微发泡注塑成型制品表面粗糙度的超声在线检测方法和装置与流程

本发明涉及塑料成型技术，具体涉及一种微发泡注塑成型过程中表面粗糙度的超声在线检测方法及装置。

背景技术：

微发泡注塑成型，是一种在聚合物内部生成无数微小泡孔的精密注塑技术。微发泡注塑成型工艺突破了传统注塑成型的诸多局限，可显著减轻制件的重量，缩短成型周期，并极大地减小了制件的翘曲变形，增强了制件的尺寸稳定性。微发泡注塑成型工艺对生产精密制品具有很大的优势，得到了越来越多的重视和越来越广泛的应用。

微发泡注塑成型中，制品的表面粗糙度是影响微发泡注塑成型制品的机械和力学性能的关键参数之一。实现对表面粗糙度R_a的有效检测和有效控制，是提高微发泡注塑制品外观和性能，将微发泡注塑成型技术的应用领域拓深加宽的关键因素之一。

表面粗糙度R_a的在线实时检测至关重要，但又困难重重。由于注塑件在模具的内部，被模具所覆盖。因此，无法通过接触式方法或非接触式光学方法来测量。目前，表面粗糙度R_a的测量都是通过离线的，将制品从模具内取出，通过接触式的表面粗糙度测量仪来机械测量。但这种方法有其不可避免的缺点：

(1)这种方法只能做到离线检测，无法实现实时在线检测。

(2)采用表面粗糙度测量仪离线检测，需要工人手动操作，耗时长，误差大，效率低下，而且只能做到抽样检测，没法实现产品批次的全检测。

(3)采用人工手动检测是，需要接触被测量件表面，不方便，而且会划伤表面。

面对目前表面粗糙度R_a检测手段的种种弊端，世界上多家科研机构的专家学者都在寻找一种经济有效的，可以实时在线表征表面粗糙度R_a的检测手段，以便实时调整工艺参数，以优化制品的表面质量。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种成本低廉，使用方便，精度易控制，无损的用于微发泡注塑成型制品表面粗糙度的超声在线检测方法和装置。

在微发泡注塑成型制品内部，会弥散有无数微小泡孔。在不同的发泡工艺参数下，泡孔的尺寸和分布情况会有很大的不同。当泡孔数量少，平均直径大，分布集中于中心区域时，表面质量就好，表面粗糙度R_a就低。反之，当泡孔数量多，平均直径小，分布分散在中心区域和表层区域时，表面质量就差，表面粗糙度R_a就高。

在超声波在线检测过程中，当塑料熔体注入前，超声波会被注塑系统内的空气散射，使反射信号基本消失(即附图3中的A部分)；当塑料熔体进入注塑系统，并流到探头所在位置时，散射现象不再发生，超声波穿透聚合物，在另一侧模板和聚合物的接触面发生反射，反射信号传播回来后，便开始接收到超声波回波信号(即附图3中的A、B部分相交点)。随后，聚合物内部的气泡在形核，长大，此阶段会一直接收到超声反射波信号(即附图3中的B部分)；当气泡最终成型后，泡孔的散射作用已足够强大，使反射波信号的强度越来越小，最后基本消失(即附图3中的C部分)。一方面，气泡的形核率越大，气泡越密，分布越偏向表面，则表面质量就越差，表面粗糙度就越高。另一方面，形核率越大，气泡越密，则超声波穿过该段距离的平均速度就越小，超声波的传播时间便越长，t_start便越大。由此根据接收到的首个超声波信号的传播时间，即可得到表面粗糙度R_a的大小。本发明即是建立在上述理论上。

一种微发泡注塑成型制品表面粗糙度R_a的超声在线检测方法，包括如下步骤：

(1)针对在线的注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；

(2)待塑料熔体流到探测区域后，超声波会穿过一侧模板和熔体，并从另一侧模板和同体的交界面反射回来回波信息，接收并分析此回波信息第一次出现的起始时间t_start；

(3)将起始时间t_start代入预先得到的起始时间t_start与表面粗糙度R_a间的拟合公式(I)，得到微发泡注塑成型制品中的表面粗糙度R_a；

R_a＝a t_start²+b t_start+c(I)

其中，a＝-0.2000～-0.1000，b＝2.000～4.000，c＝-30.00～-15.00。

本发明中，所述的起始时间t_start与表面粗糙度R_a对应。表面粗糙度R_a越大，则意味着泡孔形貌越小越密，分布越靠近表层，进而上述起始时间t_start也就越大，通过寻找两者之间的关系，可以最终实现对微发泡成型注塑件表面粗糙度的在线检测。

步骤(1)中，一般是将超声探头设置在模具的外壁上。

作为优选，步骤(3)中所述拟合公式的具体求法如下：

(3-1)针对同一注塑系统，在垂直于塑料熔体流动方向上，向成型过程中的制品发射一系列超声波，采集该系列超声波的回波信息；

(3-2)待塑料熔体流到探测区域后，确定接收到从模板和熔体的交界面反射回来的回波信息的起始时间t_start；

(3-3)将对应注塑件取出，通过表面粗糙度测量仪，得到该微发泡注塑件表面的平均表面粗糙度R_a；

(3-4)改变注塑系统的工艺参数，重复步骤(1)-(3)，得到多组t_start和R_a数据；

(3-5)对得到的多组数据进行二项式拟合，得到回波起始时间t_start和微发泡注塑件平均表面粗糙度R_a的函数关系式。

采用二项式拟合既可以保证相关度，又可减少计算量。

作为优选，步骤(2)中起始时间t_start由下述方法得到：

(2-1)利用matlab程序对原始接收的回波信息进行处理，得到回波信息图谱；

(2-2)从回波信息图谱中计算得到所述的起始时间t_start。

由于原始接收的回波信息量巨大，为了提高计算机计算效率，作为优选，步骤(2-1)中，间隔提取所述回波信息，对提取的回波信息进行处理，得到回波信息图谱。进一步优选，提取所述回波信息的间隔时间为，或(1～5)％×t₀，其中t₀为预估的泡孔成长时间。实际确定间隔时间时，可通过预先的实验，预估出泡孔成长时间t₀。采用该技术方案，保证在泡孔形成过程中，提取出尽量多的超声波进行计算，进一步提高起始时间的准确度，进而进一步保证最终表面粗糙度R_a的精确度，同时也保证了计算效率。

作为优选，a＝-0.1500～-0.1000，b＝2.500～3.500，c＝-25.00～-20.00。这样参数范围下的拟合公式，能够更好地描述表面粗糙度R_a与起始时间t_start1之间的关系，能够更准确地测得表面粗糙度R_a。本发明还提供了一种微发泡注塑成型制品表面粗糙度R_a的超声在线检测装置，包括：

设置在线的、在注塑系统中垂直于塑料熔体流动方向上的超声探头；

控制超声探头发出脉冲超声波的超声卡，用于发射、接收和采集回波信息，并将采集到的回波信息输出；

计算机，用于接收所述回波信息，并对采集到的回波信息进行处理，计算接收到从模板和熔体的交界面的回波信息的起始时间t_start，得到表面粗糙度R_a。

作为优选，在平行于塑料熔体的流动方向上，设置多组探头。

本发明可应用于现有的微发泡注塑成型系统，比如现有的微发泡注塑成型一般包括模具，超临界流体辅助装置，注塑成型机等。

本发明中，所述回波信息是指收集信号时间区间内收集到的信息，包括基础信号信息、反射波信息，或者也可能包括干扰信息等。当聚合物流到探头检测位置时，超声波会会穿过聚合物，从模板和熔体的交界面反射，通过计算第一个这样反射的超声波的传播时间t_start，进而确定表面粗糙度R_a。

发明中，所述超声卡可以是数字式超声卡，也可以是一体式的超声探伤仪。数字式超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集穿过泡孔之后的模具型腔表面的超声反射波。PC机对采集到的超声信号进行处理，计算表面粗糙度R_a。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：微发泡注塑成型制品中的表面粗糙度R_a的测量不需要等待制品取下，具有在线检测的优点；通过超声波信号得到表面粗糙度R_a，可以不接触制件表面，不会对制件表面产生划伤；这种超声在线检测方式，可以做到100％检验，相较过去的人工抽查式，省时，省力。

附图说明

图1为本发明的微发泡注塑成型中表面粗糙度的超声在线检测装置及超声波传播的示意图。

图2为单个的反射回波波形图。

图3为多个超声波反射波形图叠加到一块生成的超声波图谱。

图4为表面粗糙度R_a和超声反射图谱中起始时间t_start的线性拟合示意图。

图5为表面粗糙度R_a和超声反射图谱中起始时间t_start的二项式拟合示意图。

图6为微发泡注塑成型制品表面的激光共聚焦(CLSM)二维照片。

图7为微发泡注塑成型制品表面的激光共聚焦(CLSM)三维照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加明显，以下结合附图以及具体实例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

本发明以实验中的某一具体的微发泡注塑成型工艺为例进行说明。

如图1所示，该图为实例中的微发泡注塑成型超声实时检测系统示意图。测量系统和和注塑系统包括：超声检测装置、受超声检测装置控制的一个超声探头、模具、超临界流体辅助装置，注塑机。

在本实施例中，超声检测装置由超声卡和PC机组成，超声卡采用数字式超声卡。超声卡用于控制超声探头发出脉冲超声波，还用于接收和采集超声反射波，并将采集到的超声反射波发送给PC机。PC机对采集到的超声信号进行处理，计算起始时间t_start。借助于经实验探讨得到的公式，进而得到表面粗糙度R_a。

在本实施例中，超声探头为纵波探头，发射超声波和接收回波信息的频率均为20KHz。预估泡孔生长时间为3s，即t₀＝3s。按照(1～5)％×t₀确定提取回波信息的时间间隔，在这里，我们取为0.1s。脉冲超声波垂直于塑料熔体流动方向。在本例中，聚合物材料为PP(聚丙烯)，其中，发泡气体为CO₂。聚合物熔体压力为16Mpa，CO₂气体压力为18Mpa，注射速度为50cm³/s，注射体积为34cm²，模具空腔总体积为39cm²。

图2为单个回波信息曲线，图3为超声检测装置在各个时间检测得到的回波信号的图谱，其中，A段为聚合物未注入模具，超声波信号被空气散射，没有反射波信号；B段为聚合物注入模具，泡孔形核，长大过程中得到的超声波图谱，包含反射波信号；C段为泡孔生长完成之后得到的超声波反射图谱，没有反射波信号。气泡的形核率越大，气泡越密，分布越偏向表面，则表面质量就越差，表面粗糙度就越高。形核率越大，气泡越密，则超声波穿过该段距离的平均速度就越小，超声波的传播时间便越长，t_start便越大。由此根据接收到的首个超声波信号的传播时间，即可得到表面粗糙度R_a的大小。另外，图3中，纵坐标表示提取回波信息的时间点(间隔为0.1s)，横坐标为接收回波信息的时间跨度区间(0-400μs)。

微发泡注塑成型过程中的表面粗糙度R_a的超声在线表征方法具体实施步骤如下：

1)微发泡注塑成型过程中表面粗糙度R_a的超声在线表征系统如图1所示。在从注射聚合物熔体到冷却成型的整个过程中，都要进行超声波探测，得到若干条回波信息。

2)从上述回波信息中，间隔0.1s提取对应的回波信息，对得到回波信息进行处理，如图2和图3所示，得到包含泡孔形核率信息的超声反射图谱，计算得到接收到第一个反射波的起始时间t_start(图3中t_start所示点)，在本例中，起始时间t_start为13.25μs。

3)将起始时间t_start代入我们得到的二项式拟合公式：

R_a＝-0.1243t_start²+3.489t_start-21.56

得到表面粗糙度R_a为2.757μm。

以上步骤2)中拟合公式的具体求法如下：

(1)按以上步骤1)、步骤2)得到同型号制品在其他工艺参数下(不同于本示例，详见表1)的起始时间t_start1，t_start1＝13.957μs；

(2)将(1)中被测制品在激光共聚焦光学显微镜上测量，得到该制件的表面粗糙度R_a＝2.826μm。

(3)改变工艺参数，重复步骤(1)、步骤(2)，得到多组实验数据，：t_start1＝13.957μs，t_start2＝13.964μs，t_start3＝13.946μs，t_start4＝12.563μs,t_start5＝12.571μs,t_start6＝12.509μs，t_start7＝11.376μs，t_start8＝11.392μs，t_start9＝11.368μs。

对应的表面粗糙度R_a为：R_a1＝2.826μm，R_a2＝2.886μm，R_a3＝2.754μm，R_a4＝2.562μm，R_a5＝2.372μm，R_a6＝2.741μm，R_a7＝1.941μm，R_a8＝1.884μm，R_a9＝2.018μm。以上所列数据的具体实验参数如下：

表1工艺参数

(4)根据多组实验数据，利用计算机+拟合的方法，得到函数方程，如图4和图5所示。

图4为采用线性拟合得到的函数方程图像，函数方程为：

R_a＝0.3338t_start-1.774

图5为采用二项式拟合得到的函数方程图像，函数方程为：

R_a＝-0.1243t_start²+3.489t_start-21.56

判断两条曲线拟合好坏的程度：

理论判断：线性拟合的标准差为0.115μm，与此同时，二项式拟合的标准差为0.062μm；实验判断，该制品在探头UT处截断后，通过其CLSM照片，如图6所示和图7所示，得到其表面粗糙度为2.826μm，此时，线性拟合曲线计算结果为2.6490.115μm，拟合误差为2.72％，二项式曲线拟合结果为2.7570.115μm，误差为1.24％。从中不难判断，二项式拟合精确程度明显高于线性拟合。由此，最终采用二项式拟合公式。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和实施效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。