对工艺可重复性实现更好的控制


作者:恩格尔奥地利  Josef Giessauf  Christian Maier 日期:2017/10/30 来源:PT《现代塑料》

工艺的可重复性不是一个常量,根据时间的不同,它会随着许多变量而不断发生变化。这种变化不应该通过测量零部件的离散样本这种快速方法来获取(如图1所示),而需要采用一种能够对每次循环都进行合调节的工艺控制。

在一个工艺的生命周期中,可能会出现怎样的干扰?其程度如何?最重要的是,它们会对零部件的质量造成多大的影响?这些将来可能出现的问题经常在实际生产中被忽略,而加工商们容易将自身局限于只对眼前的工艺可重复性做一个评估。但是仔细检查后会发现,对工艺可重复性进行合理的测量和控制是一项相当有难度的挑战。

图 1工艺的可重复性不是一个常量,不能通过在一个时间点上对零部件进行抽样检查来确定

标准偏差和变化

为了快速评估工艺的可重复性,通常要测量一系列连续周期的注射重量。这些值将作为计算标准偏差(σ)或变化的基础(如图2所示)。这两个参数通常用平均注射重量的百分比表示。

图2 通常,会采用在50个连续循环周期中测得的一个注射重量曲线,加上由此得到的标准偏差和变化范围,对工艺的可重复性进行快速评估

如果变化值能控制在平均部件重量的0.1%以下,是一个非常令人满意的结果。这种评估方法的不足是只用采用了最大测量值和最小测量值得出的计算结果。而发生在这两个值之间的情况,没有被考虑。

在过去的十年中,对注塑机能力和工艺能力的研究已变得越来越广泛,可以在规定的条件下测试一定数量的部件,评估对其后续功能而言非常重要的某些性,如一个临界尺寸。假设样本是正态分布,可以从这些数据中得出前文中提到的标准偏差。通过这个标准偏差和被评估性能的允许公差范围,就能计算出设备能力指数(Cm)。

设备能力指数表示每隔多久6倍的标准偏差(6σ)能控制在给定的公差范围内。在一个案例中(如图3所示),零部件长度的6倍标准偏差用6个垂直堆叠的红色双箭头表示。从图中可以看出,这个零部件的公差上限和公差下限的差值大约是6σ的2.3倍。通常要求Cm值>1.67。

图3 用50次连续循环中测量得到的部件长度和标准偏差,计算出设备能力指数Cm、Cm.l和Cm.u

设备下限能力指数Cm,l表示,每隔多久3倍的标准偏差(3σ)能控制在目标值和公差下限之间;而设备上限能力指数Cm,u表示每隔多久(3σ)能控制在目标值和公差上限之间。在这图2所示的例子中,3倍标准偏差(3σ)用三个垂直堆叠的蓝色双箭头表示,根据图中结果,这个零件的平均值和公差下限之间的差值是3σ的3倍,但在平均值和公差下限之间的差值是3σ的1.59倍。

Cm,l和Cm,u用于描述测量值在公差中的位置。指标越大,测量值就越远离相应的公差极限,所以Cm,l和Cm,u这两个值中较小的一个即被指定为临界设备能力指数Cm,c。在图2的例子中,Cm,u是临界值,通常也要求该值>1.67。虽然此例中的Cm为2.3,但Cm,u为1.59太低了,部件的长度测量值接近上限。基于此测量结果,可以通过改变设置参数来影响收缩,从而缩短部件长度。如果无法实现,只能改变模具的几何形状。

测试重复性的陷阱

如果注塑成型商要对工艺的可重复性进行测试,他必须获得上述数值中的至少一种,如此,工艺流程才可以被评估。在实践中发现,工艺可重复性的测试结果常常经不起更严密的推敲,这是因为有很多可能导致错误的因素。其中,最常见的因素有以下几个:

1.过早的测量

如果在一天忙碌的生产接近尾声时,技术人员决定快速从50次注射中抽取零部件,并将其放在天平上测试重量,可能得到不准确的结果。这是因为,他们没有预先判断工艺是否在稳定状态下运行。换言之,在进行可重复性测试之前,一定更要确认工艺是否处于稳定状态。

2.错误的测量

称重过程是另一个易出现错误的环节。并非随便一种秤就能用来给部件称重。而且,与其他的测试技能一样,称重也需要学习。操作人员必须熟练掌握仪器操作,且称重时要避免气流。最好在实验室环境下对部件进行称重,而并非生产环境。还需要注意的一点是,称重时,部件不要挂在称重盘上。

另外,要注意部件脱模后的存储时间,因为时间的长短会导致部件有不同程度的吸水量,这会对结果造成干扰。这一原理也适用于部件所携带的静电,因为静电会吸附灰尘和杂散颗粒,影响部件重量。了解后面这一点的人并不是很多,对此,可以采用电离空气使零部件放电。

3.次优设置

要想得到正确的结果,操作点的选择也是关键。换言之,就是用户所选择的所有设置。如果模具温度降低,或者注射速度提高,工艺的重复性会在短期测试中发生改变,甚至可能在更长期的测试中也发生改变。作为例子,这里介绍两个关键的参数指标:第一,注射驱动能否遵从设定的注射速度分布?第二,注射与注射之间的注射压力曲线是否相同?现代注塑机控制系统,就像恩格尔的CC300,能帮助工程师们找到这些问题的答案,从而为提升注塑成型工艺的耐久性带来可可能。

4.测量工艺数据的重复性

为什么不能采用来自设备的实际值代替部件上的测量值来判断工艺的重复性呢?如上所述,工艺重复性的测试需要公差极限。然而,对于工艺数据,在零部件图纸中是找不到这样的公差极限。

5.草率处理公差极限 

维基百科中有这样一句话:对一个给定工艺,提升其工艺能力的最简单方法是放宽规格限制。例如,规格上限和规格下限之间的差别越大,它们之间可以容纳的标准偏差就越大。但是,公差极限不能随便设定,如果没有达到预期的设备能力,这样的设定价值就不大。

用于工艺控制的辅助系统

任何意识到上述影响因素的人都会在可能的情况下避开它们,从而获得至少在目前为止令人信服的重复性数值。但如上文中所说,这些结果不能预见干扰会在未来如何变化以及它们将如何影响零部件的质量和工艺重复性。

而采用可以实现工艺质量控制的新型智能辅助系统是解决此类问题的一种理想方案,如恩格尔的iQ weight control。这款软件模块形成了一个自动控制回路,叠加在注射和保压控制器上。它能在同一周期内实时调整注射、转换和保压参数,使得注射量基本保持不变。iQ weight control是恩格尔“inject4.0”项目的一部分,该系统为客户的智能工厂铺平了道路。

对于在短期测试中重复性差的工艺,该软件可以立即进行改进。如果一个工艺在短期测试中表现出了比较好的重复性iQ weight control看上去不会立即提供改进,但它会连续监控注射量,并且在发生变化时及时介入,确保工艺继续可靠地运行。换言之,这款软件的优势在于它不是通过错误信号被激活,而是在废品产生之前已经处于激活状态。

实用技巧

1.确定工艺是否已经稳定

在大多数情况下,很难评估一个工艺是否已经稳定下来。为了对这种情况进行评估,有必要在较长的时间内连续监测多个参数。一些先进的控制器,如恩格尔最新的CC300注塑机控制系统,以图形采显示工艺参数,一旦工艺发生变化或工艺状态发生变化时,CC300能够马上通过屏幕页上的6幅图显示评估结果。这使得过去在为数众多的数值表中寻找变化的情况成为过去式。

设备的具体参数或工艺的具体参数是判断一个工艺是否已经稳定的重要指示。在设备启动后,可以看到(如图4所示)工艺具体参数如注射量(图4a)、粘度变化(图4b)和塑化时间(图4c)在几次循环后稳定下来。

图4 为了测试一个工艺是否已经稳定下来,需要对几个参数进行连续监控。这些数值能以图形的方式在注塑机的控制系统(如恩格尔的CC300)上显示

但从图4e和图4f中可以看出,模具冷却回路的进、回水温度存在差异,两个冷却回路没有在同一个时间点上稳定下来。这种情况可以解释为,两个回路工作的区域不同。如果实际工艺中需要冷却的范围和质量比较大,形成稳定的温度差需要更长的时间。

如果采用拉杆式注塑机,热膨胀会导致模具温度升高,合模力峰值会随之变化。这个参数特别适合于评估模具是否已经全部加热。

如果这6组数据不够,或者需要探讨工艺数据记录中的任何其他参数分布并将其通过图形出来,CC300允许操作者简单利用特定的数据列。例如,用这种方式快速生成的图可以显示,气缸区域的温度稳定下来至少需要25次循环(如图5所示)。

图5 许多先进的注塑机控制系统可以在任何时候从工艺数据记录中快速生成一张图表

2.将实际值显示在目标值的图中

在工艺数据记录和关联图中会记录每个循环周期的某个数值。但这些记录没有提供在一个周期内此数值变化的任何信息。像CC300这样的控制器,可以让用户将这些实际值与目标值一起显示,如将注射速度和注射压力的实际值曲线与注射速度目标值分布一起显示(如图6所示)。这样一来,就能够简单检查注射驱动是否执行设定的注射速度以及执行设定的程度。此外,还可以观察和分析注射压力分布的不规则性。

图6 这些实际值的曲线可以简单检查注射驱动采用设定注射速度的程度。此图从右到左读取,区域a是压缩释放阶段,区域b是速度控制注射阶段,区域c是压力控制阶段的一部分

在目标值图中(图6)现实所谓的“实际值”,从右向左读取,它在CC300显示屏上被分为3个区域。区域a在一个深蓝色的背景下,代表压缩释放的过渡阶段。区域b在浅蓝色背景下,代表注塑工艺的速度控制阶段。转换点发生在从b到c的过渡中,这意味着c区域是注塑成型过程中压力控制阶段的一部分。这里所显示的曲线表明,这个例子中的注射驱动按照预设定的分布进行,在注射过程中没有异常,如压力峰值。