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                  吹塑工業中的壁厚測量

                  發布時間: 2021-02-24 14:13:17      作者:      來源:

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                  引言:多年以來,對吹塑部件進行的質量控制操作都是使用美工刀將部件切開,然后再使用卡尺對部件的厚度進行測量。這種傳統的檢測方式存在很多問題。在將部件切開時,一般會在切割邊緣留下毛刺。如果操作人員在毛刺部位上進行測量,則測量到的不是真實的壁厚值。假設操作人員非常仔細,并避免了在變形的邊緣位置上進行測量,他們的測量操作還是會受到某些限制,如:需要選擇在哪個部位上使用機械設備進行測量。吹塑部件的幾何形狀,如:塑料瓶子,通常都不能使機械設備接觸到其內圓角或把手的部位。吹塑部件一旦因厚度測量而被毀壞,就不能再對其進行其它大多數測試。操作人員的技術水平參差不齊,因此也經常會使檢測出現問題。操作人員在使用卡尺進行檢測時,如果持握的卡尺與被測部件沒有處于平行對齊狀態,而是稍微有些傾斜,或者因卡尺鉗口的壓力而使材料有些壓縮時,都會得出錯誤的測量讀數,因此不同操作人員在測量同一個部件時會得到不同的厚度讀數。傳統的測量方式還存在著潛在的安全問題。操作人員在每個當班時間內要多次使用美工刀切割部件,因此他們受到嚴重傷害的可能性持續存在。

                  以下兩種電子方式可以減少或消除所有這些問題:超聲測厚方式和霍爾效應測厚方式。如今這兩種方式都已成為吹塑行業質量控制中的常用方式。一般來說測量方式的選擇取決于被測產品,而且選擇測量方式所要考慮的因素一般也與被測產品相關。這則應用注釋的將對選擇方式時要考慮的因素進行說明探討。

                  超聲測厚理論:超聲測厚儀可以從被測工件的一側對工件的壁厚進行準確、可靠、且具有可重復性的無損測量。具體的測量方式是對超聲聲束穿過工件壁厚所需的時間進行測量。測量時,將探頭放置在被測工件的表面上,并使用液體,通常是甘油、丙二醇或水,以聲學方式將探頭與工件耦合在一起。聲波脈沖從探頭與工件接觸的表面傳播到底面,即工件另一側的表面,然后再以底面回波形式返回到探頭(參見圖1)。測厚儀測量聲束脈沖在材料內部的傳播時間(參見圖2),并使用被測材料的聲速,根據以下公式計算出材料的厚度。
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                  在這個公式中,D材料的厚度,t脈沖傳播時間,V材料的聲速。因為傳播時間為完成往返聲程所需的時間,因此傳播時間與聲速的乘積要除以2。大多數材料的聲速都在每秒鐘約2.0毫米到2.8毫米的范圍內。
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                  圖1:探頭被放置在工件上。來自探頭的聲束在探頭與工件接觸的表面和底面之間完成一次往返傳播。

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                  圖2:初始脈沖進入工件的聲束。底面回波從相對的底面返回的聲束。"t"是聲波脈沖的渡越時間。模式1是指使用初始脈沖和底面回波確定厚度的測量方式。

                  校準:如果操作人員了解到會引起錯誤測量的情況,并采取了一些簡單的預防措施,他們在使用超聲測厚儀進行測量時,一般會得到極為準確的測量結果。經過正確校準的測厚儀將會顯示準確的壁厚讀數。校準過程要求使用的標準樣件的材料要與被測樣件相同,而且需帶有厚度已知的一些區域。一般來說,要使用可和小被測材料厚度的樣件,對測厚儀進行設置。通過在鍵區中簡單的按鍵操作,可以設置材料聲速和零位偏移(與探頭相關的參數):在將探頭耦合到被測材料時,輸入已知的參考標準試塊的厚度。測厚儀使用已知厚度,分別為這個材料和探頭,計算出聲速和零位偏移。當測厚儀進行厚度測量時,會使用校準的聲速,計算產品的厚度。

                  優勢與局限性:超聲測厚方式的主要優勢在于可以對封閉的容器、較大的板材,以及其它難以或無法接觸到材料兩側的具有復雜幾何形狀的樣件,進行厚度測量,因為這種方式只需要接觸到被測材料的一側即可進行厚度測量。測厚儀一般都是手持式,使用起來非常方便。這種方式潛在的局限性是測量的準確度與已知材料聲速的準確度密切相關,如果已知聲速準確無誤,則測出的厚度值也會準確無誤,但是如果材料的聲速發生意外變化,則測厚儀測到的厚度值就會產生錯誤。材料屬性的變化會影響聲速,其中包括明顯的溫度變化和密度變化。當溫度的變化超過5o C時,大多數塑料都會表現出的聲速變化。避免因溫度變化而產生測量錯誤的簡單的方式是在環境溫度下進行校準和測量。如果做不到這點,則應該在制造過程中,在產品上的一個已知、相同的位置進行校準和測量。由于大多數標準探頭會因與溫度約為50oC以上的熱部件接觸而受到損壞,因此不建議對高溫部件進行檢測,除非使用了特殊的探頭。當厚壁產品的外表面已經冷卻時,其內部區域可能還很熱,因此這種樣件的內部與外部可能會有很大的溫度差別。這些溫度差別可能會引起材料內部極大的聲速變化,進而會引起測量值的不確定性。

                  霍爾效應測厚理論:另一種電子測厚方式利用了一種被稱為霍爾效應的現象?;魻栃枋褂靡环N可垂直作用于一個攜帶電流的導體的磁場。這種組合包括在另一個方向上產生的電壓。如果一個鐵磁性目標,如:已知質量的鋼珠,被放置在磁場中,則其感應電壓就會改變。當目標遠離磁體時,磁場以及感應電壓就會以一種可以預見的方式改變。如果將感應電壓的這些變化繪制成圖,就會生成一條感應電壓對比目標與探頭之間距離的曲線(參見圖3)。

                  進行測量時,只需將霍爾探頭放置在被測樣件的一側,將鐵磁性目標,通常為一個小鋼珠,放置在樣件的另一側。測厚儀顯示目標和探頭之間的距離,及樣件的壁厚讀數。

                   

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                  圖3:目標鋼珠被放置在被測樣件的一側。探頭被放置在樣件的另一側,而且鋼珠被吸引并靠近探頭。

                  校準:校準儀器的方式如下:將一系列厚度已知的墊片放置在探頭上,將鋼珠放置在墊片上,然后在儀器中輸入每個墊片的已知厚度。在校準過程中輸入到測厚儀中的信息可使儀器建立一個查詢表,實際上,是繪制一條表明電壓變化的曲線。測厚儀在查詢表中查找對應于測量值的厚度值,并在屏幕上顯示厚度的數字讀數。盡管這些步驟聽起來非常復雜,但是在實際操作中,操作人員只需在校準過程中輸入已知值,然后讓測厚儀完成比較和計算工作。使用霍爾效應測厚儀時,不需要操作人員了解任何有關測量的物理知識。校準過程會自動完成。

                  優勢和局限性:這個測量系統的優勢在于無需使用耦合劑,聲速不會隨著溫度或材料的其它屬性而變化,而且可以測量到極其窄小圓角區域和極薄樣件的壁厚。此外,操作人員還通??梢苑奖愕厥褂锰筋^在樣件的各個部位上進行掃查,以快速核查樣件上各個不同位置的厚度,或找到厚度薄的區域。在吹塑成形的塑料產品檢測應用中,使用霍爾效應測厚方式的潛在的局限性是需要將目標鋼珠放置在被測樣件的內部,因此這種方式不能對封閉的容器進行檢測(不過可以通過超聲方式對這類樣件進行檢測)。系統可以測量的厚度約為10毫米。系統可以對可壓縮性材料進行測量,但是在對這類材料進行測量時,因為鋼珠會使材料壓縮,因此應該使用小的鋼珠。在生產過程中,操作人員可以在幾秒鐘時間內對整個樣件進行掃查,同時存儲多個讀數,或找到薄壁厚。這款儀器經常被放置在生產區域,供成型設備的操作人員使用。這種方式可使廠家實現真正的統計過程控制。

                  選擇測厚方式:在對上述兩種方式進行選擇時,沒有一成不變的規則。一般來說,如果要測量的是大型、厚壁、剛性部件,則使用超聲檢測方式。如果要測量的是小型、薄壁(小于2.5毫米),且帶有較小內圓角的樣件,則使用霍爾效應測厚儀,如:奧林巴斯的Magna-Mike 8600型號測厚儀。大部分吹塑樣件的檢測應用都傾向于使用霍爾效應測厚儀。大多數吹塑機生產的樣件都具有復雜的形狀、相對柔軟彎曲的薄壁,以及內圓角,使用機械設備或超聲測厚儀很難測量這類樣件的壁厚。

                  要進行超聲測量,可以使用奧林巴斯的任何一款精確測厚儀。其中包括38DL PLUS型號和帶有單晶軟件的45MG型號的測厚儀。兩種儀器都可以存儲多個聲速和探頭設置,都可以對各種材料進行簡單的測厚操作。在測量薄壁工件時,經常會建議使用M116、M208或V260 Sonopen探頭。要測量厚壁樣件,則建議使用同一種測厚儀以及低頻接觸式探頭(M112、M110或M109)。要對溫度超過50oC的熱塑料樣件進行厚度測量,則要使用高溫延遲塊探頭。

                  總結:可以通過幾個簡單的步驟,對兩種測厚儀進行快速校準。校準完成后,兩種測厚儀都可以為用戶提供準確且重復性極高的結果。用戶會發現與機械測厚方式相比,使用電子方式進行測量的操作人員的操作技術很少會影響到測量的結果。校準數據與記錄的讀數被存儲在一起,并可以在日后對操作人員的工作進行核查。超聲測厚儀和霍爾效應測厚儀都帶有數據記錄功能,這樣就消除了謄寫數據時會出現錯誤的可能性。

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