖4為采用二項(xiàng)式擬合得到的函數(shù)方程圖像，函數(shù)方程為：

d＝-14.7664δt²+295.0081δt+180.2937

判斷兩條曲線擬合好壞的程度：

理論判斷：線性擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為82.1935，與此同時(shí)，二項(xiàng)式擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為38.2709；實(shí)驗(yàn)判斷，該制品在探頭ut處截?cái)嗪?，通過其sem照片，如圖5所示，得到其泡孔直徑為1100μm，此時(shí)，線性擬合曲線計(jì)算結(jié)果為1039.8089μm，擬合誤差為5.472％，二項(xiàng)式曲線擬合結(jié)果為1106.2283μm，誤差為0.56％。從中不難判斷，二項(xiàng)式擬合精確程度明顯高于線性擬合。由此，我們最終采用二項(xiàng)式擬合公式。